基于多面体形状的道砟颗粒精细化建模

论文总字数：22410字

摘 要

近年来，伴随着我国高速铁路的快速发展，高速铁路有砟轨道的安全性问题日益突出。有砟道床本质上属于离散元系统。利用有限元分析方法无法考虑道砟颗粒的外形、级配等细观参数对整体道床力学性能的影响。针对这一问题，国内外学者逐渐考虑道砟颗粒的细观特性，采用离散单元法进行了大量研究。 本文在有砟铁路轨道道床安全性研究课题的大背景下，运用离散元的相关知识理论与自编程序，对高速铁路特级道砟道床的堆积模型进行了数值仿真模拟。

本文的主要工作如下：

1) 有砟铁路由大量不规则的凸多面体道砟颗粒组成。在铁路道砟颗粒的运动过程中，道砟颗粒相互之间会发生碰撞和接触。在一些复杂的情况下一个道砟颗粒会与其周围的多个颗粒同时发生接触。在对道砟颗粒的堆积过程进行数值模拟时，快速准确的识别颗粒的接触状态具有重要的意义。针对上述问题，作者采用了高效的空间接触识别算法—联结线性单元法，大大减少了识别道砟颗粒堆积过程中颗粒接触的时间。同时也介绍了凸多面体粒子接触细检测的快速高效的方法－公共面法。

2) 在PFC软件中修改并调试基础的离散元程序，生成铁路道砟的初始非密实堆积结构。然后利用Visual C 自行编写关于三维块体元的离散单元法程序。数值模拟道砟颗粒的堆积过程。最终生成铁路道砟颗粒的密实堆积结构。

3) 为了更加直观的检验模拟结果的准确性与合理性，本文利用OpenGL图形库，编制了所有数值仿真的后处理程序。

关键词：有砟轨道；离散单元法；接触识别；密实堆积；OpenGL

Abstract

With the rapid development of China's high-speed railway in recent years, how to maintain the safety of ballast track in high-speed railway is becoming more and more prominent. The ballast track is essentially a granular system. It is usually simplified as an elastic-plastic model based on the continuous medium and researched by using finite element method. However, it can not be used to analyze and study the effect on aggregate macro-mechanical properties caused by the morphological characteristics of different grain level ballast in the range of particle size distribution (Gradation). Obviously, the introduction of DEM for the complex morphological characteristics and the characteristics of granular mixtures of railway graded crushed stone is strictly and relatively reasonable.

The main work done in this paper is listed as follows:

1. An efficient spatial contact recognition algorithm--Schinner algorithm is used to reduce the time to distinguish the particle contact during the movement of ballast. Also introduced a quick and efficient method of convex polyhedral particle contact detection - common plane method.
2. do a great deal of modified and debugged with the existing discrete element method, the use of the preparation of the three-dimensional spherical element and block element discrete element method, the railway ballast particles composed of discrete element system of the accumulation process of numerical simulation.
3. In order to test the accuracy and rationality of the simulation results more intuitively, this paper uses the OpenGL graphics library to compile all the postprocessing programs of numerical simulation.

key words：Ballast; DEM; partical contact; Numerical Simulation; compact accumulation; OpenGL

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1 课题的研究背景 1

1.2 散粒体道床国内外研究概况 1

1.3 我国铁路碎石道砟技术标准 2

1.4 本文的主要研究内容 3

第二章 散粒体系统动力学仿真研究 5

2.1 离散单元法简介 5

2.2 三维球体元离散单元法基本原理 6

2.2.1 力－位移关系 6

2.2.2 运动方程 6

2.2.3 求解过程 7

2.2.4 三维球体离散单元法物理参数的确定 7

2.2.5 三维球体离散单元法的初始条件和边界条件 8

2.3 三维块体元离散单元法基本原理 8

2.3.1 接触力 9

2.3.2 运动方程 9

2.4 本章小结 9

第三章 散粒体系统接触识别 11

3.1 引言 11

3.2 邻居目录算法 11

3.2.1 边界盒法 11

3.2.2 分类更新算法 12

3.3 两个凸多面体粒子接触判断的公共面法 12

3.3.1 公共面的概念 12

3.3.2 确定公共面的算法 13

3.4 本章小结 13

第四章 散粒体系统的堆积问题 15

4.1 球体粒子组成的散粒体系统的密实堆积问题 15

4.2 任意凸多面体粒子组成的散粒体系统的密实堆积问题 16

4.3 利用OpenGL 进行数值仿真图像后处理 17

4.3.1 OpenGL的基本原理及内部处理流程 17

4.3.2 OpenGL后处理程序流程 17

4.4 本章小结 18

第五章 高速铁路有砟道床堆积结构建立的数值仿真研究 20

5.1 引言 20

5.2 铁路道床道砟的初始非密实结构 20

5.3 铁路道砟颗粒仿真模型 21

5.4 铁路道砟颗粒的密实堆积结构 21

5.5 本章小结 23

第六章 结论及展望 25

6.1 本文工作总结 25

6.2 下一步工作展望 25

参考文献 27

致 谢 …………………………………………………………………………………………… 29

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