基于車輛耦合系統(tǒng)下的瀝青路面結(jié)構(gòu)行為仿真分析.pptVIP

基于車路耦合系統(tǒng)下的 瀝青路面結(jié)構(gòu)行為仿真分析,道路工程研究所 路橋檢測中心 李正中 鄧國瑞 2011年12月24日,研究背景及意義 項目特點 國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài) 研究內(nèi)容及思路 技術(shù)框架及路線 課題進(jìn)展情況 合作倡議,匯 報 內(nèi) 容,研究范疇 車路耦合系統(tǒng)下的路面結(jié)構(gòu)動力學(xué)問題 研究思想 將車輛系統(tǒng)和道路系統(tǒng)視為相互影響、相互作用、相互耦合的整體大系統(tǒng)，將輪胎與路面的相互作用關(guān)系作為連接兩個子系統(tǒng)的紐帶，綜合考慮車輛在阻尼道路結(jié)構(gòu)上的動態(tài)運行行為、車輪與路面的動態(tài)相互作用特性以及車輛對路面結(jié)構(gòu)的動力作用規(guī)律，系統(tǒng)研究路面結(jié)構(gòu)在車輛運動荷載下的力學(xué)響應(yīng)情況，以此指導(dǎo)路面結(jié)構(gòu)層位功能分析及材料設(shè)計。,1 研究背景及意義,研究出發(fā)點 路面力學(xué)計算所采用的加載模式與車輛對道路的實際作用情況 相差太大，難以反映道路結(jié)構(gòu)在實際行車荷載下的力學(xué)行為,1 研究背景及意義,車輛與道路的實際作用情況： 由于車輛自身的振動作用以及路面平整度的不規(guī)則變化，車輛行駛時，車輪實際上是以一定的頻率和振幅在路面上振動，這種振動與路面平整度及行車參數(shù)有一定關(guān)系，而且反過來也會影響對路面施加的作用力，從而在道路和車輛之間產(chǎn)生耦合作用。也就是說，在車輛行駛過程中，車輛外加荷載與路面各參數(shù)之間是相互影響和相互作用的。,路面力學(xué)計算所采用的加載模式： 1 靜載模式無法描述路面結(jié)構(gòu)在動荷載作用下所產(chǎn)生的疲勞開裂等現(xiàn)象 2 簡單的動載模式（固定波形固定頻率下的動載）與路面結(jié)構(gòu)實際所受的行車荷載差異太大，完全未考慮行車參數(shù)及路面表面特征對行車荷載的反饋影響,學(xué)科交叉，主要涉及道路工程和車輛工程兩個領(lǐng)域 新穎、復(fù)雜，動力學(xué)問題，對力學(xué)分析和數(shù)值計算能力要求高 基礎(chǔ)性強，所建立的車路耦合系統(tǒng)力學(xué)分析模型屬于平臺搭建，在此平臺上可以繼續(xù)深化研發(fā)（如補充溫度場耦合、水力場耦合等，構(gòu)建以車路耦合為基礎(chǔ)的多相耦合分析系統(tǒng)），更深入地研究路面結(jié)構(gòu)在行車荷載及自然環(huán)境下的實際力學(xué)行為，從而提升路面結(jié)構(gòu)與材料一體化設(shè)計的層次 涉及計算分析工具： 有限元分析軟件（ANSNY/ABAQUS） 矩陣算法及仿真分析軟件（MATLAB）,2 項目特點,我國路面設(shè)計將標(biāo)準(zhǔn)軸載簡化為單圓或雙圓均布荷載進(jìn)行計算，顯然 未考慮車輛對路面的動態(tài)相互作用，即使考慮動態(tài)作用，也只限于在 靜力設(shè)計的基礎(chǔ)上根據(jù)經(jīng)驗用沖擊系數(shù)進(jìn)行修正。 目前，國內(nèi)學(xué)者在車路耦合作用方面的研究相對較少，而且主要集 中在車輛工程和道路工程各自領(lǐng)域內(nèi)。,3 國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài),車輛工程領(lǐng)域：把路面不平整度作為一種隨機(jī)激勵來求解車輛在這種激勵下產(chǎn)生的動態(tài)響應(yīng)，從而優(yōu)化車輛設(shè)計參數(shù)。,道路工程領(lǐng)域：直接建立一種固定的車輛荷載模型（通常是將車輛荷載看成正弦波形式的荷載），然后研究路面結(jié)構(gòu)在這種固定荷載模型下的動力響應(yīng)，從而優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)設(shè)計。,上述方法都沒有將道路工程與車輛工程作為整體系統(tǒng)來考慮，沒有考慮車路之間的耦合作用關(guān)系，對路面結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的分析計算不能真實反映實際情況。,國內(nèi)研究狀況 從數(shù)量看：研究較少、相關(guān)文獻(xiàn)較少 從深度和發(fā)展看：日益得到重視 從區(qū)域看：主要集中于東南大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、長安大學(xué)等 典型文獻(xiàn)及研究內(nèi)容,3 國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài),基于車路耦合系統(tǒng)的路面動力學(xué)分析必將成為路面力學(xué)計算的主流,鐘陽，王哲人.不平整路面上行駛的車輛對路面隨機(jī)動壓力的分析.中國公路學(xué)報.1992 主要內(nèi)容：把汽車簡化為兩自由度和五自由度體系，考慮不平整路面上行駛的車輛對路面產(chǎn)生的隨機(jī)動壓力問題，初步分析了車輛荷載和行車速度的關(guān)系,黃曉明.路面動荷載與路面平整度的隨機(jī)關(guān)系分析.東南大學(xué)學(xué)報.1993 主要內(nèi)容：從理論上分析了路面平整度與路面所受動荷載之間的關(guān)系，通過實例分析了輪胎剛度、汽車速度及路面平整度對車輛沖擊系數(shù)的影響,孫璐，鄧學(xué)鈞.車輛一路面相互作用產(chǎn)生的動力荷載.東南大學(xué)學(xué)報.1996 主要內(nèi)容：分析了路面在“運動的確定或隨機(jī)荷載激勵”下的路面響應(yīng)問題,葛劍敏，鄭聯(lián)珠.路面特性對車輛振動影響規(guī)律研究中國公路學(xué)報. 2004 主要內(nèi)容：對軟路面上車輛的各向振動進(jìn)行研究，通過進(jìn)行單因素（路面平整度、胎壓、路面抗壓強度和牽引負(fù)荷）分析，確定對車輛振動影響顯著的因素及影響規(guī)律。,呂彭民,尤晉閩.路面隨機(jī)不平度下車輛對路面的動載特性.交通運輸工程學(xué)報.2007 主要內(nèi)容：采用快速傅里葉逆變換法對路面隨機(jī)平整度進(jìn)行時域模擬，建立1/2車輛動力學(xué)模型，應(yīng)用龍格-庫塔法分析路面等級、車速、載質(zhì)量和車輛參數(shù)對路面動載荷的影響，研究了車輛產(chǎn)生的動載荷規(guī)律。,羅紅，梁波，蘇世毅.車輛 - 道路垂向耦合動力分析模型 . 重慶交通大學(xué)學(xué)報 .2008 主要內(nèi)容：建立車輛動力學(xué)模型，采用ANSYS有限元建立路面力學(xué)模型，對車輛振動方程和道路振動方程聯(lián)立方程組并進(jìn)行解耦計算，初步建立垂向動力耦合動力分析模型。,蘇世毅.考慮路面平整度因素的車-路耦合系統(tǒng)動力特性分析/碩士. 重慶交通大學(xué).2006 吳志華.基于車路耦合系統(tǒng)下的道路友好特性研究/碩士. 重慶交通大學(xué).2008 主要內(nèi)容：基于1/4車輛動力學(xué)模型和ANSYS所構(gòu)建的路面動力學(xué)計算模型，以車輛輪胎與道路接觸作為耦合條件，對車路耦合方程組進(jìn)行解耦，并計算路面參數(shù)對行車舒適性和路面力學(xué)行為的影響。,國外研究狀況 基于車路耦合相互作用的分析和研究已引起普遍重視，并已開展 了較多的研究工作，尤其是美國從1987年至1993年先后投資近7.5 億美元用于開展高速公路靜態(tài)和動態(tài)性能的研究，其中動態(tài)性能研究 主要集中于車輛相互作用方面，其主要思路是將車輛模型和道路 模型分開建模，借助振動系統(tǒng)理論，分析運動的點源隨機(jī)荷載下 的路面力學(xué)響應(yīng)問題。上述研究普遍考慮了車輛參數(shù)對路面的動載 影響以及由此而引起的路面應(yīng)力、應(yīng)變響應(yīng)的影響，并指導(dǎo)國內(nèi)的 相關(guān)研究工作。,3 國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài),國外路面設(shè)計已逐步采用動載作用下的試驗參數(shù),研究內(nèi)容 1 構(gòu)建車路耦合系統(tǒng)力學(xué)分析模型 建立車輛動力分析模型+動力平衡方程 建立道路動力分析模型+動力平衡方程 車路耦合系統(tǒng)激勵方式（路面平整度）的數(shù)學(xué)仿真 車路耦合系統(tǒng)動力平衡方程組的建立及解耦計算 2 基于模型進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析計算 路表彎沉+層底彎拉應(yīng)力+層間抗剪強度 沿路面深度及寬度內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)分布情況 研究思路 構(gòu)建車路耦合系統(tǒng)力學(xué)分析模型是重中之重 車路耦合系統(tǒng)力學(xué)分析模型是所有計算的基礎(chǔ)和平臺 構(gòu)建模型應(yīng)從簡單處從大處入手，逐步修正，逐步完善 路面力學(xué)響應(yīng)分析的指導(dǎo)性要強，針對性明確,4 主要研究內(nèi)容及思路,技術(shù)框架 在調(diào)研大量資料的基礎(chǔ)上嘗試構(gòu)建車路耦合系統(tǒng)力學(xué)分析模型 基于對路面結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的已有認(rèn)識來修正和完善新的模型 基于新的模型對路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)重新進(jìn)行計算 技術(shù)路線 建立車輛動力分析模型+動力平衡方程 考慮研究既簡單又符合實際，采用1/2車的四自由度車輛模型 建立車輛動力平衡方程時，僅考慮豎向振動 建立道路動力分析模型+動力平衡方程 考慮材料的非線性特性和軟件差異，選擇ABAQUS進(jìn)行有限元計算 車路耦合系統(tǒng)激勵方式（路面平整度）的數(shù)學(xué)仿真 基于功率譜密度，采用諧波疊加法進(jìn)行路面平整度數(shù)據(jù)的隨機(jī)仿真 車路耦合系統(tǒng)動力平衡方程組的建立及解耦計算 根據(jù)輪胎與路面的位移相容條件對兩個振動方程進(jìn)行解耦計算,5 研究框架及技術(shù)路線,通過調(diào)研相關(guān)文獻(xiàn)資料，細(xì)化研究內(nèi)容，確定思路及技術(shù)路線 通過交流探討，初步搭建本課題研究團(tuán)隊及技術(shù)分工 通過分析比選，確定本課題用車輛振動模型及豎向動力平衡方程 已基于ABAQUS建立路面結(jié)構(gòu)有限元計算模型 初步掌握基于諧波疊加法進(jìn)行路面平整度的數(shù)學(xué)仿真生成 后續(xù)研究 車輛動力