危岩落石被动防护数值仿真分析

论文摘要

危岩落石是山区铁路频发的一种地质灾害,常对铁路的运营构成极大威胁。柔性被动防护技术是一种有效的危岩落石防护措施,且具有防护能量高、造价低和对场地适应性强等优点,因而得到了广泛的应用。本文结合成（都）兰（州）铁路典型地质灾害自动监测与报警技术研究科研项目,开展危岩落石被动防护研究,为光纤光栅技术在危岩落石自动监测报警中的应用提供技术支撑,对确保铁路安全运营具有重大意义。本文从结构和力学的角度,采用综合调研和数值分析方法,重点研究了落石与被动网的相互作用力学机理、动力响应,以及被动网的防护失效模式,并对光纤光栅实时监测报警系统所需的临界值进行了探讨,主要包括以下工作：（1）综合调研和分析了国内外在地质灾害监测特别是危岩落石监测领域的研究现状。详细介绍了被动防护技术以及光纤光栅技术在工程监测中的应用情况。（2）总结了危岩落石被动防护的五种防护失效模式,包括：钢丝绳网被落石击穿、落石碰撞被动网顶端并越过防护网、钢柱屈曲失稳破坏、减压环失效和整体倾覆。（3）简略介绍了ANSYS/LS-DYNA软件及显式分析理论,重点阐述了柔性被动网有限元仿真模型的建立过程。包括被动网原型的规格和系统构成、单元和材料模型选择、网格单元划分、约束及荷载条件、接触定义及算法以及计算控制技术。（4）利用ANSYS/LS-DYNA,以市场上最常用的RX-050型被动网为原型,建立了三维有限元仿真模型。考虑了四种动能级别和三种冲击模式,综合分析了被动网构件能量、钢绳轴力、网体变形、落石速度和加速度、钢柱内力和位移的变化规律。分析结果表明：侧拉绳、支撑绳的轴力以及钢柱在x轴方向位移反应灵敏,可以考虑作为报警因子。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 地质灾害监测预警技术
• 1.2.2 危岩落石地质灾害研究
• 1.3 柔性防护技术概述
• 1.4 主要目的和研究内容
• 第2章 光纤光栅监测预警技术概述
• 2.1 引言
• 2.2 光纤光栅传感技术概述
• 2.3 光纤光栅传感器工作原理
• 2.4 光纤光栅异物侵限监测技术概述
• 2.5 光纤光栅落石监测技术需要解决的关键问题
• 2.6 本章小结
• 第3章 危岩落石被动防护失效模式研究
• 3.1 引言
• 3.2 研究防护失效模式的意义
• 3.3 危岩落石被动防护失效模式分析
• 3.3.1 钢丝绳网被落石击穿
• 3.3.2 落石碰撞网体顶部并越过防护网
• 3.3.3 钢立柱屈曲失稳破坏
• 3.3.4 减压环失效
• 3.3.5 整体倾覆
• 3.4 本章小结
• 第4章 危岩落石被动防护数值仿真计算
• 4.1 引言
• 4.2 ANSYSY/LS-DYNA软件及显式分析理论
• 4.2.1 ANSYSY/LS-DYNA软件的应用领域
• 4.2.2 ANSYSY/LS-DYNA软件的功能特点
• 4.2.3 ANSYSY/LS-DYNA显式分析理论
• 4.3 被动网模型的基本概况
• 4.4 单元类型的选择
• 4.5 材料模型的选择
• 4.6 网格划分控制
• 4.7 约束与荷载条件
• 4.8 接触定义与接触算法
• 4.9 计算控制技术
• 4.9.1 沙漏控制
• 4.9.2 质量缩放
• 4.9.3 子循环
• 4.10 本章小结
• 第5章 计算结果与数据分析
• 5.1 能量分析
• 5.2 钢绳轴力分析
• 5.2.1 钢丝绳网轴力分析
• 5.2.2 支撑绳轴力分析
• 5.2.3 侧拉绳轴力分析
• 5.2.4 上拉绳轴力分析
• 5.2.5 下拉绳轴力分析
• 5.3 网体最大变形量分析
• 5.3.1 落石冲击网体中心
• 5.3.2 落石冲击网体1/4跨位置
• 5.3.3 落石冲击网体上边缘
• 5.3.4 三种工况的对比分析
• 5.4 有效防护高度分析
• 5.4.1 落石冲击网体中心
• 5.4.2 落石冲击网体1/4跨位置
• 5.4.3 落石冲击网体上边缘
• 5.4.4 三种工况的对比分析
• 5.5 速度与加速度分析
• 5.6 钢柱内力及位移分析
• 5.7 本章小结
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文