详情

原文传递基于离散元模拟的道砟细观力学特性及颗粒破碎的研究

论文题名：	基于离散元模拟的道砟细观力学特性及颗粒破碎的研究
关键词：	道砟试样;级配演变;力学特性;颗粒破碎;分形理论;离散元模拟
摘要：	在高速列车动荷载作用下，铁路散体道床结构会随之产生高频振动。在振动冲击作用下，道床颗粒出现不同程度的重排、磨损甚至断裂破碎，导致级配劣化进而引起翻浆冒泥、道床板结等病害，从而需要对线路进行不断的养护维修。展开道床劣化研究对有砟轨道设计与养护维修具有重要意义。　　本文通过离散元软件PFC3D建立刚性边界和可破碎级配道砟试样，并通过与有限差分法软件FLAC3D耦合柔性边界模型，对比进行了静、动三轴试验模拟，通过与试验结果的对比，从细观上研究了级配道砟的的力学特性、颗粒破碎规律及劣化机理。主要结论有：　　（1）与柔性边界试样相比，刚性边界条件下颗粒位移量更小，试样剪胀程度与颗粒破碎量更大，且试样内部颗粒与碎片分布更均匀。在柔性边界条件下，试样内25~53mm粒组的颗粒均发生不同程度的破碎，但刚性边界试样的模拟结果会受到可破碎模型种类的影响。然而无论在何种边界条件和道砟模型中，小粒径粒组的破碎数目占比更大，其中d0~d10粒组破碎颗粒数目均约占总数50%。　　（2）通过颗粒黏聚方法模型(BPM)的动静三轴试验模拟结果可以看出，可破碎试样的强度越高，与不可破碎试样的模拟结果越接近。相较于不可破碎试样，可破碎试样偏应力和剪胀程度更小，试样内部平均接触力更小。在不可破碎模型中，接触数目分布图近似为花生状，随着模型可破碎度增长而逐渐演变为更为均匀的橄榄状。在三种可破碎模型中，均匀强度模型(UBBM)更容易发生破碎，而差异强度模型(DBBM)和角部断裂模型(CBBM)可以兼顾模拟效率和颗粒破碎精度，能够更好地模拟道砟劣化。　　（3）通过碎片替代法模型(FRM)的静三轴试验模拟结果可以看出，合理的碎片替换方式对精确模拟有重要意义。使用简单的“一分二”碎片替换方式时，加载过程中试样破碎程度增大，级配逐渐趋向于分形分布，分形维数逐渐增长。但这种破碎方式只能模拟颗粒劈裂，无法模拟边角破碎，得到的破碎指标和分形维数较小，当碎片替换方式中包含足够的小颗粒时，试样破碎指标和分形维数更大。　　（4）对比FRM和BPM两种可破碎模型模拟结果可以看出，BPM模型可以有效模拟道砟颗粒的复杂的力学响应，与试验结果具有较好的一致性和有效性，但计算成本较高，模拟效率较低；而FRM模型采用简化的碎片替换方式和颗粒破碎准则，可以在一定程度上得到与BPM模拟相似的结果，但大幅提高了计算效率，但模拟结果存在一定的差异，有待进一步完善。　　（5）使用不规则形状颗粒模拟级配道砟时，基于等效体积法的离散元软件自动生成的级配会与预设级配出现一定差异。通过对不同形状颗粒进行振动筛分试验模拟，可以计算各筛板真实分层粒径和筛板孔径的偏差，进而确定颗粒形状对级配的影响。在生成级配颗粒前进行修正，可以得到更加精确的模拟结果。
作者：	张鑫
专业：	土木工程
导师：	陈成
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2022