一种考虑频率效应的轨道板高周疲劳损伤模型构建方法

本发明涉及高周疲劳损伤计算，具体而言，涉及一种考虑频率效应的轨道板高周疲劳损伤模型构建方法。

背景技术：

1、无砟轨道结构作为承受列车荷载的核心承载部件，其力学性能直接关乎轨道结构在服役期间的安全稳定性。轨道板承受经由钢轨及扣件传递的列车荷载，当列车以不同速度通过同一位置时，会使轨道板受到不同频率的荷载激励；行车速度越快，对应的荷载频率越高，进而促使混凝土内部损伤以不同的方式进行演化。

2、国内外研究与铁路运营实践表明：在高铁长期服役周期内，无砟轨道将经受上亿次的高频疲劳荷载作用，极易诱发混凝土材料的高周疲劳损伤。同时，列车引起的高频振动会随行车速度对结构的振动幅值呈指数级增长，导致混凝土结构力学性能逐渐劣化，因此，疲劳荷载作用下的损伤演变始终是铁路混凝土领域的重要研究内容。

3、现有的高周疲劳损伤计算方法，对列车荷载特征考虑不充分，仅聚焦于列车荷载幅值下的损伤演化，完全未提及频率的影响。而高铁线路中，列车荷载作用频率范围宽，混凝土作为无砟轨道结构关键部件，常面临不同速度下的列车荷载的复合作用，不同频率对材料劣化的影响规律差异性大，疲劳演化中荷载特征信息覆盖存在明显缺口。

技术实现思路

1、为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供了一种考虑频率效应的轨道板高周疲劳损伤模型构建方法。

2、本发明提供了一种考虑频率效应的轨道板高周疲劳损伤模型构建方法，包括以下步骤：

3、步骤s1、基于微塑性理论，在混凝土损伤演化中引入高周疲劳微塑性应变，并考虑频率的影响，建立考虑荷载频率作用的高周疲劳损伤本构模型；

4、步骤s2、构建基于微塑性理论的混凝土高周疲劳本构状态更新模块，在模块中设置频率标识符，并提前计算相邻数组的分析步时间比；

5、步骤s3、以两个分析步为一组，构成完整最小单元荷载循环，设置初始分析步基本频率，在卸载阶段使用更新前的损伤值，加载阶段使用上一步更新的损伤值，荷载恒定阶段更新损伤值；

6、步骤s4、应用脚本自动分配相邻分析步的时间设置、应力与损伤迭代功能以及荷载循环功能，以配合材料考虑频率效应的高周疲劳损伤计算准则；

7、步骤s5、建立板式无砟轨道有限元实体模型，将高周疲劳损伤本构状态更新模块嵌入有限元实体模型中，用于分析计算轨道板混凝土结构的疲劳损伤与应力分布。

8、在步骤s1中，所述高周疲劳损伤本构模型通过连续介质损伤理论和微塑性理论推导得到，高周疲劳损伤本构模型的演化参数与荷载频率相关，并通过不同频率的损伤曲线和s-n曲线确定。

9、在步骤s1中，具体包括：

10、微塑性应变π表示为：

11、 ；

12、式中，m、k与应变速率有关的参数，为有效等效应力，，d为疲劳损伤；

13、微塑性应变率表示为：

14、；

15、损伤变化率表示为：

16、；

17、其中，，比例加载的时候rv =1；为静水压，e为弹性模量，b、s为材料常数，、为与应变速率有关的参数；

18、当应力比为0时，令，，疲劳寿命简化为：

19、；

20、同时定义：

21、；

22、  ；

23、当应力比趋近于0时，疲劳寿命进一步简化为：

24、；

25、式中，由s-n曲线确定；

26、代入本构关系式得：

27、；

28、其中，为材料受应力对应的疲劳寿命，代表弹性张量，为应变。

29、在步骤s2中，所述频率标识符用于标识当前循环中频率的数量，并通过一个可变换维数的数组储存不同的频率值。

30、所述高周疲劳本构状态更新模块通过间隔荷载加载次数更新一次单元刚度矩阵的策略，在每个增量步中调用单元刚度矩阵，依据高周疲劳损伤本构模型动态修正材料刚度。

31、所述高周疲劳本构状态更新模块的处理流程具体为：

32、将损伤变量d、前一步损伤变量d0、荷载应力s、加载次数n、加载循环比、疲劳寿命nf以及最大主应力和最小主应力分别存储于数组中，根据上一步所计算得出的损伤变量d对雅可比矩阵进行更新，基于更新后的雅可比矩阵计算当前增量步的应力和状态变量，并进行储存。

33、在步骤s3中，具体包括：

34、分析步按照2个为一组构成完整最小单元荷载循环，初始分析步设置基本频率；

35、若相邻的完整最小单元循环荷载频率一致，则将分析步总时间平分为一半，保持相邻荷载频率一致；

36、若相邻完整最小单元荷载频率分别为、，则将分析步总时间设为，设置初始增量步；

37、其中，增量步小于时为卸载功能，此时将损伤变量指定为上一步的损伤值，并更新jacobian矩阵；增量步大于时为加载功能，将使用频率计算当前损伤值；

38、若再次遇见相邻分析步荷载频率一致的情况，则选取前一个频率为基本频率。

39、在步骤s4中，具体包括：

40、通过频率标识符，识别出重复出现的基本循环单元，构建一个最小单元循环的数组空间，确定最小单元里的频率个数，按照的分析步进行加载、恒载、卸载的功能分配，且同时对不同荷载幅值分析步自动分配荷载大小，从而区分不同分析步的作用功能

41、本发明的有益效果在于：

42、本发明提供了一种考虑频率效应的轨道板高周疲劳损伤模型构建方法，通过连续介质损伤理论和微塑性理论较为严格的推导了考虑频率影响的混凝土损伤演化方程，其演化参数与荷载频率相关，并通过不同频率的损伤曲线和s-n曲线进行了参数的确定，解决了之前相关专利中存在的无法考虑荷载频率的问题；

43、在设定数据迭代流程时，为改变其加载模式只能等幅等频率加载，本发明使其变为可等幅等频率加载也可等幅不等频率加载，将每一完整循环加载设定为包含2个分析步的循环流程。并通过荷载频率标识预设数组用于分析步时间的设置，用于提前自动规划频率分配、荷载更新及应力更新流程；

44、为考察频率效应下高周疲劳损伤与结构应力之间的关系，将损伤本构关系编制为可参与有限元计算的材料状态更新模块，通过数据接口深度嵌入至数值模型中开展迭代计算，实现不同频率的损伤变化与应力场变化的计算方法。弥补了无法考虑频率影响的疲劳损伤与应力场耦合计算所导致的结果失真问题，进一步提升了列车荷载下轨道板力学分析结果的准确性与可靠性。

1.一种考虑频率效应的轨道板高周疲劳损伤模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤s1中，所述高周疲劳损伤本构模型通过连续介质损伤理论和微塑性理论推导得到，高周疲劳损伤本构模型的演化参数与荷载频率相关，并通过不同频率的损伤曲线和s-n曲线确定。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤s1中，具体包括：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤s2中，所述频率标识符用于标识当前循环中频率的数量，并通过一个可变换维数的数组储存不同的频率值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤s2中，所述高周疲劳本构状态更新模块通过间隔荷载加载次数更新一次单元刚度矩阵的策略，在每个增量步中调用单元刚度矩阵，依据高周疲劳损伤本构模型动态修正材料刚度。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤s2中，所述高周疲劳本构状态更新模块的处理流程具体为：

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤s3中，具体包括：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤s4中，具体包括：通过频率标识符，识别出重复出现的基本循环单元，构建一个最小单元循环的数组空间，确定最小单元里的频率个数，按照的分析步进行加载、恒载、卸载的功能分配，同时对不同荷载幅值分析步自动分配荷载大小，从而区分不同分析步的作用功能。