CN117236026A - 一种有砟道床数值模型的循环加载方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有砟道床数值模型的循环加载方法，属于铁路交通技术领域。本发明方法中，首先建立有砟道床结构三维模型，进一步选择合理的离散元参数生成有砟道床的离散元数值模型，同时建立有砟道床的多体动力学模型并根据实际工况赋予模型车速和轴重，根据需要可以柔性化处理模型部件，再进一步建立有砟道床的离散元‑多体动力学耦合模型并联合仿真，最后提取需要的数据进行处理分析，本方法为有砟道床的数值仿真计算提供了一种新的途径。

Description

一种有砟道床数值模型的循环加载方法

技术领域

本发明涉及一种有砟道床数值模型的循环加载方法，属于铁路交通技术领域。

背景技术

铁路是国家战略性、先导性、关键性的重大基础设施，是国民经济大动脉、重大民生工程和综合交通运输体系骨干，在经济社会发展中的地位和作用至关重要。相较于无砟轨道，有砟轨道的维护成本低，且在列车高速作用下能保持良好的弹性，同时具有运行稳定、刚度均匀、服役寿命长等优点而被广泛使用，是铁路结构的主要形式。然而在列车循环载荷作用下，有砟道床的物理状态和力学行为将发生永久性劣化，主要表现为道床沉降、道砟破碎、道床脏污等病害。受成本因素与试验条件限制，近年来，研究者主要采用仿真试验或室内试验-仿真结合的形式研究有砟道床细观力学特性以及动荷载循环作用下的力学演化机理，旨在解决道床稳定性和服役性能问题。

在有砟道床的数值模拟中，选择适合的循环加载方法是保证仿真结果可靠性的一个关键因素，目前国内外学者针对二维或三维道床模型研究所采用的循环加载方法存在明显不足：部分研究将有砟道床结构完全视为有限元进行加载，忽略了散体道砟的不规则性；多数研究者采用不同幅值和频率的正余弦函数作为加载函数，或采用高斯函数作为加载函数，将加载函数施加于轨枕上实现循环加载，虽在载荷与频率方面模拟了现实工况，但过于理论化，忽视了列车运行时载荷的动态变化，仍与实际情况有较大差别，因此提出一种更贴合实际的有砟道床数值模型的循环加载方法尤为重要，对于仿真结果的精确性有着重要影响。

发明内容

本发明提供了一种有砟道床数值模型的循环加载方法，以用于为有砟道床数值仿真提供一种可供选择的方法。

本发明的技术方案是：

根据本发明的一方面，提供了一种有砟道床数值模型的循环加载方法，包括：

建立有砟道床结构三维模型；

依据有砟道床结构三维模型，建立有砟道床离散元数值模型；

依据有砟道床结构三维模型，建立有砟道床多体动力学模型并在模型中定义循环加载的驱动；

依据有砟道床离散元数值模型、有砟道床多体动力学模型，建立有砟道床离散元-多体动力学耦合模型并仿真，提取仿真结果。

所述有砟道床结构包括路基1、列车转向架2、轨枕3、钢轨4；路基1上方架设多根平行布置的轨枕3且路基1、轨枕3之间存在间距，轨枕3上贴合设置两根呈平行布置的钢轨4，钢轨4与轨枕3垂直，钢轨4上设置与钢轨4滚动配合的列车转向架2。

所述依据有砟道床结构三维模型，建立有砟道床离散元数值模型，包括：

将有砟道床结构三维模型导入离散元软件中，获得有砟道床三维结构；

导入道砟颗粒模板或自定义道砟颗粒粒径；

设置道砟颗粒的离散元模型参数；

设置有砟道床结构中路基1、列车转向架2、轨枕3、钢轨4的离散元模型参数；

设置道砟颗粒间的碰撞恢复系数、接触参数；设置道砟颗粒与路基1、轨枕3的碰撞恢复系数，设置道砟颗粒与路基1、轨枕3的接触参数；

根据有砟道床三维结构设置封闭道床的墙体单元，设置颗粒工厂以生成道砟颗粒离散元模型；

设置颗粒接触模型的基础模型、滚动模型；

设置有砟道床三维结构的计算域、道砟颗粒的重力大小和方向；

设置求解参数并生成道砟颗粒，实现有砟道床离散元数值模型建立；

将现仿真时间t置零后输出t＝0时刻的有砟道床离散元模型。

所述依据有砟道床结构三维模型，建立有砟道床多体动力学模型并在模型中定义循环加载的驱动，包括：

将有砟道床结构三维模型导入多体动力学软件中；

在有砟道床结构三维模型基础上，添加约束、运动副、接触及质量；

添加由时间和位移控制的驱动，实现循环加载，完成有砟道床多体动力学模型建立。

所述在有砟道床结构三维模型基础上，添加约束、运动副、接触及质量，具体为：

在路基1和地面之间添加固定约束；在2根钢轨4和首尾2根轨枕3接触处添加固定约束；在其余轨枕3上添加相对于路基1的移动副；在其余轨枕3和钢轨4之间添加弹簧并设定刚度；在列车转向架2的2个轮对2-1和连杆2-2连接处添加转动副；

在列车转向架2的轮对2-1与钢轨4之间添加实体接触，并设置接触系数；路基1、列车转向架2、轨枕3和钢轨4设置为刚体；

对列车转向架2的轮对2-1赋予不同工况的轴重，将轴重作为两对轮对2-1的质量。

所述由时间和位移控制的驱动函数EX表达式为：

EX＝step(time,x₀,0,x₁,h)+step(time,x₁,0,x₂,-h)

+…+step(time,x_t-2,0,x_t-1,h)+step(time,x_t-1,0,x_t,-h)；

式中，step表示函数为一个阶跃性的过渡函数，是一个时间-位移函数；time表示函数与时间相关；x₀、x₁、x₂、...、x_t-2、x_t-1、x_t为不同时间值；h为Z方向的正向位移，-h为Z方向的负向位移，其绝对值与h相等。

所述依据有砟道床离散元数值模型、有砟道床多体动力学模型，建立有砟道床离散元-多体动力学耦合模型，包括：

在离散元软件中删除原有的几何体，并将多体动力学软件中输出文件导入离散元软件；

为路基1、列车转向架2、轨枕3、钢轨4配置对应的EquipMaterial参数，并更改列车转向架2中的轮对2-1质量，使其和工况轴重一致；

在离散元软件中保存文件，设置第一相关参数，同时在多体动力学软件中设置第二相关参数，开始进行有砟道床离散元-多体动力学耦合模型联合仿真。

所述EquipMaterial参数包括设置路基1、列车转向架2、轨枕3、钢轨4的泊松比、密度、剪切模量，道砟颗粒与路基1、轨枕3的碰撞恢复系数，道砟颗粒与路基1、轨枕3的静摩擦系数以及滚动摩擦系数。

根据本发明的另一方面，提供了一种有砟道床数值模型的循环加载系统，包括：

第一建立模块，用于建立有砟道床结构三维模型；

第二建立模块，用于依据有砟道床结构三维模型，建立有砟道床离散元数值模型；

第三建立模块，用于依据有砟道床结构三维模型，建立有砟道床多体动力学模型并在模型中定义循环加载的驱动；

提取模块，用于依据有砟道床离散元数值模型、有砟道床多体动力学模型，建立有砟道床离散元-多体动力学耦合模型并仿真，提取仿真结果。

本发明的有益效果是：

1、本发明建立了有砟道床的离散元-多体动力学耦合模型，该模型可以通过设置柔性化参数将钢轨、轨枕等柔性化部件进行柔性化处理，实现更为准确的细观力学行为，使其更符合现实情况中的宏观变形，从而达到有砟道床变形与破坏机理在仿真和实际中宏观细观层面的一致性。

2、相比已有的有砟道床数值模型循环加载方法，本发明中的循环加载方法不使用加载函数进行加载，而是通过列车转向架中的轮对直接作用于钢轨和轨枕，通过离散元软件EDEM与多体动力学软件RecurDyn双向耦合将作用力传递至道砟层和路基，控制列车转向架的运动速度和质量进而控制模拟列车运行速度和轴重，更符合列车运行的实际情况，并且能够使仿真结果更贴近于实际工况。

3、本发明方法中，首先建立有砟道床结构三维模型，进一步选择合理的离散元参数生成有砟道床的离散元数值模型，同时建立有砟道床的多体动力学模型并根据实际工况赋予模型车速和轴重，根据需要可以柔性化处理模型部件，再进一步建立有砟道床的离散元-多体动力学耦合模型并联合仿真，最后提取需要的数据进行处理分析，本方法为有砟道床的数值仿真计算提供了一种新的途径。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明提供的有砟道床整体三维模型示意图；

图3为本发明提供的有砟道床离散元数值模型轴测图；

图4为本发明提供的有砟道床离散元数值模型横向截面图；

图5为本发明提供的有砟道床多体动力学模型示意图；

图6为本发明提供的有砟道床多体动力学模型中的局部段钢轨、轨枕柔性化示意图；

图中各标号为：1-路基、2-列车转向架、2-1-轮对、2-2-连杆、3-轨枕、4-钢轨。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对发明作进一步的说明，但本发明的内容并不限于所述范围。

实施例1：如图1-6所示，根据本发明实施例的一方面，提供了一种有砟道床数值模型的循环加载方法，包括：建立有砟道床结构三维模型；依据有砟道床结构三维模型，建立有砟道床离散元数值模型；依据有砟道床结构三维模型，建立有砟道床多体动力学模型并在模型中定义循环加载的驱动；依据有砟道床离散元数值模型、有砟道床多体动力学模型，建立有砟道床离散元-多体动力学耦合模型并仿真，提取仿真结果。

进一步地，所述有砟道床结构包括路基1、列车转向架2、轨枕3、钢轨4；路基1上方架设多根平行布置的轨枕3且路基1、轨枕3之间存在间距，轨枕3上贴合设置两根呈平行布置的钢轨4，钢轨4与轨枕3垂直，钢轨4上设置与钢轨4滚动配合的列车转向架2。

进一步地，所述依据有砟道床结构三维模型，建立有砟道床离散元数值模型，包括：

将有砟道床结构三维模型导入离散元软件中，获得有砟道床三维结构；导入道砟颗粒模板或自定义道砟颗粒粒径；设置道砟颗粒的离散元模型参数；设置有砟道床结构中路基1、列车转向架2、轨枕3、钢轨4的离散元模型参数；设置道砟颗粒间的碰撞恢复系数、接触参数；设置道砟颗粒与路基1、轨枕3的碰撞恢复系数，设置道砟颗粒与路基1、轨枕3的静摩擦系数以及滚动摩擦系数；根据有砟道床三维结构设置封闭道床的墙体单元，设置颗粒工厂以生成道砟颗粒离散元模型；设置颗粒接触模型的基础模型、滚动模型；设置有砟道床三维结构的计算域、道砟颗粒的重力大小和方向；设置求解参数并生成道砟颗粒，实现有砟道床离散元数值模型建立；将现仿真时间t置零后输出t＝0时刻的有砟道床离散元模型。

进一步地，依据有砟道床结构三维模型，建立有砟道床多体动力学模型并在模型中定义循环加载的驱动，包括：将有砟道床结构三维模型导入多体动力学软件中；在有砟道床结构三维模型基础上，添加约束、运动副、接触及质量并设置相应参数；添加由时间和位移控制的驱动，实现循环加载，完成有砟道床多体动力学模型建立。

进一步地，所述在有砟道床结构三维模型基础上，添加约束、运动副、接触及质量并设置相应参数，具体为：在路基1和地面之间添加固定约束；在2根钢轨4和首尾2根轨枕3接触处添加固定约束；在其余轨枕3上添加相对于路基1的移动副；在其余轨枕3和钢轨4之间添加弹簧并设定刚度；在列车转向架2的2个轮对2-1和连杆2-2连接处添加转动副；在列车转向架2的轮对2-1与钢轨4之间添加实体接触，并设置接触系数；路基1、列车转向架2、轨枕3和钢轨4设置为刚体；对列车转向架2的轮对2-1赋予不同工况的轴重，将轴重作为两对轮对2-1的质量。

进一步地，所述由时间和位移控制的驱动函数EX表达式为：

式中，step表示函数为一个阶跃性的过渡函数，是一个时间-位移函数；time表示函数与时间相关；x₀、x₁、x₂、...、x_t-2、x_t-1、x_t为不同时间值；h为Z方向的正向位移，-h为Z方向的负向位移，其绝对值与h相等。

进一步地，所述依据有砟道床离散元数值模型、有砟道床多体动力学模型，建立有砟道床离散元-多体动力学耦合模型，包括：在离散元软件中删除原有的几何体，并将多体动力学软件中输出文件导入离散元软件；为路基1、列车转向架2、轨枕3、钢轨4配置对应的EquipMaterial参数，并更改列车转向架2中的轮对2-1质量，使其和工况轴重一致；在离散元软件中保存文件，设置第一相关参数，同时在多体动力学软件中设置第二相关参数，开始进行有砟道床离散元-多体动力学耦合模型联合仿真。

进一步地，所述EquipMaterial参数包括设置路基1、列车转向架2、轨枕3、钢轨4的泊松比、密度、剪切模量，道砟颗粒与路基1、轨枕3的碰撞恢复系数，道砟颗粒与路基1、轨枕3的静摩擦系数以及滚动摩擦系数。

根据本发明实施例的另一方面，提供了一种有砟道床数值模型的循环加载系统，包括：第一建立模块，用于建立有砟道床结构三维模型；第二建立模块，用于依据有砟道床结构三维模型，建立有砟道床离散元数值模型；第三建立模块，用于依据有砟道床结构三维模型，建立有砟道床多体动力学模型并在模型中定义循环加载的驱动；提取模块，用于依据有砟道床离散元数值模型、有砟道床多体动力学模型，建立有砟道床离散元-多体动力学耦合模型并仿真，提取仿真结果。

实施例2：如图1-6所示，本发明提供一种有砟道床数值模型的循环加载方法，包括以下步骤：

①建立有砟道床结构三维模型；其中，有砟道床结构包括路基1、列车转向架2、轨枕3、钢轨4；路基1上方350mm处架设多根平行布置的轨枕3，轨枕3上贴合设置两根呈平行布置的钢轨4，钢轨4与轨枕3垂直，钢轨4上设置与钢轨4滚动配合的列车转向架2(如图2中，即列车转向架2中轮对2-1与钢轨4滚动配合)。

如图2所示，根据行业标准TB 10621-2014《高速铁路设计规范》中关于有砟道床的尺寸要求，通过Solidworks建立长20m、包含33根轨枕的有砟道床结构三维模型，其中有砟道床结构包括路基1、列车转向架2、Ⅲ型混凝土轨枕3、60kg/m型钢轨4，其中列车转向架2包含两个轮对2-1以及连接轮对2-1的简化连杆2-2。

②如图3和4所示，建立有砟道床离散元数值模型。

1)将所述有砟道床结构三维模型导入离散元软件EDEM中，获得有砟道床三维结构；

2)导入道砟颗粒模板或自定义道砟颗粒粒径；

在本发明的实施例中，采用自定义道砟颗粒粒径的方式，具体如下：

自定义颗粒粒径，即自行设定组成道砟颗粒离散元模型的球体半径，本实施例中道砟颗粒离散元模型由数个设定半径的球形颗粒组成，总长度为63mm。

根据行业标准TB/T 2140-2008《铁路碎石道砟》中关于道砟级配要求选定特级道砟级配作为道床的粒径分布范围。本实施例参数取值如表1所示：

表1特级道砟级配取值

进一步地，以总长度为63mm的道砟颗粒离散元模型为基础，根据选定的特级道砟级配来设定整个道床中的道砟颗粒粒径分布，即依据表1可以确定，过22.4mm及以下方孔筛边长的道砟颗粒在整体道床中数量占比0％，过22.4mm-31.5mm方孔筛边长的道砟颗粒在整体道床中数量占比5％，过31.5mm-40mm方孔筛边长的道砟颗粒在整体道床中数量占比35％，过40mm-50mm方孔筛边长的道砟颗粒在整体道床中数量占比45％，过50mm-63mm方孔筛边长的道砟颗粒在整体道床中数量占比15％。

3)设置道砟颗粒的泊松比、密度、剪切模量等离散元模型参数。本实施例参数取值如表2所示：

表2道砟颗粒离散元模型参数

4)将所述路基1、列车转向架2、轨枕3、钢轨4视为刚体，分别设置每个部件的泊松比、密度、剪切模量等离散元模型参数。本实施例参数取值如表3所示：

表3路基、转向架、轨枕、钢轨模型参数取值

5)道砟颗粒间的碰撞恢复系数通过碰撞反弹试验标定，在本发明实施例中，道砟颗粒间的碰撞恢复系数为0.7；道砟颗粒间的接触参数通过休止角试验进行标定，具体的：静摩擦系数为0.6，滚动摩擦系数为0.09；道砟颗粒与路基1、轨枕3的碰撞恢复系数通过碰撞反弹试验标定，取值分别为0.54、0.6；道砟颗粒与路基1、轨枕3的静摩擦系数以及滚动摩擦系数通过引用文献数据确定，其中道砟颗粒与路基1的静摩擦系数、滚动摩擦系数分别取值为0.31、0.13，道砟颗粒与轨枕3的静摩擦系数、滚动摩擦系数分别取值为0.86、0.03；

6)根据有砟道床三维结构设置封闭道床的墙体单元，进一步设置颗粒工厂以实现道砟颗粒离散元模型的生成；

7)使用颗粒接触模型的基础模型为Hertz-Mindlin(no slip)模型，所述模型中法向力F_n的表达式为：

式中，E^*为当量杨氏模量，R^*为当量半径，δ_n为法向重叠量，则法向阻尼力表示为：

式中，m^*为当量质量，β是值为的系数，S_n为法向刚度，为相对速度法向分量，切向力F_t表示为：

式中，G^*为当量剪切模量，δ_t为切向重叠量，除此之外，切向阻尼力F_t ^d表示为：

式中，S_t为切向刚度，为相对速度法向分量。

使用颗粒接触模型的滚动模型为Standard Rolling Friction模型，所述模型滚动阻力τ_i的表达式为：

τ_i＝-μ_rF_nR_iω_i；

式中，μ_r为滚动摩擦系数，F_n为法向力，R_i为接触点与质心的距离，ω_i为物体在接触点处的单位角速度矢量。

8)设置有砟道床三维结构的计算域、道砟颗粒的重力大小和方向。

9)设置求解参数并生成道砟颗粒，实现有砟道床离散元数值模型建立。在本发明的实施例中，设置的求解参数为时间步、总的仿真时间、每一步保存数据的时间、网格尺寸。

10)将现仿真时间t置零后输出t＝0时刻的有砟道床离散元模型。

③如图5所示，建立有砟道床多体动力学模型并在模型中定义循环加载的驱动。

1)将有砟道床结构三维模型导入多体动力学软件RecurDyn中。

2)在路基1和地面Ground之间添加固定约束；在2根钢轨4和首尾2根轨枕3接触处添加固定约束；在其余31根轨枕3上添加相对于路基1的移动副；在其余31根轨枕3和钢轨4之间添加弹簧并设定刚度；在列车转向架2的2个轮对2-1和连杆2-2连接处添加转动副。固定约束即相对应部件之间不存在相对运动。

3)在列车转向架2的轮对2-1与钢轨4之间添加实体接触，并设置静摩擦系数为0.1、动摩擦系数为0.25，该参数可以适当调整；路基1、列车转向架2、轨枕3和钢轨4设置为刚体；另外，可以根据需要，将轨枕3和钢轨4设置为柔性体，如图6所示为柔性体。

4)在列车转向架2的连杆2-2质心添加驱动，以此实现列车转向架2在钢轨4上的循环运动，以Y坐标的负方向为重力方向(即以路基垂直向下的方向为Y坐标的负方向，沿着钢轨的方向为Z方向(以图5所示，从左往右的方向为正方向)，与轮对安装轴轴向方向平行的方向为X方向)，其中添加的驱动限制X方向和Z方向的平动，限制绕X、Y、Z方向的转动，保留Y方向的平动，同时，对Y方向的平动赋予驱动函数，该驱动函数EX表示为：

式中，step表示该函数为一个阶跃性的过渡函数，是一个时间-位移函数；time表示该函数与时间相关；x₀、x₁、x₂、...、x_t-2、x_t-1、x_t为不同时间值；h为Z方向的正向位移，-h为Z方向的负向位移，其绝对值与h相等；该驱动函数EX表示x_T-2时刻到x_T-1时刻，位移增量为h，x_T-1时刻到x_T时刻，位移增量为-h，T＝2,3,...,t。

x₀-x₁、x₁-x₂、…、x_t-2-x_t-1、x_t-1-x_t的时间间隔以及h的值决定了列车转向架2的连杆2-2质心速度，即决定所需工况中的车速，其中各阶段时间间隔Δx相同，表示为：

式中，v为该工况中的列车速度。

选取三种工况分别设置有砟道床多体动力学模型相关参数，三种工况分别为160km/h、200km/h、250km/h，三种工况分别对应三种列车速度与三种时间间隔。本实施例参数取值如表4所示：

表4工况参数与驱动函数参量取值

5)对列车转向架2的轮对2-1赋予轴重，将三种列车速度的工况分别赋予18.8吨、25吨、31吨的轴重，即将自定义的轴重作为两对轮对质量。

6)将建立完成的有砟道床多体动力学模型中涉及的部件转换为WALL文件并整体输出保存。部件即路基1、轨枕3、钢轨4、轮对2-1、连杆2-2。

④建立有砟道床离散元-多体动力学耦合模型并进行仿真求解。

1)在EDEM中删除原有的几何体Geometries，并将RecueDyn中输出的WALL文件导入EDEM。几何体即部件。

2)为路基1、列车转向架2、轨枕3、钢轨4配置对应的EquipMaterial参数，并更改列车转向架2中的轮对2-1质量，使其和工况轴重一致。

所述EquipMaterial参数包括设置路基1、列车转向架2、轨枕3、钢轨4的泊松比、密度、剪切模量，道砟颗粒与路基1、轨枕3的碰撞恢复系数，道砟颗粒与路基1、轨枕3的静摩擦系数以及滚动摩擦系数。

3)在EDEM中保存文件，设置时间步长、总的仿真时间、每一步保存数据的时间、网格尺寸，同时在RecueDyn中设置时间步长和总的仿真时间，开始进行有砟道床离散元-多体动力学耦合模型联合仿真。

⑤提取仿真结果进行处理并分析该工况下的有砟道床力学特性及力学演化规律，具体为：仿真结束后根据需要可以输出不同位置轨枕3的累积位移、不同位置处道砟颗粒的累积位移、不同时刻不同位置的道砟颗粒速度、有砟道床法向力、不同位置处轨枕3不同时刻与道砟颗粒的轨枕接触数、不同道砟颗粒不同时刻的配位数等力学特性数据，对上述提取的数据进行力学演化规律展示，如使用Origin绘制各项数据的折线图、散点图等，对图像进行细节描述，或使用其他分析工具分析该工况下有砟道床的力学特性及力学演化规律。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (9)

1.一种有砟道床数值模型的循环加载方法，其特征在于，包括：

建立有砟道床结构三维模型；

依据有砟道床结构三维模型，建立有砟道床离散元数值模型；

依据有砟道床结构三维模型，建立有砟道床多体动力学模型并在模型中定义循环加载的驱动；

依据有砟道床离散元数值模型、有砟道床多体动力学模型，建立有砟道床离散元-多体动力学耦合模型并仿真，提取仿真结果。

2.根据权利要求1所述的有砟道床数值模型的循环加载方法，其特征在于，所述有砟道床结构包括路基(1)、列车转向架(2)、轨枕(3)、钢轨(4)；路基(1)上方架设多根平行布置的轨枕(3)且路基(1)、轨枕(3)之间存在间距，轨枕(3)上贴合设置两根呈平行布置的钢轨(4)，钢轨(4)与轨枕(3)垂直，钢轨(4)上设置与钢轨(4)滚动配合的列车转向架(2)。

3.根据权利要求1所述的有砟道床数值模型的循环加载方法，其特征在于，所述依据有砟道床结构三维模型，建立有砟道床离散元数值模型，包括：

将有砟道床结构三维模型导入离散元软件中，获得有砟道床三维结构；

导入道砟颗粒模板或自定义道砟颗粒粒径；

设置道砟颗粒的离散元模型参数；

设置有砟道床结构中路基(1)、列车转向架(2)、轨枕(3)、钢轨(4)的离散元模型参数；

设置道砟颗粒间的碰撞恢复系数、接触参数；设置道砟颗粒与路基(1)、轨枕(3)的碰撞恢复系数，设置道砟颗粒与路基(1)、轨枕(3)的接触参数；

根据有砟道床三维结构设置封闭道床的墙体单元，设置颗粒工厂以生成道砟颗粒离散元模型；

设置颗粒接触模型的基础模型、滚动模型；

设置有砟道床三维结构的计算域、道砟颗粒的重力大小和方向；

设置求解参数并生成道砟颗粒，实现有砟道床离散元数值模型建立；

将现仿真时间t置零后输出t＝0时刻的有砟道床离散元模型。

4.根据权利要求1所述的有砟道床数值模型的循环加载方法，其特征在于，所述依据有砟道床结构三维模型，建立有砟道床多体动力学模型并在模型中定义循环加载的驱动，包括：

将有砟道床结构三维模型导入多体动力学软件中；

在有砟道床结构三维模型基础上，添加约束、运动副、接触及质量；

添加由时间和位移控制的驱动，实现循环加载，实现建立有砟道床多体动力学模型。

5.根据权利要求4所述的有砟道床数值模型的循环加载方法，其特征在于，所述在有砟道床结构三维模型基础上，添加约束、运动副、接触及质量，具体为：

在路基(1)和地面之间添加固定约束；在2根钢轨(4)和首尾2根轨枕(3)接触处添加固定约束；在其余轨枕(3)上添加相对于路基(1)的移动副；在其余轨枕(3)和钢轨(4)之间添加弹簧并设定刚度；在列车转向架(2)的2个轮对(2-1)和连杆(2-2)连接处添加转动副；

在列车转向架(2)的轮对(2-1)与钢轨(4)之间添加实体接触，并设置接触系数；路基(1)、列车转向架(2)、轨枕(3)和钢轨(4)设置为刚体；

对列车转向架(2)的轮对(2-1)赋予不同工况的轴重，将轴重作为两对轮对(2-1)的质量。

6.根据权利要求4所述的有砟道床数值模型的循环加载方法，其特征在于，所述由时间和位移控制的驱动函数EX表达式为：

式中，step表示函数为一个阶跃性的过渡函数，是一个时间-位移函数；time表示函数与时间相关；x₀、x₁、x₂、...、x_t-2、x_t-1、x_t为不同时间值；h为Z方向的正向位移，-h为Z方向的负向位移，其绝对值与h相等。

7.根据权利要求1所述的有砟道床数值模型的循环加载方法，其特征在于，所述依据有砟道床离散元数值模型、有砟道床多体动力学模型，建立有砟道床离散元-多体动力学耦合模型，包括：

在离散元软件中删除原有的几何体，并将多体动力学软件中输出文件导入离散元软件；

为路基(1)、列车转向架(2)、轨枕(3)、钢轨(4)配置对应的EquipMaterial参数，并更改列车转向架(2)中的轮对(2-1)质量，使其和工况轴重一致；

在离散元软件中保存文件，设置第一相关参数，同时在多体动力学软件中设置第二相关参数，开始进行有砟道床离散元-多体动力学耦合模型联合仿真。

8.根据权利要求7所述的有砟道床数值模型的循环加载方法，其特征在于，所述EquipMaterial参数包括设置路基(1)、列车转向架(2)、轨枕(3)、钢轨(4)的泊松比、密度、剪切模量，道砟颗粒与路基(1)、轨枕(3)的碰撞恢复系数，道砟颗粒与路基(1)、轨枕(3)的静摩擦系数以及滚动摩擦系数。

9.一种有砟道床数值模型的循环加载系统，其特征在于，包括：

第一建立模块，用于建立有砟道床结构三维模型；

第二建立模块，用于依据有砟道床结构三维模型，建立有砟道床离散元数值模型；

第三建立模块，用于依据有砟道床结构三维模型，建立有砟道床多体动力学模型并在模型中定义循环加载的驱动；

提取模块，用于依据有砟道床离散元数值模型、有砟道床多体动力学模型，建立有砟道床离散元-多体动力学耦合模型并仿真，提取仿真结果。