ANSYS模型的建立--板式无砟轨道论文.doc

摘 要无砟轨道可以分为预制混凝土板式和现浇混凝土式两种。在我国，形成技术体系并且纳入技术要求规范的是预制混凝土板式，主要包括单元板式（CRTS I型）和纵连板式（CRTS II型）两种类型。跟随国际步伐结合我国的基本国情，无砟轨道现已大量投入建设。为保证轨道结构在运营中的安全性和使用性，有必要对无砟轨道结构进行合理设计。本文以CRTS I型无砟轨道作为研究对象，进行加载作用下的力学数值进行分析和结构设计。设计程序如下：CRTS I型无砟轨道的结构形式和几何尺寸确定；运用ANSYS软件和掌握的结构形式和几何尺寸进行有限元模型的创建，并且对所建模型进行加载求解；在加载下对力学数值分析，根据数值对横截面进行配筋计算，使其的强度和刚度达到模型要求，达到对模型的设计以及检算的任务；对不同地基系数下的轨道结构进行力学分析；最后对CRTS I型板式无砟轨道的施工技术进行陈述。分析结果表明无砟轨道高平顺性、高稳定必须依赖基础的刚度、砂浆的特性以及轨道板和底座的结构尺寸和配筋，不同的地基系数和支撑层刚度下轨道形变和受力表现出极大的不同。无砟轨道建设必须加强这些重要环节的质量控制。关键词：CRTS I型板式无砟轨道；有限元；结构设计；施工技术AbstractNon-ballasted track can be divided into pre-cast concrete slab and in-situ concrete. In China, the formation of technical systems and technical requirements specification is included in the precast concrete slab, including cell plate (CRTS I type) and the vertical connecting plate (CRTS II type). Combined with the international pace of Chinas basic national conditions, non-ballasted track has a lot to invest in construction. Track structure in order to ensure operational safety and usability, it is necessary to carry out reasonable non-ballasted track structure design reasonable. In this paper, it take CRTS I plate-type non-ballasted track as an object of study, carried out under the action of mechanical loading numerical analysis and reinforcement design calculations, the main research work as flowing: According to CRTS I -type non-ballasted track of development, formed technologies as well as incorporating the requirements of standards to understand the tie track structure and geometry of CRTS I type. Using ANSYS software and master of the structure and geometry of the finite element model creation, and loaded on the model solution. Under mechanical loading numerical analysis, based on the numerical calculations for the cross section of reinforcement to achieve the strength and stiffness of the model requires. Numerical analysis based on different foundation coefficient. Finally, give a statement of standardized construction methods, construction techniques and other safety matters enumerated in detail.The results show that non-ballasted track high smoothness, high stability must rely on foundation stiffness characteristics of mortar and track the production process and the base plate. Non-ballasted track construction must strengthen the quality control of these important aspects.Keywords: CRTS I type of slab track, finite element modeling, design reinforcement calculation, construction technology46兰州交通大学毕业设计（论文）目 录摘 要IAbstractII第一章 绪 论1第一节 引言1第二节 无砟轨道介绍1一、无砟轨道结构特点1二、无砟轨道分类2三、无砟轨道功能要求3四、板式无砟轨道国内外现况4第三节 CRTS型板式无砟轨道结构组成及特点5一、CRTS型板式无砟轨道结构5二、CRTS型板式轨道结构特点6三、CRTS型板式无砟轨道的技术特点6第二章 有限元法简介以及ANSYS软件7第一节 有限元法简介7一、有限元法概述7二、有限元法分析过程7第二节 ANSYS10一、ANSYS发展历程10二、ANSYS有限元法常用术语10三、ANSYS软件的功能11第三章 CRTS型板式无砟轨道设计14第一节 无砟轨道设计方法概述14一、引言14二、国内外无砟轨道设计方法14第二节 CRTS型板式无砟轨道设计15一、基本假设15二、CRTS型板式无砟轨道设计参数合理取值的分析15三、CRTS I型无砟轨道设计参数16第三节 建模17一、路基上板式轨道有限元力学模型17二、ANSYS模型的建立17第四章 CRTS I型无砟轨道配筋计算26第一节 引言26一、计算原则26二、计算方法26第二节 温度应力计算26第三节 轨道板配筋的计算27一、轨道板设计荷载弯矩值的确定27二、轨道板采用的混凝土及钢筋类型28第四节 轨道板纵向配筋计算28一、轨道板纵向配筋28二、检算29第五节 轨道板横向配筋计算30一、轨道板采用的混凝土及钢筋类型30二、轨道板横向预应力筋的配筋30三、横向非预应力筋配筋31四、检算32第五章 不同支承刚度下轨道受力的研究33第一节 路基面刚度概述及基本假定33第二节 不同路基刚度下轨道受力的分析33第六章 板式无砟轨道施工技术35第一节 无砟轨道主要建筑材料35第二节 无砟轨道的施工顺序36第三节 施工工艺及质量控制要点36一、无砟轨道施工条件36二、无砟轨道施工测量36三、底座施工36四、桥面系、路基附属施工38五、轨道板及扣件安装38结论44致谢45参考文献46第一章 绪 论第一节 引言近年来我国铁路进行了六次大提速，铁路的运行速度越来越快，在这种高速度下，有砟轨道的问题逐渐凸显出来。现有铁路一般采用传统的有砟轨道设计，但是最近几年来随着铁路运量的加大和运营速度的提升，有砟轨道的道砟粉化严重、轨道的几何形位难以保持、维修周期短、维护费用高、高速度下的运营安全问题等问题也日益突出。面对以上问题，无砟轨道这种新型轨道结构走入了人们的视线并且经过长期的研究开始投入生产运营。无砟轨道具有高平顺性、高稳定性、几何形位能持久保持、线路养护维修工作量显著减少、服务期长、刚度均匀性好、自重小、道床整洁美观、不存在飞砟问题等优点，其运用可以减低粉尘，美化环境。但无砟轨道初建设投资相对较大而且对下部基础变形限制要求严，轨道整体刚度大会产生很大的噪音，同时其维修也存在很大的问题。第二节 无砟轨道介绍无砟轨道又作无碴轨道。常规铁路都在道砟的基础上，再铺设枕木或混;疑土轨枕，最后铺设钢轨，但这种轨道结构不适于列车高速行驶。高速铁路的发展史证明，其基础工程如果使用常规的轨道系统，会造成道砟粉化严重、线路维修频繁等后果，其安全性、舒适性、经济性也相对较差。无砟轨道均克服了上述缺点，以其高平顺、高稳定性成为高速铁路工程技术的发展方向。一、无砟轨道结构特点无砟轨道取消了道砟层改用了混凝土或者沥青材料作为道床，其典型的结构特点如下：1无砟轨道具有均匀、连续支承的层状结构体系有砟轨道依赖道砟地基的层状体系很好的适应了带状线路工程的需要，而且使垂向荷载逐层传递和扩散，一定程度上使得结构经济合理。无砟轨道虽然取消了道砟层，但其以轨道板，支撑层以及调整层的支承体系延续了有砟轨道的特性，而且具有更好的结构连续性和刚度均匀性。2无砟轨道以扣件作为轨道弹性和几何形位调整的主要解决方案无砟轨道以刚性或半刚性的道床来代替道砟。因而原来由道砟和扣件提供的弹性、方便调整轨道几何形位的功能就只能通过扣件来实现。因此要求扣件必须具有低刚度、大调整量等特性以提供轨道弹性和方便几何形位的调整。3无砟轨道具有更明确的承力传力路径以及传力部件与有砟轨道相比无砟轨道对垂向力、水平力的传递制定的更为明确的路径，必要时还须设计专门的传力部件以进行水平限位，如：凸形挡台、侧向挡块、销钉、锚梁等。4无砟轨道及其部件须作为结构物看待无砟轨道是长大的混凝土结构物，必须考虑到混凝土所固有的一些问题，诸如温度、耐久性、裂缝、特殊环境下的腐蚀、水损和冻融等问题。无砟轨道结构各部件和附属结构物的使用寿命的合理匹配是设计中追求的一个重要目标。5无砟轨道需要稳定的下部基础无论是预制部件组装还是现浇的无砟轨道，为保证其具有整体性、耐久性的功能均需要稳定的下部基础。对基础薄弱的地段须特殊处理以满足强度和稳定性的需求。6无砟轨道需要更高的施工要求无砟轨道大多为钢筋混凝土结构因而其维修改造困难，且代价昂贵，对行车影响很大，要求施工一步到位，保证质量。二、无砟轨道分类无砟轨道以不同的结构形式和功能实现上的区别可分为以下几类:1有枕式与无枕式有枕式无砟轨道继承和发展了有砟轨道成熟的“轨排”理念，根据不同的轨排调整与固定方式发展成不同的无砟轨道结构形式。同时预制与现浇的结合方式和“轨排”的灵活调整能力，保证了无砟轨道在曲线和特殊地段的适用性。无枕式无砟轨道旨在消除轨枕与道床之间的薄弱联结。采用预制的轨道板可以实现快速机械化施工，而由于预制轨道板同时定位了钢轨的空间位置，给曲线地段和特殊地段的施工带来一定的困难。2单元式与连续式单元式无砟轨道结构以相对独立的单元构成，基本消除了长大混凝土收缩和温度的影响，局部损坏对整体的影响小，可以实现轨道单元的维修和重建。但其水平传力的部件数量大，具有较多的自由边界故而形成了众多的薄弱环节。单元式结构比较适合于轨道结构发生病害、基础易变形以及地震高发地段。连续式结构较单元式减少了自由边界的薄弱环节。结构具有较强的均匀性和整体性，水平传力可依靠其整体性解决，对道床板和下承结构的要求较低。但由于其轨道结构连成整体部分损坏对整体影响较大，出现病害不易整治。3全现浇与部分预制全现浇无砟轨道消除或减少了新旧混凝土的结合面，整体性好，不需要专门的预制工厂生产预制件。但无砟轨道一次成型，对施工的技术要求高，而且建设周期长。预制或部分预制无砟轨道，依靠工厂化的生产能使无砟轨道的质量得到保障，有利于得到高精度的轨道，但新旧结合面须精心设计特别处理。三、无砟轨道功能要求1基本功能要求无砟轨道和有砟轨道在轮载传递上没有根本区别，基本上遵从自上而下、逐层扩散传递的思路，传力的路径明确、可靠。而水平力的传递则不同。无砟轨道层间联结紧密、自由边界少，可依靠层间联结传递力而无需设计专门的传力装置。无砟轨道须设计专门的水平限位及传力装置。2变形与变形协调的要求无砟轨道在满足荷载承力与传力功用时，必须要保持轨道结构的稳定性，在整个生命周期内保持线路的高平顺、高可靠，不致产生过大的变形。由于无砟轨道的几何形位主要依靠良好的扣件系统、层状结构以及轨道整体的稳定性。而无砟轨道因采用混凝土结构调整能力有限，设计上必须使整个系统不能产生过大的塑形变形。无砟轨道由多层不同特性的部件组成，为保证各层间传力的合理性，各部件在承载状态下的变形须相互协调，避免两个或两层刚度较大的部件直接接触。3保持结构功能的能力无砟轨道建成后一经损毁，修复困难，因此要求无砟轨道具有长期保持结构功能的能力，即无砟轨道须具较高的耐久性和可靠性。4特殊功能的要求对于特殊地段和特殊环境下的无砟轨道，需要有针对性的对无砟轨道的材料和结构进行改进和优化设计，如减震、降噪、严寒环境和道岔区、长桥地段等。对具有特殊要求的无砟轨道，可通过在轨下、板下加设弹性垫层、采用吸声材料铺面、隔声墙设施等达到预期要求。对岔区无砟轨道及长大桥的无砟轨道须进行特殊设计。四、板式无砟轨道国内外现况1我国的板式轨道我国在秦沈客专狗河特大桥上第一次铺设了板式无砟轨道。板式轨道结构主要由60kg/m钢轨、WJ-2型扣件、预制轨道板、CA砂浆层、钢筋混凝土底座组成。24m梁跨内每线铺设5块轨道板，板间间隙除梁端外均为70mm。根据使用要求的不同，轨道板分为A，B，C三种类型。其中，A型轨道板用于梁跨中部，B型轨道板用于梁跨两端，C型轨道板用于过渡段无砟轨道设置50kg/m辅助轨处。底座采用C40钢筋混凝土，厚度约250mm，双层双向配筋，通过梁体预埋钢筋与梁连为一体。底座上设圆柱形凸型挡台半径为250mm，高度为250mm。底座沿线路方向上每隔5m左右设一构造伸缩缝，宽度为2cm，用沥青板填充。伸缩缝与凸形挡台错开布置。底座与轨道板之间设厚度约为50mm的CA砂浆调整层。在与桥头路基相邻的一跨梁上，轨道板与底座之间设置12mm微孔橡胶弹性垫层。2日本A型轨道板为适应高速行车的需要以及解决无砟轨道维修中的困难，日本国铁于1971年成立了“板式轨道研究会”，通过研究，提出了板式轨道必须满足的4个基本条件：建筑费在普通有砟轨道的2倍以内；具有与普通有砟轨道同样的弹性和足够的强度；施工方法比较简便，铺板施工日进度能达到200m以上；一旦轨道出现病害，可以进行修整。针对上述基本要求，经过反复研究和试验，认为在钢筋混凝土轨道板和混凝土基础之间设置一层乳化沥青水泥砂浆填充层的办法可符合上述要求。A型轨道板轨道的特点是在混凝土基础和轨道板之间铺有一层50mm厚的乳化沥青水泥砂浆（CA砂浆）垫层，是轨道具有足够的强度和一定的弹性，方便施工中的误差调整。运营过程中，如基础发生不均匀沉降，可采用补充灌注砂浆的办法进行整治。列车的纵横向力依靠设置在混凝土基础上的圆柱体承受。3其他结构形式的板式轨道RA型板式轨道。RA型轨道板是为在土质路基上使用而设计的轨道板，考虑到土质路基沉降变形较大，板的结构形式和基础处理是重点。轨道板的结构和A型轨道板类似，沥青混凝土底座和轨道板之间仍采用约50mm厚的CA砂浆垫层，CA砂浆调节层的厚度视施工质量而定，最小为40mm，最大为100mm。为方便在基础沉降过大时进行CA砂浆填充等维修工作，轨道板做成小板，每块板上设4-6组扣件。基础处理时，在路基面上铺设300mm厚的砾石层，之上用200mm厚的沥青混凝土层代替普通钢筋混凝土，作为轨道板的基础。防振板式轨道。日本铁路部门在研究防止噪声和减轻振动的轨道形式方面做了大量研究，试制了C，D和E型3种防振轨道板轨道，已在东北铁路试验段上铺设。C型防振板式轨道采用普通钢筋混凝土轨道板，表面呈凹形，轨道板最厚处320mm，最薄处170mm，板重是日本A型板的1.4倍，约为7.7吨。板下铺有一层厚度为25mm的橡胶垫层，其下设有一厚度为40mm厚的CA砂浆层。具有明显地减轻振动的效果。D型防振轨道板，在预应力混凝土轨道板底面涂一层环氧树脂，而后撒上尿烷树脂和热熔性胶质粉末的混合物，经碾压厚，形成厚度为25mm厚并与轨道板粘合为一体的弹性垫层。E型防振板式轨道由板和隔振部件组成，出厂后运至现场组成框架式结构。该轨道形式施工和更换方便，中间空隙还可放入石砟起消声作用。浮置板轨道。浮置板轨道又称质量弹簧系统，其原理是在上部结构和基础间插入一个由大质量板和低刚度支座组成的固有频率很低的谐振器，防止由钢轨传来的振动进入基础，与有砟轨道比较，减振效果科大1520dB，适用于减振要求很高的地段。这种轨道已在德国、美国、新加坡和我国广州、香港等城市地铁中广泛采用。第三节 CRTS型板式无砟轨道结构组成及特点一、CRTS型板式无砟轨道结构CRTSI型板式无砟轨道结构由钢轨、弹性扣件、轨道板、水泥乳化沥青砂浆充填层、混凝土底座、凸型挡台及其周围填充树脂组成。图1.1为平板式无砟轨道。图1.1 CRTSI型板式无砟轨道二、CRTS型板式轨道结构特点1板式无砟轨道采用了比较坚实的混凝土支承层，所以减小了轨道板的设计强度。轨道板发挥着多种作用，如承载、传递纵横向力、对钢轨进行定位等。2.CA砂浆为调整层。轨道板的定位，可以通过调整CA砂浆厚度来调整，由此来确保轨道板正确合理的几何形位，但是要求CA砂浆有着较好的流动性、传力能力要强，总体来看CA砂浆必须是高规格的。3.CRTSI型板式无砟轨道结构采用层次分明的层状结构体系设计原理，维修或撤换比较方便。4.为了能更有效的传递纵横向力，板式轨道在混凝土底座上设置圆形凸形挡台。凸形挡台是主要的传力结构，必须采取保护措施，设计时须在凸形挡台和轨道板之间设置缓冲层，用来减少在传递水平力时对凸台造成的冲击，确保其使用寿命。5.CRTSI型板式无砟轨道结构可修复性好、施工效率高、弹性好、通用性强。三、CRTS型板式无砟轨道的技术特点1.能够很好的保证铺设的精度。板式无砟轨道是在混凝土底座上放置已经预制好的轨道板，然后通过轨道板和底座中间填充CA砂浆来达到调整轨道板的目的。2.其施工性能非常好。由于其结构为层状体系，因而能够使用机械化施工，大大提高了作业水平，加快了施工进度。3.可修复性很好。板式无砟轨道不仅可以通过扣件来调整轨道的几何形位，也能够通过调整CA砂浆还有凸形挡台树脂厚度来适应线下基础的变形：垂向和横向的变形。CRTSI型使用单元板式结构，当轨道板损坏或者是线下基础产生不利变形的时候，可以通过更换轨道板还有重新灌注砂浆的办法来达到快速修复的目标，使其对线路运营的干扰程度降到最低。第二章 有限元法简介以及ANSYS软件第一节 有限元法简介一、有限元法概述有限元法是一种离散化的数值计算方法，对于结构分析而言，它的理论基础是能量原理。能量原理表明，在外力作用下，弹性体的变形、应力和外力之间的关系受能量原理的支配，能量原理与微分方程和定解条件是等价的。有限元法中经常使用的虚位移原理和最小势能原理如下：虚位移原理又称虚功原理，其基本原理如下：如果物体在发生虚位移之前所受的力系是平衡的(物体内部满足平衡微分方程，物体边界上满足力学 边界条件），那么在发生虚位移时，外力在虚位移上所做的虚功等于虚应变能（物体内部应力在虚应变上所做的虚功）。反之，如果物体所受的力系在虚位移（及虚应变）上所做的虚功相等，则它们一定是平衡的。可以看出，虚位移原理等价于平衡微分方程与力学边界条件。所以虚位移原理表述了力系平衡的必要而充分的条件。虚位移原理不仅可以应用于弹性性力学问题，还可以应用于非线性弹性以及弹塑性等非线性问题。最小势能原理可以叙述为：弹性体受到外力作用时，在所有满足位移边界条件和变形协调条件的可以位移中，真实位移使系统的总势能取驻值，且为最小值。根据最小势能原理，要求弹性体在外力作用下的位移，可以满足几何方程和位移边界条件且使物体总势能取最小值的条件去寻求答案。最小势能原理仅适用于弹性力学问题。二、有限元法分析过程弹性力学中的有限元法是一种数值计算方法，对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元法的基本步骤是相同的，只是具体方式推导和运算求解不同，有限元求解问题的基本步骤如下：1问题的分类求解问题的第一步就是对它进行识别分析，它包含的更深层次的物理问题是什么比如是静力学还是动力学，是否包含非线性，是否需要迭代求解，要从分析中得等到什么结果等。对这些问题的回答会加深对问题的认识与理解，直接影响到以后的建模与求解方法的选取等。2建模在进行有限元离散化和数值求解之值，我们为分析问题设计计算模型，这一步包括决定哪种特征是所要讨论的重点问题，以便忽略不必要的细节，并决定采用哪种理论或数学公式描述结果的行为。因此，我们可以忽略几何不规则性，把一些载荷看做是集中载荷，并把某些支撑看做是固定的。材料可以理想化为线弹性和各向同性的。根据问题的维数、载荷以及理论化的边界条件，我们能够决定采用梁理论、板弯曲理论、平面弹性理论或者一些其他分析理论描述结构性能。在求解中运用分析理论简化问题，建立问题的模型。3连续体离散化连续体离散化，习惯上称为有限元网络划分，即将连续体划分为有限个具有规则形状的单元的集合，两相邻单元之间只通过若干点相互连接，每个连接点称为节点。单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质、描述变形的需要和计算精度而定，如二维连续体的单元可为三角形、四边形，三维连续体的单元可以是四面体、长方体和六面体等。为合理有效地表示连续体，需要适当选择单元的类型、数目、大小和排列方式。离散化的模型与原来模型区别在于，单元之间只通过节点相互连接、相互作用，而无其他连接。因此这种连接要满足变形协调条件。离散化是将一个无限多自由度的连续体转化为一个有限多自由度的离散体过程，因此必然引起误差。主要有两类：建模误差和离散化误差。建模误差可以通过改善模型来减少，离散化误差可通过增加单元数目来减少。因此当单元数目较多，模型与实际比较接近时，所得的分析结果就与实际情况比较接近。4单元分析选择位移模式在有限元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法；选择节点力作为基本未知量时称为力法；取一部分力一部分节点位移作为基本未知量时称为混合法。与力法相比，位移法具有易于实现计算机自动化的优点，因此，在有限元法中，位移法应用最广。如采用位移法计算，单元内的物理量如位移、应力、应变就可以通过节点位移来描述。在有限元法中，首先将单元内的位移表示成单元节点位移函数，称为位移函数或者位移模式，位移函数通常为多项式，最简单的情况是线性多项式。分析单元的力学性质 根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位移和含义等，应用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立节点载荷和节点位移的方程式，导出单元的刚度矩阵。设节点载荷向量用Fe表示，节点位移向量用e表示，则单元的载荷和位移的关系式为式中，为单元刚度矩阵。计算等效节点载荷连续体离散化后，力是通过节点从一个单元传递到另一个单元的。但在实际的连续体中，力是由一个单元传递到另一个单元的，故要把作用在单元边界上的表面力、体积力或集中力等效地移到节点上，即用等效的节点力来代替所有在单元上的力。5组成物体的整体方程组由已知的单元刚度矩阵和单元等效节点载荷列阵集成得到整个结构的总刚度矩阵和结构载荷列阵，从而建立起整个节点载荷与节点位移的关系式。得到整个结构的平衡方程后，还需要考虑其边界条件或初始条件，才能求解上述方程组。6求解有限元方程和结果解释求解上述的结构平衡方程。求解结果是单元节点处状态变量的近似值，对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。简言之，有限元分析可分成三个阶段，前处理、求解和后处理。前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集求解分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。由于在实际工程问题中，结构件的几何形状、边界条件、约束条件和外载荷一般比较复杂，需要进行相应的简化。这种简化必须尽可能反映实际情况，且不会使计算过于复杂。在进行力学模型的简化时要注意以下几点：判别实际结构是属于哪一种类型，是属于一维问题、二维问题还是三维问题。如果是二维问题，要分清是平面应力问题还是平面变力问题，若能简化成平面问题的就不要用三维实体单元去分析。注意实际结构的对称性，如果对称，可以利用结构的对称性进行计算简化；对实际机构建模时可以去掉一些不必要的细节，比如倒角等。简化后的力学模型须是静定结构或是超静定结构。第二节 ANSYS一、ANSYS发展历程ANSYS公司成立于1970年，总部设在美国的宾夕法尼亚洲，目前是世界CAE行业中最大的公司。最初的ANSYS只是一个提供热分析和线性分析的批处理程序，而且只能在大型计算机上使用。为了满足需要，在20世纪70年代ANSYS融入了非线性、子结构及更多的单元类型，大大增强了ANSYS的功能。随着小型计算机和PC的出现，ANSYS建立了交互式操作环境，使其程序法得到很大的改善，前后处理技术也进入了一个崭新的阶段。随着计算机辅助工程（CAE）技术在工业应用领域中的广度和深度的不断发展。如今的ANSYS软件功能更加强大，使用更加方便。ANSYS可以与许多先进的CAD软件共享数据，利用其数据接口，可以将CAD系统下生成的几何数据导入ANSYS，并通过必要的修补对其进行精确的网格划分并求解，这样可以节省用户在建模过程中花费的时间，极大的提高了工作效率。ANSYS逐渐融结构、传热学、流体、电磁及多种物理场之间的耦合分析为一体。其已经广泛应用于土木工程、机械制造、材料加工、航空航天、铁路运输、轻工、电子、能源、生物医学，家用电器等方面。二、ANSYS有限元法常用术语单元：对于任何离散的连续体，可以通过网格划分技术将其离散成若干小区域，其中的每一个小区域称作一个单元。常见的单元类型有线性单元、三角形单元、四边形单元、四面体和六面体单元。单元是组成有限元模型的基础，因此单元类型对于有限元模型分析至关重要。工程中常用的单元有杆（Link）单元、梁(Beam)单元、壳（Shell）单元和实体（Solid）单元和集中质量(Mass)单元等。节点：单元与单元之间的联结的点为节点。它在将实际连续体离散成单元群的过程中起到桥梁作用，ANSYS程序也正是通过节点来组成刚度矩阵进行计算的。同一种单元结构根据节点个数不同分成不同的种类。同时节点也是结构传力的部件。节点力和节点荷载：节点力是指相邻单元之间的节点间的相互作用力。而作用在节点的外荷载称为节点荷载。外荷载分为集中力和分布力。当然在不同场的分析中荷载的意义也不同。边界条件：边界条件指结构体在边界上所受到的外加约束。在有限元分析中边界条件的确定十分重要，它往往和有限元中的刚度矩阵有关。所以边界条件的正确与否关系到分析结果的正确性与求解的精度。位移函数：位移函数是用来表征单元内力的位移或位移场的近似函数。正确选择位移函数关系到单元的计算精度及计算能力。位移函数须满足如下几个条件：在单元内部必须是连续的。位移函数必须含单元的刚度矩阵。相邻单元在交界处的位移是连续的。三、ANSYS软件的功能1ANSYS软件模块介绍ANSYS软件主要包括三个模块：前处理模块、求解模块、后处理模块。（1）前处理模块：它为用户提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型，软件提供了100余种单元类型，用来模拟工程中的各种材料。前处理模块主要实现三种功能即参数定义、实体建模、网格划分。1）参数定义：ANSYS程序在进行结构建模的过程中首先要对所有被建模的材料进行参数定义，包括定义单位制、定义所使用单元的类型、定义单元的实常数、定义材料的持性等。2）实体建模：ANSYS提供了两种方法进行建模：从上到下和从下到上的建模。对于一个有限元模型，图元等级从下到上依次是：点、线、面和体。用户可以先定义点、线、面，然后由所定义的图元生成体(由下到上建模)；也可以先建立起实体，程序则自动定义相关的下级图元(由上到下建模)。无论采用何种方法建模都需要进行布尔操作来组合结构数据。同时还可以来用拖拉、旋转、拷贝、蒙皮、倒角等操作，构建符合用户需要的模型。3）网格划分：ANSYS系统的网格划分系统十分强大，从使用选择的角度来说，可分为系统智能划分和人工选择划分两种。从网格划分的功能来讲，则包括延伸划分、映射划分、自由划分和自适应划分4种方式。（2）求解模块：求解模块是程序用来完成对已经生成的有限元模型进行力学分析和有限元求解。在此阶段，用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项。定义分析类型和分析选项：用户可以根据所施加的载荷条件和所要计算的响应来选择分析类型。载荷：所谓的载荷应该包括边界条件(约束、支承、边界场的参数)和其他外部或内部作用载荷。在ANSYS中，载荷分为六类，即：DOF约束；力；表面分布载荷；体积载荷；惯性载荷；耦合场载荷。同时必须清楚与载荷相关的两个术语：载荷步和子步。载荷步仅仅指可求得解的载荷配置。载荷步对于将一个瞬态载荷历程曲线划分成几段是有用的。子步是指一个载荷步中增加的步长。主要是为了瞬态分析或非线性分析中提高分析精度和收敛。子步也称时间步，代表一段时间。（3）后处理模块：完成计算后，可通过后处理模块将计算结果以彩色等值线显示、云图显示、梯度显示、矢量显示、粒子流显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图形方式显示出来，也可以将结果以图表、曲线形式显示或输出。ANSYS的后处理模块分为两部分：通用后处理模块(POST1)和时间历程后处理模块(POST26)。通用后处理模块(POST1)：通用后处理器可以用于查看整个模块或选定的部分模块在某一子步(时间步)的结果可以通过上述方式显示。POSTI还提供误差估计、载荷工况组合、结果数据的计算和路径操作等功能。时间历程后处理模块(POST26)：POST26可用于查看模型特定点在所有时间步内的结果。此外，POST26还可以：进行曲线的代数运算，变量之间的加减乘除运算以产生新的曲线；进行绝对值、平方根、对数、指数、最大值及最小值运算；求曲线的微积分运算；从时间历程中生成谱响应等。2ANSYS软件提供的分析类型（1）结构静力分析用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。（2）结构动力学分析结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括:瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。（3）结构非线性分析结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。ANSYS程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。（4）动力学分析ANSYS程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。（5）热分析程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热-结构耦合分析能力。（6）电磁场分析主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。（7）流体动力学分析ANSYS流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。并且可以利用后处理功能产生压力、流率和温度分布的图形显示。另外，还可以使用三维表面效应单元和热一流管单元模拟结构的流体续流并包括对流换热效应。（8）声场分析程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中的固体结构的动态特性。这些功能可用来确定音响话筒的频率响应，研究音乐大厅的声场强度分布，或预测水对振动船体的阻尼效应。（9）压电分析用于分析二维或三维结构对AC(交流)、DC(直流)或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部件及其它电子设备的结构动态性能分析。第三章 CRTS型板式无砟轨道设计第一节 无砟轨道设计方法概述一、引言由于各国无砟轨道的结构形式与下部基础不同，影响结构设计的主要因素也不尽相同，特别是在引入了德国连续式无砟轨道后，对我过传统的无砟轨道设计理念形成了较大的冲击。目前我国尚无统一的无砟轨道设计理论，对不同的无砟轨道采用不同的设计理论。通过研究具有国际先进水平的设计理念我国也逐步形成了具有自主知识产权的无砟轨道设计理论和方法。我国传统的设计理论和国外设计理论是发展我国无砟轨道设计理论的基础。二、国内外无砟轨道设计方法1日本无砟轨道设计方法日本主要采用板式结构，其采用单元式结构，受温度伸缩的影响较小，轨道板可视为主要随承受列车荷载的抗弯结构。设计主要考虑的列车荷载包括列车设计轮载、疲劳检算轮载、异常检算轮载、设计横压力及疲劳横压力等，并充分考虑了制作、吊装以及施工过程中的安全性，按弹性结构设计方法进行设计。轨道板按容许应力法进行设计，由于在运营过程中发现板角处CA砂浆破损严重，并实测到轨道板在温度梯度作用下的翘曲现象，在设计计算中逐渐考虑了翘曲引起的轨道板支承层不均匀影响。底座板按极限状态法进行设计，主要考虑列车荷载和不均匀沉降，并充分考虑了气候条件、混凝土收缩以及施工的影响。底座板分段设置传力杆，设计时主要考虑列车荷载和折角的影响。凸形挡台的设计主要考虑温度荷载、制动力以及列车横向力的影响。2德国无砟轨道设计方法德国双块式无砟轨道借鉴了公路路面工程的设计理念和方法。由于其无砟轨道大多为纵向连续结构，温度荷载和混凝土收缩是其主要考虑因素。连续混凝土轨道板纵向配筋是考虑了温度变化和混凝土收缩而设置的，配筋置于中性面附近，设计中主要视为受拉结构，列车荷载与温度梯度的影响依靠混凝土的抗折强度抵抗。3我国无砟轨道设计方法我国早期无砟轨道主要位于隧道内，基础条件较好、温度变化小，因此视为抗弯结构，主要考虑列车荷载弯矩，按容许应力法进行设计。秦沈客专板式轨道和长枕埋入式无砟轨道以及遂渝线无砟轨道设计主要采用列车设计荷载弯矩对无砟轨道进行结构设计。有些客专线还考虑了路基沉降、温度荷载作用但仍视为抗弯结构。第二节 CRTS型板式无砟轨道设计在CRTSI板式无砟轨道设计中把钢轨、轨道板、扣件、CA砂浆层和作用在钢轨上的荷载视为一个系统。采用有限元的方法对轨道结构在外荷载作用下的竖向变形、内力和弯矩进行计算，视为抗弯结构用容许应力法进行结构设计。一、基本假设1扣件、CA砂浆层和地基的变形符合文克尔(Winkler)假定；2不考虑钢轨、轨道板、底座的自重；3不考虑凸型挡台对轨道板的横向作用，不考虑混凝土基础等下部结构沉降的影响。二、CRTS型板式无砟轨道设计参数合理取值的分析1扣件刚度学者在车路耦合作用下高速铁路路基结构动力分析中指出当钢轨扣件刚度值增大时钢轨动位移随之减小，当扣件刚度为20kN/mm时，钢轨位移超限。同时表明扣件刚度对轨道板和基床表层位移几乎没影响，其对下部结构的竖向应力影响也非常有限。由此可见扣件刚度不宜过大，但也不能小于30kN/mm，最合适取40-50kN/mm。2轨道板在单轮双轴300kN列车荷载作用下轨道板纵向弯矩对轨道板厚度敏感。当轨道板厚度为0.19-0.16m时，轨道板最大位移发生在轨下部位，而厚度再增大，轨道板最大位移逐渐发生在边角处使CA砂浆容易破坏。本文取值为0.19 m。轨道板宽度对轨道板横向弯矩影响较大，随着轨道板宽度的增加，轨下截面的横向正弯矩随之增大。当轨道板宽度超过2.6m时对改善轨道板的受力没有明显的好处，所以本文取值2.4m。3CA砂浆动力学相关研究表明CA砂浆的弹性模量对板式轨道各项动力学指标影响很小。而随着弹性模量的提高，砂浆对变形的缓冲调节能力下降，砂浆的弹性模量不宜超过1000MPa。对于不承受和传递水平力的砂浆弹性模量尽可能低。本文砂浆为低弹性模量砂浆，相关文献给出参考值100-300MPa，本文取值100MPa。4底座板增加底座板厚度可以降低轨道板纵向钢筋和底座纵横向用筋量，在板式无砟轨道的经济优化过程中可以适当增加底座板厚度。相关文献给出参考值0.2-0.4m，本文取值0.3m。有研究表明底座板宽度为2.8和3.0m时，整个断面内的弯矩分布比较均匀。当宽度大于3.4m时，底座板宽出轨道板的部分对纵向弯矩贡献率低，以荷载扩散角45度确定的底座板宽度（3.0m）为宜。本文取值3.0m。5地基系数将地基视为具有不同厚度的层状弹性半无限体。无砟轨道下的假想地基系数可以表示为k=E/h(其中E为地基刚度，h为基床层厚）。相关研究表明路基刚度达到70MPa后路基刚度再增大对轨道动位移影响很小，即路基刚度为70MPa时能满足高速行车需要。本设计取基床表层厚底0.4m，以表层地基系数作为设计地基系数则k=175MPa/m，参考石太客专地基系数取值本设计地基系数取值k=190MPa/m。三、CRTS I型无砟轨道设计参数表3.1 设计参数部件项目单位数值备注钢轨弹性模量Pa2.11011泊松比0.3高度m0.176轨道板弹性模量Pa3.651010泊松比0.2厚度m0.19CA砂浆弹性模量Pa1108板下满布泊松比0.2厚度m0.05底座板弹性模量Pa3.41010泊松比0.2厚度m0.3路基地基系数Pa/m1.9108泊松比0.2扣件弹性模量Pa2.11011泊松比0.3第三节 建模一、路基上板式轨道有限元力学模型无砟轨道各承载层在厚度方向的尺寸远小于在长度方向的尺寸，且荷载作用下的挠度远小于其厚度，符合弹性薄板的结构特点，适合利用板壳理论模拟；钢轨属于细长结构，适合采用梁理论模拟；扣件、中间弹性层以及基础弹性采用不同的弹簧模拟，共同构成了无砟轨道弹性地基梁板理论。板式无砟轨道的钢轨、轨道板，底座形成了弹性地基梁板模型。钢轨简化为梁，扣件以线性点支承弹簧模拟。砂浆简化为均布线性弹簧。底座与下部基础也简化为均布线性弹簧，弹簧面刚度依据下部基础的性质计算。实际的计算过程中为简化计算，采用离散的弹簧代替分布弹簧。每个弹簧的竖向刚度为：式中 基础支承面刚度；A弹簧所连的板单元的面积；CA砂浆的弹性也采用相同的方法处理，其中 式中 CA砂浆支承面刚度；CA砂浆弹性模量；CA砂浆厚度。计算中仅考虑列车竖向荷载作用，轨道板与底座板边为自由边界，每块板各有一点约束水平方向位移，在模拟基床的弹簧底部约束3个方向的自由度。计算时取3块单元板或3个单元板长度，中间单元板为计算板。二、ANSYS模型的建立依据弹性地基梁板理论计算模型，取相邻的三块板建立ANSYS模型。考虑到分析结果的合理及网格划分的简便，取轨道板、底座长度4875mm。依据各层的结构特性对其进行单元类型定义，实常数设置，网格划分。在结构层联结建立好之后，加载求解。1各单元类型的定义(1)钢轨为细长构件用BEAM188单元来模拟；(2)扣件及轨下胶垫系统采用弹簧-阻尼单元COMBIN14来模拟；(3)轨道板、底座板采用四节点壳体单元SHELL181来模拟；(4)CA砂浆层以均布的弹簧来模拟，赋予COMBIN14单元属性；(5)地基只考虑表层弹性，以均布于底座下的弹簧模拟，赋予COMBIN14属性。2实常数设置在实常数设置中对COMBIN14单元进行实常数定义，包括扣件系统、砂浆、地基，对于用SHELL181单元模拟的构件只进行厚度的定义而不设置实常数。3材料的属性ANSYS中需要对材料的属性参数设置，主要是针对材料的弹性模量和泊松比进行设置。对每一层的材料都需要设置，对扣件的弹性模量和泊松比也进行定义图3.1材料属性的定义4钢轨截面形状尺寸的定义定义轨道所采用的60轨的截面尺寸，采用最新国家标准的60轨的尺寸。本文采用命令流的形式在ANSYS中绘制钢轨断面图，并对其进行自由网格划分生成60RAIL.SECT文件作为自定义截面。5网格划分为保证必要的计算精度，对轨道板、底座进行网格划分时每个单元的长边与短边之比应小于1.5，而且钢轨下支点范围内沿线路方向划分为4个