(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211224770.5 (22)申请日 2022.10.09 (71)申请人 中国铁路 设计集团有限公司 地址 300308 天津市滨 海新区自贸试验区 (空港经济区)东七道109号 申请人 中南大学　天津大学 (72)发明人 苏伟　王雨权　国巍　廖立坚　 李林安　管仲国　李艳　闻济舟　 郑志平　杨智慧　刘龙　傅安民　 (74)专利代理 机构 天津浆果知识产权代理事务 所(普通合伙) 12240 专利代理师 王龑 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 30/13(2020.01)G06F 17/18(2006.01) G06F 17/11(2006.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 地震作用下高速铁路桥上行车数字孪生精 细协同仿真方法 (57)摘要 本发明公开了一种地震作用下高速铁路桥 上行车数字孪生精细协同仿真方法， 包括以下步 骤： 建立上部结构子系统数字孪生仿真计算模 型； 建立下部结构子系统数字孪生仿真计算模 型； 建立轨道不平顺数字孪生仿真计算模块； 得 到在轮轨接触面的耦合动力关系； 建立地震波数 字孪生仿真计算模块； 得到上部结构子系统与下 部结构子系统之间的数字孪生耦合动力关系； 建 立弹塑性纤维梁柱单元数字孪生地震仿真分析 模块； 得到高速列车运行数字孪生安全评价指 标。 本发明能够针对地震作用下高速铁路桥上行 车数字孪生精细协同仿真进行数字化构建， 解决 地震作用下高速铁路桥上行车物理模型与数据 驱动模型精准映射建模、 设计、 分析、 诊断、 决策 的底层关键技 术问题。 权利要求书3页 说明书11页 附图5页 CN 115292972 A 2022.11.04 CN 115292972 A 1.地震作用下高速铁路桥上行车数字孪生精细协同仿真方法， 其特征在于： 包括以下 步骤： （A） 建立上部结构子系统数字 孪生仿真计算模型； （B） 建立下部结构子系统数字 孪生仿真计算模型； （C） 建立轨道不平顺数字 孪生仿真计算模块； （D） 基于上部结构子系统数字孪生仿真计算模型、 轨道不平顺数字孪生仿真计算模块， 得到列车和轨道在轮轨 接触面的耦合动力关系； （E） 建立 地震波数字孪生仿真计算模块； （F） 基于上部结构子系统数字孪生仿真计算模型、 下部结构子系统数字孪生仿真计算 模型、 得到上部结构子系统与下部结构子系统之间的数字 孪生耦合动力关系； （G） 针对下部结构子系统数字孪生仿真计算模型， 建立弹塑性纤维梁柱单元数字孪生 地震仿真 分析模块； （H） 得到高速列车运行 数字孪生安全评价指标。 2.根据权利要求1所述的地震作用下高速铁路桥上行车数字孪生精细协同仿真方法， 其特征在于： 步骤 （A） 建立上部结构子系统数字 孪生仿真计算模型， 具体过程如下： 首先， 高速列车根据拉格朗日方程原理建立振动运动方程； 然后， 无砟轨道中的扣件、 轨枕、 道床板采用参振质量的形式进行模拟； 再后， 无砟轨道中的钢轨采用带刚臂单 元模拟； 最后， 桥梁 梁体采用带刚臂单 元联合变截面空间梁单 元模拟。 3.根据权利要求1所述的地震作用下高速铁路桥上行车数字孪生精细协同仿真方法， 其特征在于： 步骤 （B） 建立下部结构子系统数字 孪生仿真计算模型， 具体过程如下： 首先， 支座采用支座模型进行模拟； 然后， 桥墩采用弹 塑性纤维梁柱单 元模拟， 并对桥墩的横截面进行网格划分； 最后， 建立包 含弹塑性梁柱单 元的下部结构子系统动力方程。 4.根据权利要求3所述的地震作用下高速铁路桥上行车数字孪生精细协同仿真方法， 其特征在于： 桥墩采用弹 塑性纤维梁柱单 元模拟过程中， 还 包括以下 过程： 首先， 桥墩混凝 土和桥墩钢筋分别赋予混凝 土纤维和钢筋纤维对应的本构模型； 然后， 桥墩混凝 土纤维采用K ent‑Scott‑Park混凝 土本构模型进行模拟； 最后， 桥墩钢筋纤维采用修 正梅内戈托与平托模型进行模拟。 5.根据权利要求1所述的地震作用下高速铁路桥上行车数字孪生精细协同仿真方法， 其特征在于： 步骤 （C） 建立轨道不平顺数字 孪生仿真计算模块， 具体过程如下： 将各类无砟 轨道不平顺功率谱密度函数转换成 随机轨道不平顺 时程曲线， 从而使无砟 轨道不平顺作为车桥耦合分析系统的自激励； 将计算得到的无砟 轨道不平顺 时程曲线作用于步骤 （A） 建立的上部结构子系统数字孪 生仿真计算模型中， 是上部结构子系统数字孪生仿 真计算模型中高速列车与无砟轨道之间 相互作用的激励源。 6.根据权利要求1所述的地震作用下高速铁路桥上行车数字孪生精细协同仿真方法， 其特征在于： 步骤 （D） 基于上部结构 子系统数字孪生仿 真计算模型、 轨道不平 顺数字孪生仿 真计算模块， 得到列车和轨道在轮轨 接触面的耦合动力关系， 具体过程如下：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115292972 A 2首先， 以上部结构子系统中的高速列车轮和下部结构子系统中的无砟 轨道之间的接触 为界面； 然后， 高速列车和无砟轨道在轮轨接触点通过位移协调和轮轨相互作用力相互联系， 接触点求解过程中 需代入步骤 （C） 计算得到的无砟轨道随机不平顺时程曲线； 再后， 轮轨相互作用力中的轮轨法向力采用非线性赫兹接触理论， 轮轨相互作用力中 的轮轨切向蠕滑力采用Kal ler理论； 最后， 将求解得到的轮轨相互作用力代入步骤 （A） 建立的上部结构子系统数字孪生仿 真计算模型中。 7.根据权利要求1所述的地震作用下高速铁路桥上行车数字孪生精细协同仿真方法， 其特征在于： 步骤 （E） 建立 地震波数字孪生仿真计算模块， 具体过程如下： 首先， 可采用人工合成地震 波的方法， 建立 地震波数字孪生仿真计算模块； 然后， 可采用天然地震 波调整法， 建立 地震波数字孪生仿真计算模块； 最后， 将地震波数字孪生仿真计算模块计算得到的随机地震波代入步骤 （B） 建立的下 部结构子系统数字 孪生仿真计算模型中。 8.根据权利要求1所述的地震作用下高速铁路桥上行车数字孪生精细协同仿真方法， 其特征在于： 步骤 （F） 基于上部结构 子系统数字孪生仿 真计算模型、 下部结构 子系统数字孪 生仿真计算模型、 得到上部结构子系统与下部结构子系统之间的数字孪生耦合动力 关系， 具体过程如下： 首先， 以步骤 （A） 建立的上部结构子系统与步骤 （B） 建立的下部结构子系统之间以支座 处为边界； 然后， 运用支座处力的平衡和位移协调条件， 根据 上一时程上部结构子系统位移量， 计 算出上部结构子系统作用于边界处的荷载； 再后， 步骤 （B） 建立的下部结构子系统接受上部结构子系统传递的荷载； 最后， 将传递的荷载代入步骤 （B） 建立的动力方程求解对应的动力位移响应， 并将该位 移响应传递回步骤 （A） 建立的上部结构子系统作为下一个时程的位移量， 如此循环直至结 束。 9.根据权利要求1所述的地震作用下高速铁路桥上行车数字孪生精细协同仿真方法， 其特征在于： 步骤 （G） 建立弹塑性纤维梁柱单元数字孪生地震仿真分析模块， 具体过程如 下： 首先， 利用Newton ‑Raphson迭代算法对步骤 （B） 所涉及的桥墩弹塑性纤维梁柱单元进 行仿真分析； 然后， 分别计算出桥墩在指定地震波情况下的动力响应及对应的各部位钢筋、 混凝土 应力应变指标， 判别是否进入延性状态； 最后， 分别计算出梁体在指定地震波情况下的动力响应及对应的各部位钢筋、 混凝土 应力应变指标， 判别是否进入延性状态。 10.根据权利要求1所述的地震作用下高速铁路桥上行车数字孪生精细协同仿真方法， 其特征在于： 步骤 （H） 得到高速列车运行 数字孪生安全评价指标， 具体过程如下： 首先， 得到地震情况下步骤 （A） 建立的上部结构子系统中的车桥耦合动力响应的计算 结果；权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115292972 A 3