(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210801474.0 (22)申请日 2022.07.07 (71)申请人 湖北工业大 学 地址 430068 湖北省武汉市洪山区南李路 28号 (72)发明人 李丽华　韩琦培　肖衡林　李文涛　 裴尧尧　刘一鸣　黄少平　康浩然　 张东方　李孜健　 (74)专利代理 机构 武汉科皓知识产权代理事务 所(特殊普通 合伙) 42222 专利代理师 杨震 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 119/02(2020.01) (54)发明名称 既有线高速铁路路基加宽的三维有限元分 析方法 (57)摘要 本申请公开了既有线高速铁路路堤加宽的 三维有限元分析方法。 该方法包括以下步骤： (1) 对列车‑轨道‑路堤结构进行抽象处理， 形成物理 模型； (2)基于力学理论对结构受力变形及各边 界条件建立耦合系统矩阵形成数学模型； (3)借 助相关工具形成初始应力场； (4)进行塑性计算 和安全计算， 通过现场实验测试或模 型试验数据 对模型进行验证并对计算结果分析应用。 本申请 实现困难低， 步骤简洁， 可分析因素广， 考虑了边 界条件等因素对计算结果的影 响， 且可以模拟三 维稳定性问题， 在实际工程中既有线路高速铁 路 路堤加宽的设计环 节有很好的应用前 景。 权利要求书2页 说明书5页 附图2页 CN 115292987 A 2022.11.04 CN 115292987 A 1.一种既有 线高速铁路路基加宽的三维有限元分析 方法， 其特 征在于， 包括如下步骤： (1)原位数据收集 通过对加宽的铁路 路基监测得到实测应力和沉降， 或收集模型 试验数据； (2)定义模型 基于极限下限分析法构建列车 ‑轨道‑路堤的有限元耦合模型， 并构建初始应力场， 以 及预设初始参数， 所述初始参数包括几何尺寸、 材 料性能和边界条件； (3)模型验证 利用所述列车 ‑轨道‑路堤的有限元耦合模型进行模拟， 将模拟结果与实测数据进行对 比， 验证模型的有效性并对初始参数进行调整； (4)对照模拟 预设对照条件， 根据不同的对照条件分别建立模型； (5)有限元计算 对建立的模型进行有限元计算并分析， 包括应力状态分析和边坡稳定性分析， 进一步 研究加宽路堤的力学性能及整体 变形特征； (6)后处理 对所求结果进行后处 理， 所述后处 理包括模型图绘制和计算结果的可视化。 2.根据权利要求1所述三维有限元分析方法， 其特征在于， 步骤(2)中， 所述有限元极限 分析的方法为平面应 变下界有限元极限分析法； 所述平面应 变下界有限元极限分析法中， 容许应力场提供最终 失效载荷， 以满足： (1)域上的基本静态 平衡方程； (2)沿边界线的应力边界条件； (3)每个三角形 元素的节点上的屈服 函数； 失效荷载大小是通过对与基础 ‑土界面的节点关联的法向应力进行数值积分计算， 最 大值为{gT}{σ }， {ATL}{σ }＝{bTL}， 其中{gT}是由目标函数系数形成的全局向量{σ }是全局应 力向量； {σ }是全局应力向量； {bTL}系数是由在元素平衡、 应力边界、 应力不连续 条件和屈服 准则实现后产生的约束的左右系数 形成的向量； 优选地， 步骤(2)中， 所述列车 ‑轨道‑路堤的有限元耦合模型选择平面应变， 单元为15 ‑ 节点网格间距为1m， 格栅间分隔数为1， 其 他参数为预设值； 优选地， 步骤(2)中， 所述初始参数的岩土参数包括天然重度γ天然、 饱和重度γ饱和、 水平 渗透系数kx、 竖向渗透系数ky和刚度Eref； 优选地， 步骤(2)中， 步骤(2)中， 模型包括地基、 基础、 旧路基、 加宽路基、 保护层、 底砟 层、 道砟层， 加宽路基与保护层之间设置坡度为0.0 5的排水层， 材 料为土工布； 优选地， 步骤(2)中， 定义边界条件， 为系统施加荷载边界条件、 位移边界条件和支座边 界条件， 根据边界条件处 理系统总体刚度矩阵， 然后检查系统边界条件施加的合理性。 3.根据权利要求1所述三维有限元分析方法， 其特征在于， 所述步骤(3)中， 验证的数据 类型包括应力和应 变两种。 4.根据权利要求1所述三维有限元分析方法， 其特征在于， 步骤(3)中， 采用三种模型用 于模拟土及其他连续介质行为， 包括土体硬化模型(HS)、 岩体模型(JR)和霍克 ‑布朗模型 (HB)。权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115292987 A 25.根据权利要求1所述三维有限元分析方法， 其特征在于， 步骤(5)中， 利用处理过的总 体刚度矩阵建立方程组并求 解， 并将计算结果分配到节点； 优选地， 步骤(5)中计算包括(1)初始计算； (2)零塑性 步计算； (3)安全分析三 步。 6.根据权利要求1所述三维有限元分析方法， 其特征在于， 步骤(5)中应力状态分析方 法为求最大沉降和竖向应 变。 7.根据权利要求1所述三维有限元分析方法， 其特征在于， 步骤(5)中依据坡顶离加宽 截面， 设置A,B,C,D四组曲线生成点， 每组曲线生成点延Z轴包括 三个应力点。 8.根据权利要求1所述三维有限元分析方法， 其特征在于， 步骤(5)中稳定性分析方法 为求安全系数 FS和确定临界滑裂面 位置。 9.根据权利要求1所述三维有限元分析方法， 其特征在于， 计算安全系数的方法选择剪 切强度折减法， 具体公式如下： 其中， Mfs为强度折减安全系数， 为初始摩擦角， 为折减后的摩擦角， cinput为初始的粘聚力， creduced为折减后的粘聚力。 10.根据权利要求1所述三维有限元分析方法， 其特征在于， 步骤(6)中后处理可以使用 Matplotlib绘制二维图形， 使用Mayavi库或者Paraview绘制三维图形。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115292987 A 3