Design of intelligent modeling and calculation software for bi-block ballastless track on bridge
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摘要: 为解决桥梁地段无砟轨道结构设计中有限元建模与计算工作量大、计算模型及结果形式无统一标准、对设计人员专业技能要求较高等问题，开发了桥上双块式无砟轨道智能化建模与计算软件。该软件采用模块化设计，提供集成化人机交互操作界面，能够自动完成有限元建模和计算，生成标准化计算结果；具备数据智能校验功能，可自动完成设计参数检查和计算结果验证。对比测试表明，该软件有限元建模与计算结果准确，数据处理流程连贯，使用操作简单高效，已成功应用于多个高速铁路工程项目的无砟轨道设计，大幅提高了工作效率，降低工程项目设计人力成本。Abstract: In order to solve the problems of heavy workload of finite element modeling and calculation in the structural design of ballastless track on bridge, lack of unified standards for modeling process and forms of calculation results, and high requirement of professional skills for the designers, the intelligent modeling and calculation software of double-block ballastless track on bridge was developed. This software adopts modular design and provides an integrated man-machine interaction interface, which can automatically complete finite element modeling and calculation, and generate standardized results. This software realizes intelligent data verification and can automatically complete design parameter check and calculation result verification. The accuracy of modeling and calculation results are validated via comparison test, showing that this software has smooth and consistent data processing process and is simple in operation with high efficiency. This software has been successfully applied to the ballastless track design of many high-speed railway engineering projects, which greatly improves the work efficiency and reduces the labor cost of engineering project design.
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CRTS双块式无砟轨道作为我国高速铁路与城际铁路无砟轨道的主要轨道结构型式之一，具有结构性能稳定、造价相对低廉、施工难度较小等优点，已得到广泛应用[1-2]。桥梁结构是我国高速铁路与城际铁路的主要下部基础形式，在部分工点中，为了与梁面标高相匹配，需对道床板、底座板结构进行加厚或减薄处理，设计非标准结构高度的CRTS双块式无砟轨道（标准结构高度为725 mm）。按照现行设计规范[3]，列车荷载采用“弹性地基梁-板理论”结合有限元方法进行计算。受到软件种类、建模方法、模型尺寸等因素的影响，通常难以保证有限元模型的计算效率和精度。当计算工点较多时，还需对无砟轨道板长、板厚、扣件划分等建模参数进行反复调整，建模与计算过程繁琐耗时，加重了设计和校核人员的工作负担，且难以保证计算结果的准确性。
为提高无砟轨道结构设计的效率与精度，国内相关研究人员进行了无砟轨道结构参数化设计软件的开发或有限元软件的二次开发。在无砟轨道结构有限元仿真分析及其受力变形规律探究方面，高增增[4]分析在不同荷载作用下道床板、底座板厚度对轨道结构受力的影响；刘珂[5]探究桥上和路基车辆静载作用下无砟轨道应力和应变规律；张鲁顺等人[6]分析荷载在双块式无砟轨道中的传递路径、范围及影响因素。在有限元软件二次开发方面，魏贤奎等人[7]等采用APDL语言，开发有砟轨道桥上无缝线路通用计算软件；丁维桐[8]利用Python数据处理功能，基于ANSYS有限元软件开发了无砟轨道温度场监控和预测软件；梁双双[9]使用Python编程语言，将ANSYS有限元软件、Access数据库、Office办公软件相结合，开发高速铁路无砟轨道结构设计检算软件；朱彬等人[10]等采用VB.net及ANSYS参数化设计语言（APDL，ANSYS Parametric Design Language），开发桥上无缝线路纵向附加力计算软件。
为提高设计人员工作效率，统一计算方法，减少重复工作量，依据相关设计规范，使用Python语言和ANSYS APDL，开发桥上双块式无砟轨道智能化建模与计算软件（简称：智能化建模与计算软件），以期提高桥上双块式无砟轨道结构设计工作的数字化和智能化水平，对加快智能高铁的建设具有推动作用。
1 现状及问题分析
1.1 桥上双块式无砟轨道结构简介
桥梁地段CRTS双块式无砟轨道结构自上而下由钢轨、扣件、双块式轨枕、道床板、隔离层、底座板等部分组成；其中，钢轨直接承受由轮轨接触产生的荷载，通过扣件与轨枕块将荷载传递至道床板，再经过道床与底座之间的接触将荷载传递至底座板，最后再由底座板将荷载传递至桥梁支承面。
桥上直线地段CRTS双块式无砟轨道结构横断面，如图1所示。
桥梁地段道床板分块浇筑，宽度为2800 mm，长度一般为5～7 m，底座与道床的长宽等同。桥梁地段高速铁路道床板与底座板厚度通常为260 mm与210 mm，时速200 km城际铁路道床板与底座板厚度通常为240 mm与210 mm。为满足具体工程项目的设计要求，部分工点不能完全按照通用图进行设计与施工，为保证钢轨顶面标高，通常需要单独设计轨道结构高度，以匹配下部基础的特殊标高。
1.2 桥上双块式无砟轨道结构设计过程分析
CRTS双块式无砟轨道结构设计技术是我国铁路在总结前期双块式无砟轨道铺设经验的基础上，针对客运专线无砟轨道的一项创新研究成果[1]。目前，桥上双块式无砟轨道结构的设计以手工方式为主，可划分为6个工作步骤，如图2所示。
（1）确定计算参数：设计人员根据设计资料及施工现场外业资料，确定无砟轨道各结构部件尺寸参数以及需要检算的无砟轨道荷载参数。
（2）建立有限元计算模型：设计人员依据现行设计规范，综合考虑无砟轨道各层间承力与传力关系、以及无砟轨道与下部桥梁基础结构间的接触关系，基于计算参数，在有限元计算软件中建立计算模型，并将创建的计算模型存储为.db文件。
（3）加载模型与计算：设计人员使用有限元计算软件读取.db文件，加载之前创建好的有限元计算模型，在完成施加荷载、调整加载步长、设定收敛准则等处理后，启动有限元计算；计算结束后，进行必要的手工处理，将计算结果保存为.dat文件。
（4）人工校核计算结果：设计与复核人员基于设计检算经验，对应力、位移、弯矩等计算结果进行人工校核。
（5）检查和修正有限元计算模型：若计算结果存在明显偏差，则对有限元计算模型进行检查和修正，再对经过修正的有限元计算模型进行重新计算，直至计算结果符合预期。
（6）输出计算结果：通过人工校核后，将计算结果生成图、表等形式的设计文档。
实际应用中发现，桥上双块式无砟轨道结构现有的设计过程存在以下困难和不便之处：
（1）设计工作繁重、效率低下：建模计算、数据提取、数据复核等任务的工作量较大，尤其是当检算涉及到较多工况时，工作量更是急剧增加，甚至难以满足设计时限要求；
（2）设计过程操作复杂：无法在同一个工具软件中完成全部工作，设计人员需在Office办公软件、有限元计算软件等多种工具软件之间频繁转换操作；
（3）设计不够规范、准确性难以保证：不同设计人员专业素养有所差异，采用的模型网格尺寸、单元类型、材料属性、数据图表等均有差异，设计文件撰写风格也各有不同，且设计检算准确度难以保证；
（4）设计人员专业技能要求高：设计及复核人员需要通晓无砟轨道结构及各层间相互作用机理，熟练掌握有限元软件建模操作，并且必须具备类似项目设计检算的专业知识和经验。
2 智能化建模与计算软件设计
2.1 智能化建模与计算软件设计目标
（1）提高设计检算效率：采用信息化手段，将复杂的获取数据、建立模型、加载计算、提取数据、数据校验等步骤封装于智能化建模与计算软件中，由计算机程序替代人工操作，将设计人员从繁重的重复性工作中解放出来。
（2）提高人机交互便捷性：采用高效的人机交互方法，定义不同软件之间的参数化数据调用方式与数据接口模式，将原先需要设计人员在不同工具软件中完成的各类工作集中于同一个操作窗口上，无需频繁切换操作窗口即可完成全部的建模与计算任务。
（3）实现设计工作标准化：按照现行设计规范，建立有限元参数化计算模型，统一建模与计算过程，并制定统一的设计结果输出格式，保证设计文件的规范性及可溯源性。
（4）提高校验智能化水平：建立基础材料属性、无砟轨道标准力学特性等数据表，定义输入参数与输出结果之间的映射关系，由检算程序自动完成数据智能校验，减少复核工作量，降低设计人员能力门槛，提高软件智能化程度。
2.2 功能模块及工作流程设计
桥上双块式无砟轨道智能化建模与计算软件划分为基础数据整理及预处理、集成化人机交互界面、参数化建模与计算、数据智能校验4个主要的功能模块，模块划分及工作流程如图3所示。
基础数据整理及预处理模块：主要实现钢筋、混凝土等基础材料属性表的定义与录入，以供有限元软件建模；设计参数分为模型参数与荷载参数，从相关设计文件中获取板尺寸、间距尺寸、材料属性等设计参数并预处理，整理成规范格式，用于有限元软件建模及无砟轨道几何尺寸关系校验；获取列车荷载参数并初步计算，以供有限元软件加载与计算。
数据智能校验模块：根据输入的设计参数，计算无砟轨道几何尺寸关系，判断有限元模型是否符合常规设计逻辑；完成无砟轨道标准尺寸与力学特性数据表的定义，并根据有限元计算输出结果，判断其是否符合列车载作用下无砟轨道力学特征。
参数化建模与计算模块：根据设计人员输入的设计参数，自动生成适用于ANSYS有限元计算的APDL语言命令流；根据预处理过的模型参数，建立参数化计算模型；自动完成有限元模型加载，根据预处理过的荷载参数，执行计算过程；调用数据智能校验模块，对有限元软件计算结果的数据类型、数据范围、数据分布等进行验证；将经过验证的计算结果输出，保存在指定格式的文件中。
集成化人机交互界面模块：使用由基础数据整理及预处理模块生成的规范化数据，完成设计参数设定；完成有限元软件计算执行参数设置，主要包括ANSYS工作目录与启动路径的设置；完成有限元软件调用，并启动有限元计算过程（有限元软件调用与启动）；显示通过验证的有限元软件计算结果，供设计人员查看。
2.3 数据智能校验
数据智能校验包括设计参数检查和计算结果验证2个数据自动校验过程。
2.3.1 设计参数检查
自动完成设计参数完整性检查，确保设计人员录入的结构参数完备无缺、各参数取值合规、无砟轨道几何尺寸合理，具体流程如图4所示。
（1）读取设计参数文件（.dat格式）。
（2）检查设计参数有无缺失，判断结构参数是否完备；若结构参数不完备，提示设计人员将缺少的参数补充完整；设计人员补充参数后，重新进行判断，直至通过结构参数完备性检查。
（3）依据无砟轨道标准尺寸与力学特性数据表，检查参数取值范围是否合规；若发现结构参数不合规的情况，提示设计人员对参数取值范围进行修正；设计人员修正参数后重新进行判断，直至通过参数取值范围验证。
（4）依据扣件间距和板长等参数，反向推算扣件间距个数是否为整数，判断无砟轨道几何尺寸是否合理；若几何尺寸不合理，提示设计人员对参数进行修改；修改几何尺寸后重新进行判断，直至通过验证。
（5）按照有限元软件建模规则，对通过上述3项检查的设计参数数据进行规范化处理，包括参数单位转换、有效位数统一等，并组织成数组形式。
（6）将经过规范化处理的设计参数数据保存为.txt格式的模型参数文件。
2.3.2 计算结果验证
自动完成计算结果完整性检查，确保计算结果正确，不存在逻辑错误，具体处理流程如图5所示。
（1）读取计算结果文件（.dat格式）以及预先录入的无砟轨道标准力学特性数据表；
（2）遍历计算结果数据，查找比对最不利荷载位置处的最大弯矩值，即找出结构受力最不利值，用于数据类型、数据范围、数据分布检查，以及计算结果输出与展示。
（3）找到最不利值后，根据预先定义的无砟轨道标准与尺寸力学特性数据表，对计算结果依次进行数据类型的准确性、数据范围的合规性、数据分布的合理性判断；若任一判断不通过，跳转至基础数据整理及预处理模块进行检查和修正设计参数，直至验证通过。
（4）输出计算结果，将节点与单元受力特征值保存为.dat文件，云图保存为.jpg文件，并覆盖原计算结果文件，供后续使用或其它软件调用。
2.4 参数化建模与计算
参数化建模及计算实现过程如图6所示。
（1）读取.txt格式的设计参数文件，获取已通过校验的建模参数。
（2）根据设定的工作目录与启动路径，调用ANSYS有限元软件。
（3）基于以上建模参数，自动生成APDL命令流，用于建立模型与加载计算。
（4）在ANSYS有限元软件中定义底座板、道床板、钢轨、扣件、荷载等模型参数，定义单元类型与材料属性。
（5）在ANSYS有限元软件中建立无砟轨道结构拓扑模型，完成模型单元划分，并赋予模型单元属性。
（6）在ANSYS有限元软件中进行模型加载、求解、提取特征值操作。
（7）将结构计算特征值保存为相应的格式文件；其中，节点与单元受力特征值保存为.dat文件，云图保存为.jpg文件，供后续使用或其它软件调用。
基于弹性地基梁-板理论，建立桥上CRTS双块式无砟轨道参数化计算模型，整体模型如图7所示。
该模型自上而下分为钢轨、扣件、道床板、隔离层、底座板、支撑层6个层次。考虑钢轨的受力特征及钢轨自身细长的特点，钢轨采用空间梁单元模拟，对钢轨两端部节点施加全约束；考虑扣件实际承力和传力特点，一端与钢轨节点相连，另一侧与道床板节点相连，采用三向弹簧单元模拟，垂向和横向考虑为线性弹簧单元，纵向阻力考虑为非线性弹簧单元，按设计规范中扣件三向刚度参数进行取值；道床板与底座板简化为板单元，二者之间的接触关系为体刚度换算成的隔离层点刚度
$ E_{g} $ ，其值由底座板弹性模量及其厚度决定。$ E_{g} $ 计算公式为$$ E_{g}=\frac{E_{d}}{V_{dz} \times N_{d c}} $$ (1) 其中，
$ E_{d} $ 为单块底座板体刚度；$ V_{dz} $ 为单块底座板体积；$ N_{d c} $ 为单块道床板下部弹簧个数。底座板下部支撑层刚度按梁面支撑层通用面刚度换算成点刚度，支撑层点刚度
$ E_{z} $ 计算公式为$$ E_{z}=\frac{E_{z} \cdot A}{N_{dz}} $$ (2) 其中，
$E_{z}$ 为桥梁面支撑层面刚度；A为单块底座板与桥梁支撑层之间的接触面积；$ N_{dz} $ 为单块底座板下部弹簧个数。2.5 集成化人机交互界面
为方便使用软件，将设计人员使用智能化建模与计算软件时所需完成的全部人机交互操作集中在单一用户界面如图8所示上，免除设计人员在多个工具软件之间来回切换工作窗口的繁琐操作。
在集成化人机交互界面上，设计人员先输入板尺寸参数、间距尺寸参数、列车荷载参数和材料参数等设计参数，设置好ANSYS启动路径及计算工作目录等计算执行参数，点击“计算”按钮即可启动有限元计算过程；计算完成后，主要的计算结果会立即显示在同一窗口下方的计算结果列表中。
3 计算结果验证
主要从2个方面进行计算结果验证：（1）与传统建模方式对比，验证APDL命令流生成的准确性；（2）与其它有限元计算方法对比，验证本软件有限元模型的准确性。
根据文献[4]的模型参数，采用桥上双块式无砟轨道智能化建模与计算软件建立有限元模型A，采用传统手工建模方式建立有限元模型B。这2种方法生成的APDL命令流文件及计算结果对比如表1所示。
表 1 智能化建模计算与传统手工建模计算结果对比模型 命令条数 执行逻辑 建模耗时 计算结果 有限元模型A 完全一致 完全一致 0.5 s 完全一致 有限元模型B 47 min 有限元模型A和B对应的命令流文件中，两者命令条数完全一致，计算结果也完全一致，表明智能化建模计算软件程序逻辑正确，可准确生成APDL命令流；智能化建模与计算软件仅用0.5 s即完成有限元模型A的生成，与传统手工建模方式相比，建模效率明显大幅提高。
表 2 智能化建模计算与文献[4]计算结果对比计算结果 误差 类型 文献计算结果 软件计算结果 纵向正弯矩/((kN·m)·m−1) 15.904 16.949 6.57% 纵向负弯矩/((kN·m)·m−1) 3.190 2.946 −7.65% 横向正弯矩/((kN·m)·m−1) 17.745 18.822 −6.07% 横向负弯矩/((kN·m)·m−1) 3.584 4.101 6.75% 由对比结果可知，纵、横向正/负弯矩误差均在10%范围之内，智能化建模与计算软件所生成的有限元计算结果准确率较高。
4 结束语
为解决桥梁地段无砟轨道结构设计中有限元建模与计算工作量大、计算模型及结果形式无统一标准、对设计人员专业技能要求较高等问题，本文提出桥上双块式无砟轨道智能化建模与计算软件的设计，采用Python语言及ANSYS APDL语言开发了自主知识产权的智能化建模与计算软件。该软件采用模块化设计，结构合理，处理流程顺畅连贯；提供集成化人机交互界面，简单易学，操作方便；能够根据设计人员输入的设计参数，自动生成适用于ANSYS有限元计算的APDL语言命令流，建立规范的参数化计算模型，自动完成有限元模型加载及计算执行，降低了建模和计算的难度；具备智能化数据校验功能，可自动完成设计参数检查和设计结果验证。
经对比验证，该软件计算结果准确较高，已成功应用到杭州—绍兴—台州城际铁路、汕头—汕尾高速铁路、广州—湛江高速铁路等工程项目。实际应用表明，该软件大幅提高了工作效率，减轻了设计人员及复核人员建模与计算的工作量，降低工程项目设计的人力成本，具有显著的提效节支效果。
本文提出的桥上双块式无砟轨道智能化建模与计算方法通用性强，可对其进一步完善后，推广应用于不同下部基础及不同无砟轨道结构。
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