【導(dǎo)讀】隧道鋪設(shè)過(guò)長(zhǎng)木枕和短木枕式混凝土道床軌道。50年代又在沈吉線水簾洞隧道鋪設(shè)了預(yù)。60年代以后，隨著山區(qū)鐵路的修建，先后在成昆線、京原線、并于1984年編制了適用于各類圍巖鋪設(shè)的通用設(shè)計(jì)圖。與此同時(shí)，還在鐵路站場(chǎng)、港?？诖a頭等地段土路基上鋪設(shè)了經(jīng)改進(jìn)的整體道床軌道。道內(nèi)首次鋪設(shè)了類似日本的乳化瀝青水泥砂漿墊層式板式軌道。90年代以來(lái)，在京九線。九江長(zhǎng)江大橋引橋上鋪設(shè)了無(wú)砟無(wú)枕軌道。在寶天線白清隧道和西安線秦嶺。迄今為止，運(yùn)用效果。等修建彈性支承塊式無(wú)砟軌道。2020年初，國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)了《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，確定了鐵路網(wǎng)建設(shè)的藍(lán)圖。以此為契機(jī)，目前全路科研、設(shè)計(jì)、施工、高速客運(yùn)專線成區(qū)段鋪設(shè)無(wú)砟軌道必將成為我國(guó)鐵路軌道結(jié)構(gòu)的發(fā)展方。承塊式整體道床，至今，統(tǒng)計(jì)累計(jì)鋪設(shè)了約300余公里。持與有砟軌道等同水平等要求，因此，把這種結(jié)構(gòu)形式取名為“板式軌道”。的是減少軌道維修，以節(jié)省人力、物力、財(cái)力，達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)和耐用的目標(biāo)。

　　

【正文】 不成比例變化。 ANSYS 程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問(wèn)題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。 (4)動(dòng)力學(xué)分析。 ANSYS 程序可以分析大型三維柔體運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)的積累影響起主要作用時(shí)，可使用這些功能分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在空間中的運(yùn)動(dòng)特性，并確定結(jié)構(gòu)中由此產(chǎn)生蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 的應(yīng)力、應(yīng)變和變形。 (5)熱分析。 ANSYS 軟件可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。熱傳遞的三種類型均可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過(guò)程的相變分析能力以及模擬熱與結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的熱 — 結(jié)構(gòu)耦合分析能力。 (6)電磁場(chǎng)分析。主要用于電磁場(chǎng)問(wèn)題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場(chǎng)分布、磁力線分布、力、運(yùn)動(dòng)效應(yīng)、電路和能量損失等。還可用于螺線管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機(jī)、變換器、磁體、加速器、電解槽及無(wú)損檢測(cè)裝置等的設(shè)計(jì)和分析領(lǐng)域。 (7)流體動(dòng)力學(xué)分析。 ANSYS 流 體單元能進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)分折，分析類型可以分為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析結(jié)果可以是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力和通過(guò)每個(gè)單元的流率。并且可以利用后處理功能產(chǎn)生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示。另外，還可以使用三維表面效應(yīng)單元和熱 — 流管單元模擬結(jié)構(gòu)的流體繞流并包括對(duì)流換熱效應(yīng)。 (8)聲場(chǎng)分析。軟件的聲學(xué)功能用來(lái)研究合流體的介質(zhì)中聲波的傳播，或分析浸在流體中的固體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。這些功能可用來(lái)確定音響話筒的頻率響應(yīng)，研究音樂(lè)大廳的聲場(chǎng)強(qiáng)度分布，或預(yù)測(cè)水對(duì)振動(dòng)船體的阻尼效應(yīng)。 (9)壓電分析。用于分析二維或三維結(jié)構(gòu)對(duì) AC(交流 )、 DC(直 流 )或任意隨時(shí)間變化的電流或機(jī)械載荷的響應(yīng)。這種分析類型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、麥克風(fēng)等部件及他電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能分析?？蛇M(jìn)行四種類型的分楊：靜態(tài)分析、模態(tài)分橋、諧波響分析和瞬態(tài)響應(yīng)分析。 ANSYS 軟件的高級(jí)功能 1)多物理場(chǎng)耦合分析 (絕大多數(shù)的工程分析都要用到耦合場(chǎng)的功能 )?？紤]兩個(gè)或多 個(gè)物理場(chǎng)之間的相互作用。如果兩個(gè)物理場(chǎng)之間相互影響，單獨(dú)求解一個(gè)物理場(chǎng)是不可得到正確結(jié)果的。例如：在壓電力分析中，需要同時(shí)求解電壓分布 (電場(chǎng)分析 )和應(yīng)變 (結(jié)構(gòu)分析 )。耦合場(chǎng)分析適用于下列類型的相互 作用： 熱 — 應(yīng)力分析 (壓力容器 ) 熱 — 結(jié)構(gòu)分析 熱 — 電分析 熱 — 流體分析 磁 — 熱分析 (感應(yīng)加熱 ) 磁 — 結(jié)構(gòu)分析 (磁體成形 ) 感應(yīng)加熱分析 感應(yīng)震蕩分析 電磁 — 電路分析 電 — 結(jié)構(gòu)分析 電 — 磁分析 電 — 磁 — 熱分析 電 — 磁 — 熱 — 結(jié)構(gòu)分析 壓力 — 結(jié)構(gòu)分析 速度 — 溫度 — 壓力分析 穩(wěn)態(tài) — 流 — 固分析 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 2)優(yōu)化設(shè)計(jì)。它是一種尋找確定最優(yōu)方案的技術(shù)。設(shè)計(jì)方案的任何方面都是可以優(yōu)化的。如：尺寸 (如厚度 )、形狀 (如過(guò)渡圓角的大小 )、支撐位置、制造費(fèi)用、自然頻率、材料特性等。實(shí)際上，所有可以參數(shù)化的 ANSYS 選項(xiàng)都可以作優(yōu)化設(shè)計(jì) 。 3)拓?fù)鋬?yōu)化。是指形狀優(yōu)化，有時(shí)也稱為外形優(yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)是尋找承受單 荷或多載荷的物體的最佳材料分配方案。這種方案在拓?fù)鋬?yōu)化中表現(xiàn)為“最大剛度”設(shè)計(jì)。用戶只需要給出結(jié)構(gòu)的參數(shù) (材料特性、模型、載荷等 )和要省去的材料百分比，程序就能自動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化。 4)單元的生死。如果模型中加入 (或刪除 )材料，模型中相應(yīng)的單元就“存在“ (或“消 亡” )。單元 生死選項(xiàng)就用于在這種情況下殺死或重新激活單元。本功能主要用于鉆 （如 開(kāi)礦和挖隧道等 )，建筑物施工過(guò)程 (如橋梁的建筑過(guò)程 )，順序組裝 (如分層的計(jì)算機(jī)芯片組裝 )和另外一些用戶可以根據(jù)單元位置來(lái)方便池激活或不激活它們的一些應(yīng)用中。 5)用戶可擴(kuò)展功能 (UPF)。 ANSYS 軟件的開(kāi)放結(jié)構(gòu)允許連接自己的 FORTRAN 程序和子過(guò)程。當(dāng)前 UPF 支持如下特性： (1)用戶單元坐標(biāo)系定位：適用于下列單元類型：“ SHELL43”， “ SHELL63”， “ SHELL91”， “ SHELL93”， “ SHELL99”， “ SHELL181”，“ SOLID46”，“ SOLID64”。 對(duì)于分層的單元，可以定義層的坐標(biāo)系方位。 (2)用戶實(shí)參：?jiǎn)卧?COMBIN7”和“ COMBIN37”允許實(shí)參在用戶自己的非線性功中被修改。 (3)用戶摩擦系數(shù)：適用于接觸單元“ CONTAC48”和“ CONTAC49”。 (4)用戶塑性屈服準(zhǔn)則：允許用戶定義自己的塑性屈服準(zhǔn)則計(jì)算塑性應(yīng)變并在積分處生成切向應(yīng)力應(yīng)變矩陣。 (5)用戶蠕變方程 ：允許用戶定義自己的蠕變方程。 (6)用戶熔脹準(zhǔn)則：如果在分析中計(jì)入熔脹 (如中子爆炸 )，可自定義合適的熔脹準(zhǔn)則。程序內(nèi)部沒(méi)有熔脹準(zhǔn)則。 (7)用戶濕熱生成：允許計(jì)入由潮濕成分引起的熱膨脹，限于單元“ SHELL91”。 (8)用戶超彈性：適用于超彈性單元。 (9)用戶失效準(zhǔn)則：適用于層單元“ SOLID46”和“ SHELL99”?？梢远x不超過(guò) 6 個(gè)失效準(zhǔn)則。 (10)用戶黏彈性：對(duì)于單元“ FLUID141”和“ FLUIDl42”，可以將黏彈性作為壓力、溫度、位置、時(shí)間、速度和速度梯度的函數(shù)定義。 (11)用戶載 荷：體載荷如溫度、熱生成和頻率 (中子流 )；面載荷如壓力、對(duì)流、熱流和電蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 勢(shì)密度等可用子程序定義。 (12)用戶載荷向量：對(duì)于單元“ PIPE59”允許用戶生成復(fù)數(shù)的載荷向量用于頻率范圍邏輯?？梢杂盟硭畡?dòng)力載荷。 (13)ANSYS 作為子程序：可以在自己的程序中將 ANSYS 程序作為于程序調(diào)用。 (14)用戶優(yōu)化：可以用自己的算法和中斷準(zhǔn)則替換 ANSYS 優(yōu)化過(guò)程。 ANSYS 主要系列產(chǎn)品介紹 ANSYS 產(chǎn)品系列是由一套可自由選配集成的功能模塊組成的，用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際需要選擇集成某些模塊以便滿足行業(yè)工程需求。下面分別對(duì)這些產(chǎn)品或模塊作以介紹。 (1)ANSYS／ Multiphysics：是最完整、最強(qiáng)大的產(chǎn)品，是一個(gè)多物理場(chǎng)耦合的分析程序包。它能夠進(jìn)行結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)、電磁學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)分析，還可以對(duì)這四種物理場(chǎng)進(jìn)行耦合分析，但是不能進(jìn)行顯式動(dòng)力學(xué)分析。 (2)ANSYS／ Mechanical：該產(chǎn)品能夠進(jìn)行所有的結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)分析以及壓電和聲學(xué)分析，但是不能進(jìn)行電磁學(xué)、 CFD FLORTRAN 和顯式動(dòng)力學(xué) 分析。 (3)ANSYS／ Structural：可以進(jìn)行完整的結(jié)構(gòu)分析功能，包括幾何非線性、材料非線性、單元非線性、屈曲分析以及各種動(dòng)力學(xué)分析。 (4)ANSYS／ Linear plus：從 ANSYS／ Structural 中派生出來(lái)的．僅提供線性結(jié)構(gòu)分析，只能用線性的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)及屈曲分析，非線性分析僅包括間隙元和板／梁大變形分析。 (5)ANSY5／ Th：從 ANSYS／ Mechanical 中派生出來(lái)的，僅可進(jìn)行熱分析。 (6)ANSYS／ PrepPost：提供前處理階段的建模功能以及后處理階段的結(jié)果分析處理 。 (7)ANSYS／ ED：具有 ANSYS／ Multiphysics 全部功能，但規(guī)模限制在極小的級(jí)別內(nèi)，用于教學(xué)目的。 (8)ANSYS／ FLORTRAN：進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析 (CFD)，包括層流、可壓縮流和不可壓縮流等。 (9)ANSYS／ Emag：進(jìn)行電磁分析?？赡M電磁場(chǎng)、靜電學(xué)、電路及電流傳導(dǎo)分析。 (10)ANSYS／ LSDYNA：提供顯式計(jì)算功能，可解決高度非線性結(jié)構(gòu)動(dòng)力問(wèn)題，主要進(jìn)行模 擬板料成形、碰撞、爆炸、大變形沖擊、材料非線性、多體接觸等計(jì)算。 (11)AN5YS／ LS— DYNA PrepPost：提供 ANSYS／ LSDYNA 前后處理的功能，涉及實(shí)體建模、網(wǎng)格劃分、加載、邊界條件、等值線顯示、計(jì)算結(jié)果評(píng)價(jià)及動(dòng)畫。 (12)ANSYS Workbench 系列：是 ANSYS 公司推出的繼承多項(xiàng)新技術(shù)的產(chǎn)品系列，具有開(kāi)放性的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)與 CAD 集成及雙向參數(shù)化，定制用戶化的完整 CAE 解決蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 方案。 5. 板式軌道 設(shè)計(jì) 板式軌道設(shè)計(jì)總體概述 引言 無(wú)砟軌道是一種新型的軌道結(jié)構(gòu) ,相對(duì)于有砟軌道而言 ,無(wú)砟軌道是以混凝土或?yàn)r青混合料等取代散粒道砟道床而組成的軌道結(jié)構(gòu)型式。由于無(wú)砟軌道具有軌道平順性高、剛度均勻性好、軌道幾何形位能持久保持、以及維修工作量可顯著減少等特點(diǎn) ,在世界各國(guó)鐵路上得到了程度不同的發(fā)展 ,而在高速鐵路上應(yīng)用無(wú)砟軌道 ,尤以日本、德國(guó)最為廣泛。國(guó)內(nèi)對(duì)無(wú)砟軌道的研究始于 20 世紀(jì) 60 年代 ,與國(guó)外的研究幾乎同時(shí)起步。發(fā)展到現(xiàn)在 ,我國(guó)常用的無(wú)砟軌道有板式軌道、長(zhǎng)軌埋入式和彈性支承塊式無(wú)砟軌道三種基本型式。我國(guó)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的理論設(shè)計(jì)計(jì)算水平發(fā)展還不夠成熟 ,現(xiàn)在基本上采用疊合梁的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算設(shè)計(jì) ,該 方法計(jì)算簡(jiǎn)單 ,但是精確度不夠?，F(xiàn)以普通板式軌道為例 ,把鋼軌、軌道板、扣件、 CA 砂漿層和作用在鋼軌上的荷載視為一個(gè)系統(tǒng)。采用有限元的方法對(duì)板式軌道的鋼軌、軌道板的縱向在外荷載作用下的豎向變形和內(nèi)力進(jìn)行了分析計(jì)算 ,為板式軌道結(jié)構(gòu)的分析提供了一種數(shù)值方法。 基本假設(shè) (1)扣件、 CA 砂漿層的變形符合文克爾 (Winkler)假定 。 (2)未考慮鋼軌、軌道板等結(jié)構(gòu)的自重 。 (3)不考慮凸型擋臺(tái)對(duì)軌道板的橫向作用 ,未考慮混凝土基礎(chǔ)等下部結(jié)構(gòu)沉降的影響 ,同時(shí)忽略相鄰軌道板之間作用的相互影響 。 計(jì)算參數(shù) 鋼軌為 60kg/m。 軌道板長(zhǎng) 、寬 m、厚 m。 鋼軌的彈性模量為 510 MPa,鋼軌的截面慣性矩為 510? 4m 。 鋼軌扣件的支點(diǎn)間距為 m,扣件支點(diǎn)膠墊的彈性系數(shù)為 60 MN/m。 CA 砂漿層的彈性系數(shù)為 900MN/m。 軌道板的彈性模量為 410 Mpa。 荷載選用德國(guó) ICE 軸重 195kN,取動(dòng)載系數(shù)為 ,則計(jì)算中每個(gè)動(dòng)輪重取 (軸重 /2) ≈300 kN。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 表 板式無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)參數(shù) 部件 項(xiàng)目 單位 數(shù)值 備注 鋼軌 彈性模量 MPa 泊松比 — 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 4m 斷面積 2m 軌高 m 扣件 剛度 /kNm 60 扣件間距 m 軌道板 彈性模量 MPa 36000 泊松比 — 長(zhǎng)度寬度厚度 m CA 砂漿 彈性模量 MPa 板下布滿 泊松比 — 100 厚度 m 混凝土地板 彈性模量 MPa 32500 泊松比 — 寬度厚度 m 土路基 彈性模量 MPa 190 泊松比 — 厚度 m 3 采用有限元分析軟件 ANSYS 建模 計(jì)算時(shí)，采用有限元分析軟件 ANSYS 進(jìn)行模型求解。應(yīng)用有限元理論建立無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的梁板模型：鋼軌采用 Beam3 單元模擬，軌道板采用 Shell63 單元模擬 ,用Combination14 單元模擬扣件表示的離散彈簧 ，其他各層采用 Sliod45 實(shí)體單元模擬 。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 34 圖 ANSYS 模型（由于對(duì)稱性，采用 1/2 板寬）圖 ANSYS 網(wǎng)格劃分及耦合 荷載作用于板中 和 荷載作用于板端計(jì)算結(jié)果 圖 板中受力時(shí)縱向及橫向受力圖 圖 板端受力時(shí)縱向及橫向受力圖 根據(jù)以上 ANSYS 結(jié)果，計(jì)算得到表 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 35 表 荷載作用于板中和荷載作用于板端計(jì)算結(jié)果 項(xiàng)目 荷載作用板中 荷載作用板端 軌道板最大撓度 mm mm 軌道板縱向最大正彎矩 (KN M) (KN M) 軌道板縱向最大負(fù)彎矩 (KN M) (KN M) 軌道板橫向最大正彎矩 (KN M) (KN M) 軌道板橫向最大負(fù)彎矩 (KN M) (KN M) 計(jì)算結(jié)果分析 有板式軌道力學(xué)計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)荷載作用于板中時(shí)，軌道板出現(xiàn)最大縱向正彎矩。當(dāng)荷載作用于板端時(shí)，其它力學(xué)響應(yīng)值較大。當(dāng)荷載作用于板端時(shí)，軌道板出現(xiàn)最大橫向正彎矩。在無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)該綜合這兩種荷載作用下的最大值進(jìn)行設(shè)計(jì)。 結(jié)語(yǔ) 把鋼軌、軌道板、鋼軌扣件、 CA 砂漿和作用在鋼軌上的荷載視為一個(gè)系統(tǒng)，用有限元方法分析板式無(wú)砟軌道在荷載作用下鋼軌和軌道板的變形和內(nèi)力，該計(jì)算方法理論清晰、步驟明確、計(jì)算簡(jiǎn)單，并且可以通過(guò)有限元軟件 ANSYS 實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)分析，能滿足設(shè)計(jì)、施工要求，對(duì)不同工況有很好的通用性。 板式軌道配筋