沥青路面加速加载试验的动力学仿真研究.pdf

摘要 沥青路面的抗破坏能力一直是业内人士关注的焦点，因此针对此项指标进行的沥青 路面加速加载试验也显得尤为重要。a l f 试验仪是用于沥青路面加速加载试验的专用设 备，使用a l f 试验仪进行沥青路面加速加载试验，能够缩短试验周期、降低试验成本， 简化试验步骤，为沥青路面加速加载试验的开展提供了可靠的设备支持。 本文依托于甘肃省重载沥青路面加速加载试验，获得了a l f 试验仪的部分结构参数 以及试验沥青路面的结构与性能参数，利用计算机虚拟样机软件a d a m s 建立a l f 试验仪 加载部分的计算机模型，仿真计算了a l f 试验仪在不同工况下对沥青路面的动载荷作用 力，并分析其变化规律；另外对已有的沥青路面多层体动力响应计算机模型进行修改， 将计算出来的不同工况下的动载荷作用力结果加载到沥青路面的模型上，计算出在不匣 工况下产生的动载荷作用力的激扰下，沥青路面面层底部的动力响应结果，并分析其变 化规律。最后将试验结果与计算结果进行对比，从而验证模型的准确性。 关键词：沥青路面加速加载试验，a l f 试验仪，沥青路面，仿真，a d a m s ，动载荷， 动力响应 a b s t r a c t a st h ea n t id e s t r u c t i v ec a p a b i l i t yo fa s p h a l tp a v e m e n ti sc o n c e m e db yi n s i d ee x p e r t sn o w , t h ea p t ( a c c e l e r a t e dp a v e m e n tt e s t ) b e c o m e sm o r ei m p o r t a n t a l f ( a c c e l e r a t e dl o a d i n g f a c i l i t y ) i st h es p e c i a le q u i p m e n tf o ra p t , w h i c hc a ns h o r tt h et e s tp e r i o d ，r e d u c ec o s t ， s i m p l i f ys t e p so f a p ta n dg i v ear e l i a b l es u p p o r te q u i p m e n tf o ra p t s o m es t r u c t u r ep a r a m e t e r so fa l fa n dt h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h et e s t i n gr o a d a lea c q u i r e df r o mt h eh e a v yl o a da s p h a l tp a v e m e n tt e s ti ng a n s up r o v i n c e t h es i m u l a t i n g m o d e lo fa l fi se s t a b l i s h e db yt h es o f t w a r ea d a m s ，t h ed y n a m i cl o a d st h a ta l f sw h e e l a c t so nt h et e s t i n gr o a da r es i m u l a t e da td i f f e r e n ts p e e da n da x l el o a dc o n d i t i o n s t h ec h a n g e l a wi sa n a l y z e d i na d d i t i o n ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t su n d e rm o v i n gl o a d sa r el o a d e do n t ot h e d y n a m i cr e s p o n s em o d e lo fv i s c o e l a s t i cm u l t i l a y e rw h i c hi sm o d i f i e dt h ea s p h a l tp a v e m e n t ， a n dt h ed y n a m i cr e s p o n s er e s u l t so fa s p h a l tp a v e m e n ta l ec a l c u l a t e da n da n a l y z e du n d e rt h e d i f f e r e n tm o v i n gl o a d s c o m p a r e dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sw i t ht h et e s t i n gr e s u l t s ，t h ea c c u r a c y o ft h em o d e l si sv e r i f i e d k e yw o r d s ：a p t ,a l f ， a s p h a l tp a v e m e n t ，s i m u l a t i o n ，a d a m s ， d y n a m i cl o a d ，d y n a m i cr e s p o n s e 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：缈亥绍 2c ，矿7 年，月z 罗日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) z 0 0 7 年歹月z 厂日 1 讣胁日 长安人学硕i ：学位论文 1 1 课题提出的背景和意义 第一章绪论 一个国家交通的发达与否是其经济实力的体现，交通对于国家好比血脉对于人 体。交通事业的发展加速着一个国家经济建设的速度，给国家的富强注入着新的活力。 我国的交通事业的快速发展为我国的经济发展做出了突出的贡献。 但是随着经济的发展，对交通的需求也日益提高。目前世界各国的公路交通都突 出的表现为交通运输量大，汽车轴数、轴重增加，车速加快。伴随着这些现象，一方 面提高了运输效率、降低了运输成本，另一方面却加速了路面的破坏，大大地降低了 路面的使用寿命。 造成路面尤其是高等级沥青路面破坏的原因有很多。通过对目前国内外研究的总 结，造成沥青路面破坏的主要原因有以下四种：( 1 ) 路面结构的设计不合理，结构选 用材料不当：( 2 ) 路面施工质量控制不严格：( 3 ) 车辆超载超速、大吨位车辆的碾压： ( 4 ) 水损坏以及气温的变化。综合分析上述原因可以看到，前三种因素属于人为 的可以控制的元素，通过人为的改变与控制可以减少甚至消除这些因素对路面的影 响；最后一种因素属于客观或者自然环境因素的影响，是不可避免的影响因素。 为了提高沥青路面的性能，延长沥青路面的使用寿命。国内外的相关科研人员及 机构开展了针对对沥青路面耐久性能的大量研究。针对以上的原因，尤其是车辆的超 载超速、水损坏、气温，科研人员做了大量的试验，来分析不同结构，不同材料的沥 青路面抵抗上述破坏因素的能力。为今后的公路建设起到指导作用，延长公路尤其是 高速公路的使用寿命从而减少了维修成本和次数，提高运输效率 加速加载试验( a c c e l e r a t e dp a v e m e n tt e s t 简称a p t ) 是目前国际上众多对沥 青路面性能测试的一种最为有效地方法。众所周知，往复循环作用在沥青路面上的移 动载荷是造成沥青路面破坏的主要原因，在车辆载荷的往复循环作用下，沥青路面会 产生车辙、裂纹、坑槽、网裂【2 】等不同形式的破坏。加速加载试验就是通过改变作用 在路面上移动载荷的大小与速度来测试沥青路面的性能参数与抗破坏能力。在有些地 区，为了使试验更具有针对性，试验过程中还会对沥青路面所处地的自然环境如温度、 降雨进行模拟，这样试验结果就更具有指导意义。目前国内外在进行加速加载试验时 大多是通过修筑室内或室外的试验路( 场) ，以重型货车为移动载荷，通过改变车辆 第一章绪论 的移动速度和轴载质量，让其在试验路面上反复碾压，从而获得试验结果。但是在试 验过程中，以重型货车作为移动载荷的试验受到了人为因素的干扰，如驾驶人员的操 作水平及判断能力会影嗡到试验的准确性。另外改变重型货车的移动速度与轴载质量 需要消耗大量的时间与费用，使试验耗资大、试验周期长、试验场地很大。因此以重 型货车作为试验中的移动载荷的试验受试验条件的费用限制，不能轻易进行。 鉴于上述原因，一些国家开发并研制了专门用于加速加载试验的设备，以这种专 用设各替代重型货车作为试验过程中的移动载荷，不仅解决了上述问题，而且设备中 的一些特殊功能模块还能够使得研究人员对沥青路面的性能进行更深一步的研究。目 前世界上的加速加载试验设备主要有三种产品，分别是澳大利亚研制生产的a l p ( 图 l _ 1 ) 、南非研制美国生产的h v s 以及南非研制生产的m l s 设备。笔者此次所参与的沥 青路面的加速加载试验是以澳大利亚研制生产的a l p 试验仪为试验设备，在此主要以 a l p 试验仪作为本论文的研究对象。 圈1 1a l f 试验仅 a l f ( a c c e l e r a t e dl o a d i n gf a c i l i t y ) 试验仪( 图i 1 ) ，是一种可移动式的足 尺路面试验系统，可对路面施加可控制的车轮载荷、速度，在足尺试验路或路网宴体 工程上、模拟实际交通载荷对路面结构的作用。其特点是通过可控制的速度与试验轴 载对路面进行加速加载试验，比汽车试验能够更好的对试验条件进行控制较室内试 验更为真实、更接近自然环境条件模拟较长时间内实际交通载荷对路面结构的破坏作 用，而且其可移动性能满足不同自然气候条件和区域的试验研究工作1 3 l 。a l p 试验仪 的加载部分( 图1 2 ) 模拟的是四分之一车辆对路面的作用，是其主要的工作部分。 k 安上学巅十学位论文 设备的结构限制了其加载部分只雒沿一个方向运动，这就避免了以重型货车作为试验 用移动载荷所造成的碾压过程中的位移误差，a l f 试验仪的操控通过p l c 来实现t 受 环境因素的影响较小，可以在恶劣的环境条件下展开试验为试验的进一步研究创造 了有利设备支持。另外设备有专门的模块来改变行驶速度与轴载，这样就大大的节省 了试验周期。根据对美国高速公路交通量的统计，a l f 试验仪可以在6 个月内模拟出 美国高速公路2 0 年的交通载荷量1 4 j ，这就大大缩短了试验时间，节约了试验成本t 提高了效率。 图1 , 2 a l f 试验仪加载部分 用a l f 试验仪进行路面加速加载试验，为道路耐久性试验的进行提供了可靠的技 术保障，所以越来越多的国家开始使用这种设备进行本国的路面试验研究。为了更好 地研究移动载荷下沥青路面的动力响应，本文以a l f 试验仪为研究对象，建立了a l f 试验仪加载过程中的动力学模型，仿真出了a l f 试验仪对试验路的动载荷作用力，并 以此载荷为激励计算出路面动力响应，将仿真结果与试验结果进行对比，以验证和完 善仿真模型。希望这项研究能够为今后的加速加载试验提供一些参考。 1 2 国内外研究现状 目前世界各国为了提高沥青路面的性能，都在沥青路面加速加载试验方面投入了 大量的人力与财力。作为世界上经济科技实力照雄厚、公路交通与航空运输最发达的 国家，美国从1 9 8 7 年开始，投资1 5 亿美元用于开展“战略公路计划”( s t r a t e g i c h i g h ) a yr e s e a r c hp r o g r a m ，简称s h r p 计划哪) 。该计划于1 9 9 2 年结柬后，国会又 追加投资7 亿美元用于路面长期性能观测，其中相当大的部分用于路面的加速加载试 第一章绪论 验研究。目前美国捌有m n d o t 、w e s t r a c k 、n c a t 、a s n o 等多处试验路段1 3 1 ，通过这些 试验结果的研究，对当前繁重交通作用下地面结构的设计有着非常主要的指导意义。 以美国的联邦公路局( f h w a ) 为例。此机构承担着美国沥青路面摊铺与施工的领 导作用，目前此机构拥有两台a l f 试验仪，通过铺设不同材料、不同结构的沥青试验 路( 场) ，配合a l f 试验仪进行沥青路面的加速加载试验，在试验过程中，他们在沥 青路面层间的粘结、热沥青混合料性能，沥青路面的抗破坏能力等方面的研究取得了 巨大的成就【4 】，为美国的交通事业，尤其是高速公路的建设起到了很好的指导作用。 我国的公路交通，尤其是高等级公路的建设起步较晚，上世纪八十年代以前，我 国的公路建设水平一直停留在城乡普通公路建设的水平上。自1 9 8 8 年沈大、沪嘉高 速公路建成通车以来，我国的进入了以高速公路、一级公路等高等级公路为主的崭新 时代，2 0 世纪9 0 年代以来，我国的高等级公路建设更是日新月异，2 0 0 7 年底，我国 高速公路里程居世界第二，总里程已达5 3 6 万公里。并且“十一五“ 期间将再修2 4 万公里，到目前为止我国公路建设方面成就斐然。这些成就加速了我国现代化事业建 设的步伐。为了更好的让公路交通服务于我国现代化事业的建设，我国也开始了更深 一步的针对沥青路面性能的研究，以用来提高我国高等级公路的建设能力与质量水 平。 1 9 9 0 年我国从澳大利亚引进了a l f 试验仪后，开展了一系列沥青路面性能的加 速加载试验，如1 9 9 0 年河北j 下定试验、1 9 9 1 - 1 9 9 7 年河北涿州试验、1 9 9 9 2 0 0 0 年北 京通州试验、2 0 0 2 2 0 0 3 年山西平遥试验、2 0 0 4 - 2 0 0 5 年浙江桐庐试验、2 0 0 7 2 0 0 8 甘肃武威试验，其中山西平遥试验结果已被我国的公路设计标准所采纳。 通过对上述试验结果的分析，国内的研究人员开展了针对半刚性沥青路面结构的 广泛研究。对沥青路面的各结构层的抗破坏能力和耐久性，孟书涛、徐全亮等人得出 了很多具有指导意义的研究成果，同时国内的很多研究机构，如同济大学、长安大学、 中南大学等高等院校也参与到对试验结果的研究，其研究成果为我国的公路，尤其是 高速公路的建设做出了主要的贡献。 1 3 课题的主要研究内容 本课题以甘肃省沥青路面加速加载试验为依托，通过实际参与试验，了解了整个 试验过程及a l f 试验仪的工作原理，并且获得了a l f 试验仪与试验用沥青路面的结构 参数，从而为接下来的研究提供了基础。 4 长安人学硕i ：学位论文 以计算机仿真软件为工具，建立了a l f 试验仪加载部分多刚体动力学模型和移动 载荷下沥青路面层状体系动力响应计算模型，对整个沥青路面加速加载试验过程进行 了仿真计算，计算分析包括以下内容： 1 、根据a l f 试验仪的结构特点与参数，利用动力学分析软件( m s c a d a m s ) 建立 了可用于进行动力学计算的a l f 试验仪加载部分模型； 2 、以实际测得的路面不平度为依据，建立了用于动力学计算的试验路模型。仿 真计算了试验过程中，在不同行驶速度、不同轴载工况条件下，a l f 试验仪加载部分 轮胎对试验路面的垂直方向的动载荷作用力。对计算结果进行分析，得出了随着轴载 和行驶速度的变化，轮胎对路面垂直方向的动载荷作用力的变化规律。同时对a l f 试验仪中的轮胎与空气弹簧的刚度、阻尼系数与动载荷作用力的关系进行研究，分析 出a l f 试验仪对路面的动载荷作用力随着这两个部分刚度、阻尼系数改变的变化规 律； 3 、利用课题组所建立的移动载荷下沥青路面层状体系动力响应模型。将计算出 来的不同行驶速度、不同轴载工况下a l f 试验仪轮胎对路面垂直方向的动载荷作用力 加载到所构建的移动载荷下沥青路面层状体系动力响应模型上，计算出在不同动载荷 作用力下，各试验结构路面的动力响应结果；通过对计算结果分析，得出在不同行驶 速度和轴载条件下沥青路面面层底部动力响应的变化规律； 4 、利用a l f 试验仪进行了不同轴载、不同速度和不同温度下四种路面结构的足 尺试验，现场测试了路面动力响应。将实际试验测试到的结果与计算结果进行对比， 以验证和修改完善仿真模型，为以后路面动力响应仿真研究和a l f 试验仪的试验研究 提供参考。 5 长安人学颁 j 学位论文 第二章a l f 试验仪工作过程的计算机仿真计算 a l f 试验仪是大型的机械设备，就其加载部分而言，也是由多个相互关联的机械 构建组成，因此在进行计算的时候要考虑到每个构建对结果的影响。本章利用多刚体 动力学软件a d a m s 构建了a l f 试验仪加载部分的多刚体动力模型，对其工作过程中轮 胎对路面的动载荷作用力进行计算。 2 1 多刚体动力学理论与a d a m s 2 1 2 多刚体系统动力学理论基础 大型复杂机械系统通常是由多个机械构件通过运动副联接的系统，称为多体系 统。2 0 世纪6 0 年代，古典的刚体力学、分析力学与计算机相结合产生了多体系统动 力掣6 1 。 多刚体系统从结构上可以分为两大类：树状结构( 开链型) 和非树状结构( 闭链 型) 。多刚体系统力学的研究内容通常分为运动学与动力学两大部分。在运动学中， 不涉及系统的受力，只研究系统的位形和各种速度及加速度物理量的描述及确定关 系，它不但是动力学的基础，而且本身也有十分重要的意义。多刚体系统动力学中首 先面临的是建立描述系统受力与运动之间关系的运动微分方程。由于得到的运动微分 方程不但数量多，而且含有大量的非线性项，一般无法得到解析解，因此研究建立系 统的适用于计算机的动力学模型成为多刚体系统动力学的主要任务。目前，多刚体动 力学已经形成了比较系统的研究方法，其中主要有以牛顿一欧拉方程为代表的矢量力 学方法、以拉格朗同方程为代表的分析力学方法、图论方法、凯恩方法和变分方法， 其中以拉格朗日方程的应用最为广泛，如a d a m s 、d a d s 等虚拟样机软件均采用拉格朗 日方程计算【6 ，7 1 。 采用广义坐标形式的动力学普遍方程，将拉格朗日方程写成矩阵的形式为& 9 】： ，、 丢一o t o q = q 汜。 出l a 毒j 式中：g 广义坐标向量； g 广义速度； 7 第二章a l f 试验仪丁作过程的计算机仿真 丁系统动能； q 广义力。 其中系统动能r 由广义速度表示为表示为： r ：l q r m q ( 2 2 ) 式中：m 质量矩阵。 将系统动能表达式带入拉格朗同方程，得到拉格朗日方程的表达形式，即系统中 第f 个物体的动力学控制方程： m f 吼+ k q j = 鲱f + 锄 i = 1 ，2 ，力 ( 2 3 ) 式中：g 广义加速度； k 刚度矩阵； q ，主动力对应的广义力； q v 与速度的二次项有关的广义力； 以系统中物体的总数。 若将系统中刀个物体的动力学方程通过约束组装起来，用乘子法可得到多体系统 动力学控制方程，即： m g + c 口q + k q = q ，+ q ( 2 4 ) 其相应的约束方程为： c ( q ，f ) = 0 ( 2 5 ) 式中：c 约束矩阵： 五拉格朗日乘子列阵； q 约束的雅克比矩阵。 根据上面方法得到的多体系统动力学控制方程，一般为复杂的大规模微分一代数 方程组( d a e s ) ，其求解较为困难。微分一代数方程组的求解问题是多体系统动力学的 重点问题之一，国际上对其进行了大量而深入的研究，出现了许多新算法，如增广法 和缩并法等。利用这些算法开发出来的虚拟样机软件把人们从繁琐、复杂的计算中解 放了出来【8 】。 8 长安人学硕上学位论文 2 1 2a d a m s 简介 a d a m s ( a u t o m a ti cd y n a m ica n a l y s iso fm e c h a n ic a ls y s t e m ) 软件是原美国 m d i 公司( 2 0 0 2 年被m s c 公司收购) 开发的机械系统动力学仿真分析软件，它使用交 互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求 解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方法，建立系统的动力学方程，对虚拟 机械系统进行静力学、运动学、动力学分析，输出位移、速度、加速度、和反作用力 曲线。a d a m s 由多个模块组成，基本模块是v i e w 模块和p o s t p r o c e s s 模块，通常的 机械系统都可以用这两个模块来完成，另外在a d a m s 中还有针对专业领域而单独开发 的一系列专用模块和嵌入模块，例如：a d a m s c a r 、a d a m s e n g i n e e r 、a d a m s r a i l 、 a d a m s a i r c r a f t 等，为专业的用户提供了更好的软件分析支持【6 7 】。 2 2a l f 试验仪 本文以这次甘肃省重载沥青路面加速加载试验中所使用的a l f 试验仪为研究对 象，通过实际参与试验过程中了解了a l f 试验仪的工作原理与结构参数。 2 2 1a l f 试验仪的结构特征 我国目前所使用的a l f 试验仪是1 9 8 4 年由澳大利亚南威尔士公路局研发设计的， 我国于1 9 9 0 年由交通部公路科学研究所引进，参与了多次我国沥青路面的加速加载 试验，为我国高速公路的试验研究获取了许多宝贵的数据。 a l f 试验仪是一套可移动式野外足尺路面综合试验设备其特点是通过可控制 的较重轴载，在短时间内对实际路面结构进行加速加载，比室内环道试验和单纯的材 料试验更真实、更接近自然环境条件地模拟实际交通荷载对路面结构的破坏作用，其 可移动性可满足不同自然气候条件和区域的研究。 a l f 试验仪由加速加载系统和数据采集系统组成。加速加载系统可以模拟实际交 通荷载的横向分布，所加荷载为半轴双轮荷载，试验轴载从8 0 k n 2 0 0 k n 每2 0 k n 为 1 个等级选定，轮胎气压0 7 - 1 i m p a ，加载速度8 k m h - - 2 0 k m h ，a l f 试验仪配套 的采集系统可对路面结构的部分性能指标进行采集和测试【l 0 1 。 图2 4 为我国目i j 所使用的a l f 试验仪的总结构图，图2 5 为其加载部分的结构 图。设备总长2 6 3 米，宽4 0 米，高5 7 米，总质量约4 5 0 0 0 k g ，工作过程中的最 大加载距离为1 2 米。在其工作时主机架通过底基座固定在路面上，主、副弧形导轨 9 第= 章a l f 试验位t 作过的”算机仿真 与主机架通过焊接连接为一体，因此在工作时这一部分是静止不动的。其加载部分( 图 25 ) 通过主引导轮联结在主钢轨上，使得加载部分可以沿着主钢轨方向运动。工作 时在重力作用下轮胎与地面接触，电动机驱动轮胎转动，使得加载部分可以沿着钢轨 的方向移动，当行驶到一端时( 囤24 中的b 端) 主、副引导轮同时驶向主、副弧形 导轨，副引导轮机构上的液压提升杆，将整个加载部分提升，使轮胎离开地面，这样 整个加载部分就会沿着弧形导轨上升，使整个加载部分的动能转化为势能，引导轮到 达弧形导轨的顶端时，加载部分的动能全部转化为重力势能使的整个加载部分开始 向相反的方向( 图2 4 中的a 端) 运动。在从b 端向a 端运动的过程中，整个加载部 分依靠在b 端弧形导轨顶端储存的重力势能运动。加载部分在提升杆的作用下轮胎与 地面不接触，这样就可以使得加载部分运动到a 端弧形导轨的顶端，使得加载部分运 动转向，然后再向b 端移动，在向b 端运动的过程中副导向轮机构上的提升杆解除掉 对加载部分的提升，在重力的作用下轮胎与地面接触，对路面旌加载荷，同时给这个 加载部分提供驱动力，这就是a l f 工作时的一个往复循环，通过这样的往复循环，实 现了对路面的单方向往复加载。 ab 图2 4a l f 试验仪主结构图 1 副弧彤导轨；2 主机架；3 底基座：4 主弧形导轨 5 副引导轮；6 加载部分；7 主引导轮。 加载部分( 图25 ) 相当于二分之个b z z1 0 0 轴组，通过装卸配重支架 上的配重板柬改变加载部分的轴载，配重支架与车轴支架一端通过铰接连接，另一端 通过两个空气弹簧连接这种设计一方面可以缓解由于设备本身和路面不平度所造成 的冲击和震动，另一方面气囊也是对车辆后桥弹簧减震器的一个很好的模拟：加载部 分配有两个l l k s 的电动机，为设备的运行提供动力，通过变频器来改变加载部分的 长安人学硕l ：学位论文 行驶速度。对配重板与电动机进行调节，就町以实现a l f 试验仪在工作中速度与轴 载的变化。 图2 5a l f 试验仪加载部分结构图 1 配重板；2 配重板支架；3 铰接点；4 主引导轮 5 气囊；6 车轴支架；7 轮胎；8 电动机；9 路面 2 2 2a l f 试验仪的简化模型 a l p 试验仪加载部分模拟的是二分之一个b z z 一1 0 0 轴组，等价于四分之一的车 辆模型【l o 】，因此在对a l f 试验仪加载部分模型进行简化时可以参考当今国际上通用的 双自由度四分之一车辆振动模型1 5 一l1 2 】。虽然a l f 试验仪的加载部分近似模拟的是 1 4 的车辆模型，但是在某些结构的细节方面，如设备上配重支架与车轴支架的连接 一方面为铰接，另一方面为空气弹簧的连接，形成了a l f 试验仪加载部分自己的结构 特点，为了使所建立的模型更加接近于现实，本文对现有的四分之一车辆模型进行了 修改，建立出更加接近a l f 试验仪加载部分的简化模型( 图2 6 ) 第二章a l f 试验仪t 作过程的计算机仿真 z厶 l l l 卜、 m 2 t 犁分 ml 图2 6a l f 试验仪加载部分简化模型 k l 轮胎的刚度系数，k g m ； k 2 空气弹簧的刚度系数，k g m ； c l 轮胎的阻尼系数，n s m ： c 2 空气弹簧的阻尼系数n s m ： m l 车轴架的质量，k g ； m 2 配重支架及配重板质量，k g ： 卜- 配重支架转动惯量，n m 2 ； 0 配重支架的转动角，弧度； q 路面不平度引起的激扰，m ； z _ 加载部分垂直方向的位移，m ； a 锻接点到空气弹簧的距离，m ： b 嘲接点到配重支架的距离，m 。 0 从图2 6 上可以看到，在对m l 与m 2 的连接上采用了一端铰接，另一端用弹簧阻 1 2 * 宣人学颤1 。学位论空 尼连接替代原来的空气弹簧连接，使得所构建的模型更加接近实际。这个模型具有两 个自由度分别是加载部分整体的垂直振动位移z 与配重部分沿铰接处的旋转e 。 根据d al e m b e r t 原理，支配该振动系统的控制方程由f 面的方程组给出5 ” 1 4 = f j ( 矾+ ”：) z + m z b o + q 2 + 如2 相+ c , q ( 26 ) l j o + c 2 a 2 0 + k 2 a 2 口= 0 2 23 车辆动力学仿真的轮胎简化模型 a l f 试验仪在工作过程中通过轮胎与地面的接触将整个设备的载荷作用在路面 上，因此在仿真过程中对轮胎模型的选择影响着最后的计算结果的准确性。人们很早 就注意到当刚性车轮滚过障碍物时会产生很大的垂直加速度，对于充气轮胎的试验研 究则发现这种冲击妻小得多。很明显轮胎具有某种能力使它滚过障碍物时能够部分地 “包容”障碍物。轮胎对障碍物的这种缓冲能力被称为包容特性”i 。 随着理论研究的进一步深入及计算机技术的发展，如图2 7 所示，在进行仿真计 算时，人们已经开发出了一些用于描述轮胎包容性的模型。 喜傅、f 仉 疲- 点接触模型壤丁接- 蜮型m 定印j 搬氆 畿鼗 轻十憎诗横础脯掣4 j 瞰元榄剖 图2 7 用于仿真轮胎在不平路面特性的模型 这六种用于在不平路面上的仿真轮胎模型分别为，点接触式模型、滚子接触式模 型、固定印迹模型、径向弹簧模型、环模型和有限元模型【l ! i 。在这六种模型中有限元 模型的的的仿真精度晟高，依次排下，点接触模型的仿真精度最低。在图26 所构建 的模型中选取的是点接触模型，但是点接触模型在计算时只能做粗略的估计，计算结 13 第二章a l f 试验仪t 作过程的计算机仿真 果与实际误差大、可靠性低，因此在后面仿真时舍弃这种模型，从而选用精度更高的 轮胎模型，在a d a m s c a r 模块中所使用的s w i f t 与f t i r e 轮胎模型是环装轮胎模型， 这种模型与实际情况接近，计算结果准确”j ，因此在仿真计算时选取的是这种环 状的轮胎模型，以提高结果的可靠性。 2 3 路面不平度 在对a l f 试验仪工作过程进行仿真时，必须要考虑路面不平度对轮胎的相互影 响。设备在工作过程中由于路面的不平整对加速加载仪工作时的垂直载荷有很大的影 响，因此在此对路面不平度进行一个简单的介绍。 通常，道路表面的凹凸不平被称为不平度【5 1 引。它是因施工过程中一些难以人为 控制的偶然因素，如施工、材料、气候、环境等以及交通重复荷载的作用而形成的地 表不规则起伏的影响造成的。 2 3 1 路面不平度的测试方法 目前来国内外测定路面不平度的方法大致可以分为以下四类【5 9 2 0 】： 1 静态纵断面测定 静态纵断面测定指沿着车轮行驶的轨迹来测量道路表面的纵断面。其优点是测定 精度高，缺点是速度慢，需要大量的劳动力。其具体的测量方法如下： ( 1 ) 英国运输和道路研究所( t r r l ) 3 m 长梁量测纵断面； ( 2 ) 水准仪高程测量。 2 动态纵断面测定 动态纵断面测定指直接量测车轮行驶轨迹的纵断面。其优点是测定精度较高并且 速度快，缺点是设备昂贵，操作复杂。其具体方法有： ( 1 ) 非接触式纵断面仪：不用跟随车轮，利用装在行驶工具上的信号发生器向 测量路的路表面投射激光、声波、微波或红外线等信号，同过接收器测量器反射，由 此来确定道路表面的纵向起伏状况。 ( 2 ) 法国的纵断面分析仪( a p l ) ：装在测量行驶工具上跟随测试轮一起随测试 路面起伏，通过量测轮子支撑臂相对于水平惯性摆的角位移，计算出测试轮沿着路表 的竖向位移。 3 反应类平整度测定系统 1 4 长安人学硕i ：学位论文 这类仪器测定车辆以某一速度驶经测试路段时机械系统的动态反应。例如在车辆 上面配备颠簸累积仪，测量汽车的后轴或单论拖车的轮子相对于车身或车架的累积竖 向位移。反应类平整度仪的优点是价格低廉、操作简单，可以用于快速测定；其缺点 是时间稳定性差，同一台仪器在同一路面上不同时间的测试结果会有差异，还有就是 转换性差，不同部门采用同一类仪器进行测定的结果难以进行比较。为了保证测量结 果的准确性，在测量工作开始之前还必须要进行许多的准备工作，比如：对设备的良 好保养，保证其工作状态的稳定；进行标定试验；制定出科学的试验方案。 4 主观评分法 当对测量精度要求不高时，可以组织评分小组根据乘车的体验或目测检查，对路 面的行驶舒适度进行评分，依据小组平均评分的高低来评估测试路面的平整度。 当前国际上通用的不平度测量的指标是国际不平整度指标i r i 。我国常用的方法 则是3 m 法( 3 m 直尺法) ，通过使用一根长度为3 m 的直尺逐尺连续测量车轮带的路 面的纵断面来获得其最大高差，并进行加权累加来实现对路面不平度的刻画。 国际平整度指数i r i 是由联合国研究小组根据国际上道路平整度试验结果提出 的一种可以为国际上所共用的路面不平度的测量指标。i r i 可以采用绝大多数纵断面 测定方法直接测量得到，同时他同各种反应类平整度测定方法有很高的相容性，可以 用于仪器的标定。此外，他同主观评分也有很好的相关性。 2 4a l f 试验仪工作过程的仿真 由于本文进行的是a l f 试验仪运动过程中与路面的动力学仿真，以a l f 试验仪加 载部分为依据，忽略设备在安装与制造过程中的细节部分，构建其简化模型。 2 4 1a l f 试验仪模型的建立 在建立模型之前先确定一下涉及到加速加载仪加载部分数学模型中的参数： 车轴架质量 m l = 4 4 2 0 k g ； 配重支架及配重板质量 m 2 = 5 8 0 - - 3 5 8 0 k g ； 单个轮胎刚度系数k l = 11 0 0 0 0 0 n m ； 单个空气弹簧刚度系数k 2 = 6 5 0 0 0 0 n m ； 单个轮胎阻尼系数 c l = 3 0 0 0 n s m ； l s 第一章a l f 试验仪r 作过程的计算机真 单个空气弹簧阻尼系数 c 2 = 4 5 0 0 n s m ： 铰接点到空气弹簧的距离 a = 31 5 m 铰接点到配重部分质心的距离b - 2 o m 。 利用a d a m s 软件的模型工具包构建a l f 试验仪的多刚体动力学计算仿真模型( 图 28 ) 。在模型的构建过程中，选用a d a m s c a r 模块中的s w i f t 轮胎模型作为计算过程 中a l f 试验仪的轮胎模型。将两个轮胎模型通过旋转副约束连接在车轴支架上，这样 可以使得轮胎相对于车轴进行旋转。由于在建模的过程中省略了a l f 试验仪的主支 架，因此在模型构建的过程中在车轴支架上面定义了两个( 纵向与横向) 相对于路面 的平行约束副，这样就可以替代主机架对加载部分的约束：车轴支架与配重部分一端 通过铰接连接在一起，即在配重部分与车轴支架的连接部分创建旋转副；另一端通过 a d a m s 模型库内的弹簧阻尼替代真实中a l f 试验仪的空气弹簧将配重部分与车轴支 架连接起来，最大限度的模拟出a l f 试验仪加载部分的结构特点，最后在两个轮胎与 车轴连接处的旋转副上添加上驱动，这样a l f 试验仪加载部分的动力学模型就够建好 了( 图29 ) 睁7 。89 1 。 图28a 试验仪加载部分模型 长安大学硬学位论z 图2 9a 听试验仪模型添加约束圈 2 4 2 路面模型的建立 路面的不平整度会对行驶车辆对路面的垂直方向载荷产生影响。因此，在建模的 过程中应该充分的考虑到这一点。因为本文是针对甘肃省重载沥青路面加速加载试验 的一个仿真研究，在建立路面模型时，就利用实际试验中试验路的路面不平整度为依 据，建立起用于仿真计算的路面模型。 试验路段总长度为1 2 米，每隔0 ，3 7 米实际测量一次试验路段的高程，测出试验 路段在时域方法表征下的路面不平整度( 图2 1 0 ) 【5 ”】，将实际的路面不平度作为 路面模型建立的参数依据，利用a d a m s c a r 模块中的路面模型文件1 q 建立与试验路段 具有相同路面不平度的路面模型。 图2 1 0 试验路殷赂面不平整度曲线圈 j 7 第一二章a l f 试验仪t 作过程的计算机仿真 2 4 3 不同工况下的仿真结果 在进行a l f 试验仪对路面动载荷作用力的动力学仿真时，通过改变计算机模型中 轮胎的转动速度以及配重支架的质量，来实现对不同度、不同轴载工况的计算机仿真。 对表2 1 所示的1 6 种不同轴载，不同速度的加速加载试验工况进行仿真计算。 运用a d a m s s o l v e r 与a d a m s p o s t p r o c e s s o r 模块求解出在不同速度、不同轴载工况 下轮胎对路面的垂直方向动载荷作用力。 表2 1 工况条件 勒 1 0 0 k n1 2 0 k n1 4 0 k n1 6 0 k n ，霜 8 k m h 8 k m h8 k m h 8 k m h 速1 2 k m h1 2 k m h1 2 k m h1 2 k m h 度1 4 k m h1 4 k m h1 4 k m h1 4 k m h 2 0 k m h2 0 k m h2 0 k m h2 0 k m h ( 1 ) ：速度为8 k m h ，不同轴载条件下轮胎对路面的动载荷作用力结果( 图2 1 1 一 图2 1 4 ) ： 图2 1 18 k m h 、i o o k n 动载荷作用力 图2 1 28 k , , , h 、1 2 0 k n 动载荷作用力 图2 1 38 k m h 、1 4 0 k n 动载荷作用力图2 1 48 k m h 、1 6 0 k n 动载荷作用力 长安人学坝l ：学位论文 图2 1 1 中的f 懈= 2 7 9 5 9 1 8 ( n ) ，民。= 2 1 3 7 4 9 8 ( n ) 图2 1 2 中的k = 3 3 1 2 3 1 7 ( n ) ，2 2 6 2 9 1 2 4 ( n ) 图2 1 3 中的e 瞰= 3 8 3 5 5 8 8 ( n ) ，民。= 3 0 9 0 7 1 4 ( n ) 图2 1 4 中的= 4 4 2 2 7 2 1 ( n ) ，f n u l l = 3 6 0 7 8 8 7 ( n ) ( 2 ) 速度为1 2 k m h ，不同轴载条件下轮胎对路面的动载荷作用力结果( 图2 1 5 一 图2 1 8 ) ： 3 2 m 晕 遣 罐 z m 也5o oo j o 152 d253 03 54 0 时问( 秽】 3 孽 罐拥o z 加o 4 暑0 00 5 0 j2 0z 5”3 s4 0 时向抄 图2 1 51 2 k m h 、1 0 0 k n 动载荷作用力 图2 1 61 2 k m h 、1 2 0 k n 动载荷作用力 4 0 0 0 0 覃 苷* m 连 塌 越o - 0 50 0n 5，o1 52 02 j3 03 54 0 时问( 秒) o 覃 盘 鼹 - 0 50 00 5 o152 02 53 3 - s j 对同抄) 图2 1 71 2 k m h 、1 4 0 k n 动载荷作用力图2 1 81 2 k m h 、1 6 0 k n 动载荷作用力 图2 1 5 中的= 3 1 4 3 5 8 9 ( n ) ，。= 1 9 5 6 5 5 6 ( n ) 图2 1 6 中的= 3 5 0 7 2 8 7 ( n ) ，民。= 2 2 9 5 0 6 7 ( n ) 图2 1 7 中的= 4 1 8 6 8 9 6 ( n ) ，民。= 2 9 2 4 0 6 4 ( n ) 图2 1 8 中的= 4 7 4 6 2 2 2 ( n ) ，民。= 3 3 3 8 0 6 5 ( n ) ( 3 ) 速度为1 4 k m h ，不同轴载条件下轮胎对路面的动载荷作用力结果( 图2 1 9 一 图2 2 2 ) ： 1 9 第一二章a l f 试验仪t 作过程的计算机仿真 越o a 孽 ? m 蒜2 4 0 0 0 盈o - g 50 00 5t 01 j 2 0 2 53 03 5m 50 00 s且 52 02 - 53 0鹕 时闻( 社)时间( 秒) 图2 1 91 4 k m h 、1 0 0 k n 动载荷作用力图2 2 01 4 1 m h 、1 2 0 k n 动载荷作用力 4 蠢” 埠劓o 罨 3 2 m 2 o 2 嘲 - 0 s 0 0o j 1 52 0z 53 0a 5 时闻( 移) 6 0 呻o o 覃4 2 0 0 0 。4 童 馨 3 撕 - 0 50j$05 01 j2且2j3 j3 5 时阃( 秒) 图2 2 11 4 k m h 、1 4 0 k n 动载荷作用力图2 2 21 4 h n h 、1 6 0 k n 动载荷作用力 图2 1 9 中的= 3 2 0 0 5 0 5 ( n ) ，= 1 8 1 9 7 2 7 ( n ) 图2 2 0 中的= 3 7 6 7 0 9 6 ( n ) ，= 2 3 6 2 0 2 8 ( n ) 图2 2 1 中的= 4 3 8 5 4 3 2 ( n ) ，= 2 7 7 5 7 8 3 ( n ) 图2 2 2 中的k = 4 9 6 5 9 0 4 ( n ) ，r 。= 3 3 1 5 4 0 6 ( n ) ( 4 ) 速度为2 0 k m h ，不同轴载条件下轮胎对路面的动载荷作用力结果( 图2 2 3 - 图2 2 6 ) ： 簟 蚕一 掣 4 筝m ” 图2 2 32 0 k , h 、1 0 0 k n 动载荷作用力 图2 2 42 0 k m h 、1 2 0 k n 动载荷作用力 一 一 一 一 一 一 孽)毒鞯 长安大学硕 ：学位论文 图2 2 52 0 l 【m h 、1 4 0 k n 动载荷作用力图2 2 62 0 k l i h 、1 6 0 k n 动载荷作用力 图2 2 3 中的= 3 3 3 3 0 2 7 ( n ) ，f m = 1 7 9 4 2 1 5 ( n ) 图2 2 4 中的= 3 9 4 6 3 1 2 ( n ) ，= 2 1 6 5 4 0 6 ( n ) 图2 2 5 中的k = 4 5 5 5 4 9 3 ( n ) ，= 2 4 9 3 8 5 5 ( n ) 图2 2 6 中的= 5 1 1 7 1 7 6 ( n ) ，f n i o = 2 9 6 4 2 4 7 ( n ) 2 4 4 仿真结果分析 通过对图2 1 l 一图2 2 6 可以看到a l f 试验仪