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基于DEM-FEM耦合模型的有砟-无砟过渡段力学行为分析
| 论文题名： | 基于DEM-FEM耦合模型的有砟-无砟过渡段力学行为分析 |
| 关键词： | 铁路工程;有砟-无砟过渡段;力学行为;离散元-有限元耦合法 |
| 摘要： | 铁路工程是国家交通运输业中十分重要的一部分，有砟铁路与无砟铁路承担了铁路领域的所有运输事业，探究其力学行为对铁路结构的发展进步具有重要的意义。由于有砟-无砟过渡段和有砟轨道都具有宏观结构的一致性-散体介质与连续介质并存，单一一种数值方法无法准确描述整体结构的力学行为。本文建立针对两种介质并存的离散元-有限元耦合方法（DEM-FEM）分析有砟-无砟过渡段和有砟轨道的动力特性，并提出道砟离散元模型的简化算法。 针对有砟-无砟过渡段的刚度差异问题，采用聚氨酯材料加固碎石道床，并使用离散元-有限元耦合算法分析铁路过渡段的动力响应，以平行粘结的方式模拟聚氨酯材料的胶固作用。考虑计算效率的限制分段过渡并选取不同区域进行仿真计算，沉降量和力链分布表明聚氨酯材料能够有效提升有砟侧的刚度，增强道床的整体稳定性，减少沉降。 有砟道床同时包含两种不同性质的结构：散体结构和连续结构，其特殊结构形式使得单一种类数值分析方法具有局限性。根据有砟道床的实际情况采取嵌入式离散元-有限元耦合算法。采用镶嵌式组合单元构建道砟，以弹塑性有限元分析路基和地基，通过能量守恒实现离散元域和有限元耦合区域的参数传递。数值结果表明，嵌入式耦合算法能够增强模型的稳定性，更加贴合实际。 道砟颗粒在列车的长期荷载作用下会出现磨损粉化现象，造成道床沉降以及不均匀变形等情况。采用土工格栅加固道砟能够提高道砟稳定性，减少破碎。采用离散元和有限元方法分别模拟道砟碎石和土工格栅，对加固后的道砟进行的离散元-有限元耦合分析，建立未加筋道砟直剪试验的离散元模型、加筋道砟直剪试验的离散元-有限元耦合模型和拉拔试验的离散元-有限元耦合模型。剪应力-位移曲线、道砟颗粒的位移矢量以及名义体积应变都表明土工格栅对道砟有明显的加固效果。 离散元法的计算效率以及成本一直影响着科研的脚步。为了改善此问题，本文以道砟石子为例，建立离散元模型，保留模型表面球形颗粒，去除内部的基本单元，通过数值试验验证了简化模型与原始模型的一致性，为模拟大规模离散元仿真工程提供了可能。 |
| 作者： | 纪丹阳 |
| 专业： | 公路环境工程 |
| 导师： | 邵帅 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 内蒙古大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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