Скінченно-елементне моделювання статичної поведінки пружно-пластичної ґрунтової основи при дії рухомого складу
Заголовок (англійською):
. Finite element modeling of the static behavior of an elastic-plastic soil base under the action of rolling stock
Автор(и):
Лук’янченко О.О.
Козак А.А.
Костін Д.Є.
Автор(и) (англ):
Lukianchenko O.O.
Kozak A.A.
Kostin D.Ye.
Ключові слова (укр):
метод скінченних елементів, нелінійна статика, ґрунтова основа, рухомий склад
Ключові слова (англ):
finite element method, nonlinear static, ground base, rolling stock
Анотація (укр):
Запропонована чисельна методика дослідження статичної поведінки ґрунтової основи у геометрично і фізично нелінійній постановці від дії рухомого складу. Математична модель крайової задачі статики баластової призми і ґрунтової основи побудована із застосуванням обчислювальних процедур програми скінченно-елементного аналізу NASTRAN. Розглянуто одношарова і багатошарова моделі основи у вигляді плоского напівпростору. Статична дія рухомого складу подана у вигляді зосередженої сили, прикладеної до баластової призми, від ваги порожнього і завантаженого вагонів вантажного потягу. Для описання пружно-пластичної поведінки одношарової ґрунтової основи застосована модель Мора-Кулона, для багатошарової − модель Друкера-Прагера. Для оцінки пружно-пластичної поведінки ґрунтової основи виконано порівняння результатів лінійного і нелінійного статичних розрахунків двох моделей від двох навантажень. Застосовано метод Н’ютона-Рафсона для дослідження статичних характеристик моделей в нелінійній постановці. Оцінено вплив врахування пружно-пластичних моделей одношарової і багатошарової ґрунтових основ на їх напружено-деформований стан. За рахунок фізичної нелінійності ґрунту в елементах одношарової моделі основи при дії ваги порожнього і завантаженого вагону спостерігалось збільшення деформації за Мізесом відповідно на 15,9% і 16,7%, при цьому пластична деформація склала 20% і 31,4% від загальної деформації, напруження за Мізесом зменшилось на 53,94% і 54,02%. Результати дослідження багатошарової основи при дії ваги порожнього і завантаженого вагону показали, що за рахунок фізичної нелінійності ґрунтів деформації елементів за Мізесом збільшились відповідно на 5,8% і 7,4 %, при цьому пластична деформація склала 54,1% і 54,33% від загальної деформації, напруження за Мізесом зменшилось на 43,45% і 43,34%. Запропонована методика дозволила сформувати розрахункову модель баластової призми і основи та дослідити нелінійне деформування ґрунтів із урахуванням їх пружно-пластичних властивостей при статичній дії рухомого складу.
Анотація (англ):
A numerical method for studying the static behavior of the soil base in a geometrically and physically nonlinear formulation from the action of rolling stock is proposed. A mathematical model of the boundary value problem of the statics of the ballast prism and the soil base is constructed using the computational procedures of the finite element analysis program NASTRAN. Single-layer and multilayer base models in the form of a flat half-space are considered. The static action of the rolling stock is presented in the form of a concentrated force applied to the ballast prism from the weight of empty and loaded freight train cars. To describe the elastic-plastic behavior of a single-layer soil base, the Mohr-Coulomb model is used, and for a multilayer one, the Drucker-Prager model. To assess the elastic-plastic behavior of the soil base, a comparison of the results of linear and nonlinear static calculations of two models from two loads is performed. The Newton-Raphson method is used to study the static characteristics of the models in a nonlinear formulation. The influence of taking into account the elastic-plastic models of single-layer and multi-layer soil bases on their stress-strain state was assessed. Due to the physical nonlinearity of the soil in the elements of the single-layer base model under the action of the weight of an empty and loaded car, an increase in the Mises deformation was observed by 15.9% and 16.7%, respectively, while the plastic deformation was 20% and 31.4% of the total deformation, the Mises stress decreased by 53.94% and 54.02%. The results of the study of the multilayer base under the action of the weight of an empty and loaded car showed that due to the physical nonlinearity of the soils, the Mises deformation of the elements increased by 5.8% and 7.4%, respectively, while the plastic deformation was 54.1% and 54.33% of the total deformation, the Mises stress decreased by 43.45% and 43.34%. The proposed methodology allowed us to form a computational model of the ballast prism and base and to investigate the nonlinear deformation of soils taking into account their elastic-plastic properties under the static action of rolling stock.
Публікатор:
Київський національний університет будівництва і архітектури
Назва журналу, номер, рік випуску (рус):
Опір матеріалів і теорія споруд, 2025, номер 115
Назва журналу, номер, рік випуску (англ):
Strength of Materials and Theory of Structures, 2025, number 115
Мова статті:
Українська
Формат документа:
application/pdf
Дата публікації:
23 Декабрь 2025
Номер збірника:
Університет автора:
Kyiv National University of Construction and Architecture, 31 Povitryanykh Syl Avenue, Kyiv, 03037, Ukraine
References:
- Lebedev, A.A., Kovalchuk, B.I., Hygyniak, F.F., Lamashevskyi, V.P. Mechanical properties of structural materials under complex stress states. Kyiv: In Yure, 2003. 540 p.
- Datsiuk D., Kupchuk I. (2024). Review of modern approaches to material strength assessment // Herald of Khmelnytskyi National University. Technical Sciences, 343(6(1), 90-95.
- Rudakov K.N. FEMAP 10.2.0. Heometrycheskoe y konechno-еlementnoe modelyrovanye konstruktsyi [Geometrical and finite-element design of constructions]б K: NTTU KPY, 2011, 317 s. (rus).
- Lukianchenko O.O., Kostina O.V., Geraschenko O.V. Influence of loading is from a rolling stock on the dynamic behavior of multi-storey building // Strength of Materials and Theory of Structures: Sci.-Tech. Coll. – Kyiv: KNUBA, 2014. – Issue 93. – Р. 100-109.
- Lukianchenko O.O., Kozak A.A., Kostin D.Ye. Analysis of dynamic behavior of a multi-storey frame building in the railway traffic area // Strength of Materials and Theory of Structures: Sci.-Tech. Coll. – Kyiv: KNUBA, 2025. – Issue. 114. – Р. 127-134.