基于车辆耦合系统下的沥青路面结构行为仿真分析.ppt

基于车路耦合系统下的 沥青路面结构行为仿真分析,道路工程研究所 路桥检测中心 李正中 邓国瑞 2011年12月24日,研究背景及意义 项目特点 国内外现状及发展动态 研究内容及思路 技术框架及路线 课题进展情况 合作倡议,汇 报 内 容,研究范畴 车路耦合系统下的路面结构动力学问题 研究思想 将车辆系统和道路系统视为相互影响、相互作用、相互耦合的整体大系统，将轮胎与路面的相互作用关系作为连接两个子系统的纽带，综合考虑车辆在阻尼道路结构上的动态运行行为、车轮与路面的动态相互作用特性以及车辆对路面结构的动力作用规律，系统研究路面结构在车辆运动荷载下的力学响应情况，以此指导路面结构层位功能分析及材料设计。,1 研究背景及意义,研究出发点 路面力学计算所采用的加载模式与车辆对道路的实际作用情况 相差太大，难以反映道路结构在实际行车荷载下的力学行为,1 研究背景及意义,车辆与道路的实际作用情况： 由于车辆自身的振动作用以及路面平整度的不规则变化，车辆行驶时，车轮实际上是以一定的频率和振幅在路面上振动，这种振动与路面平整度及行车参数有一定关系，而且反过来也会影响对路面施加的作用力，从而在道路和车辆之间产生耦合作用。也就是说，在车辆行驶过程中，车辆外加荷载与路面各参数之间是相互影响和相互作用的。,路面力学计算所采用的加载模式： 1 静载模式无法描述路面结构在动荷载作用下所产生的疲劳开裂等现象 2 简单的动载模式（固定波形固定频率下的动载）与路面结构实际所受的行车荷载差异太大，完全未考虑行车参数及路面表面特征对行车荷载的反馈影响,学科交叉，主要涉及道路工程和车辆工程两个领域 新颖、复杂，动力学问题，对力学分析和数值计算能力要求高 基础性强，所建立的车路耦合系统力学分析模型属于平台搭建，在此平台上可以继续深化研发（如补充温度场耦合、水力场耦合等，构建以车路耦合为基础的多相耦合分析系统），更深入地研究路面结构在行车荷载及自然环境下的实际力学行为，从而提升路面结构与材料一体化设计的层次 涉及计算分析工具： 有限元分析软件（ANSNY/ABAQUS） 矩阵算法及仿真分析软件（MATLAB）,2 项目特点,我国路面设计将标准轴载简化为单圆或双圆均布荷载进行计算，显然 未考虑车辆对路面的动态相互作用，即使考虑动态作用，也只限于在 静力设计的基础上根据经验用冲击系数进行修正。 目前，国内学者在车路耦合作用方面的研究相对较少，而且主要集 中在车辆工程和道路工程各自领域内。,3 国内外现状及发展动态,车辆工程领域：把路面不平整度作为一种随机激励来求解车辆在这种激励下产生的动态响应，从而优化车辆设计参数。,道路工程领域：直接建立一种固定的车辆荷载模型（通常是将车辆荷载看成正弦波形式的荷载），然后研究路面结构在这种固定荷载模型下的动力响应，从而优化路面结构设计。,上述方法都没有将道路工程与车辆工程作为整体系统来考虑，没有考虑车路之间的耦合作用关系，对路面结构动力响应的分析计算不能真实反映实际情况。,国内研究状况 从数量看：研究较少、相关文献较少 从深度和发展看：日益得到重视 从区域看：主要集中于东南大学、哈尔滨工业大学、长安大学等 典型文献及研究内容,3 国内外现状及发展动态,基于车路耦合系统的路面动力学分析必将成为路面力学计算的主流,钟阳，王哲人.不平整路面上行驶的车辆对路面随机动压力的分析.中国公路学报.1992 主要内容：把汽车简化为两自由度和五自由度体系，考虑不平整路面上行驶的车辆对路面产生的随机动压力问题，初步分析了车辆荷载和行车速度的关系,黄晓明.路面动荷载与路面平整度的随机关系分析.东南大学学报.1993 主要内容：从理论上分析了路面平整度与路面所受动荷载之间的关系，通过实例分析了轮胎刚度、汽车速度及路面平整度对车辆冲击系数的影响,孙璐，邓学钧.车辆一路面相互作用产生的动力荷载.东南大学学报.1996 主要内容：分析了路面在“运动的确定或随机荷载激励”下的路面响应问题,葛剑敏，郑联珠.路面特性对车辆振动影响规律研究中国公路学报. 2004 主要内容：对软路面上车辆的各向振动进行研究，通过进行单因素（路面平整度、胎压、路面抗压强度和牵引负荷）分析，确定对车辆振动影响显著的因素及影响规律。,吕彭民,尤晋闽.路面随机不平度下车辆对路面的动载特性.交通运输工程学报.2007 主要内容：采用快速傅里叶逆变换法对路面随机平整度进行时域模拟，建立1/2车辆动力学模型，应用龙格-库塔法分析路面等级、车速、载质量和车辆参数对路面动载荷的影响，研究了车辆产生的动载荷规律。,罗红，梁波，苏世毅.车辆 - 道路垂向耦合动力分析模型 . 重庆交通大学学报 .2008 主要内容：建立车辆动力学模型，采用ANSYS有限元建立路面力学模型，对车辆振动方程和道路振动方程联立方程组并进行解耦计算，初步建立垂向动力耦合动力分析模型。,苏世毅.考虑路面平整度因素的车-路耦合系统动力特性分析/硕士. 重庆交通大学.2006 吴志华.基于车路耦合系统下的道路友好特性研究/硕士. 重庆交通大学.2008 主要内容：基于1/4车辆动力学模型和ANSYS所构建的路面动力学计算模型，以车辆轮胎与道路接触作为耦合条件，对车路耦合方程组进行解耦，并计算路面参数对行车舒适性和路面力学行为的影响。,国外研究状况 基于车路耦合相互作用的分析和研究已引起普遍重视，并已开展 了较多的研究工作，尤其是美国从1987年至1993年先后投资近7.5 亿美元用于开展高速公路静态和动态性能的研究，其中动态性能研究 主要集中于车辆相互作用方面，其主要思路是将车辆模型和道路 模型分开建模，借助振动系统理论，分析运动的点源随机荷载下 的路面力学响应问题。上述研究普遍考虑了车辆参数对路面的动载 影响以及由此而引起的路面应力、应变响应的影响，并指导国内的 相关研究工作。,3 国内外现状及发展动态,国外路面设计已逐步采用动载作用下的试验参数,研究内容 1 构建车路耦合系统力学分析模型 建立车辆动力分析模型+动力平衡方程 建立道路动力分析模型+动力平衡方程 车路耦合系统激励方式（路面平整度）的数学仿真 车路耦合系统动力平衡方程组的建立及解耦计算 2 基于模型进行路面结构力学响应分析计算 路表弯沉+层底弯拉应力+层间抗剪强度 沿路面深度及宽度内的应力应分布情况 研究思路 构建车路耦合系统力学分析模型是重中之重 车路耦合系统力学分析模型是所有计算的基础和平台 构建模型应从简单处从大处入手，逐步修正，逐步完善 路面力学响应分析的指导性要强，针对性明确,4 主要研究内容及思路,技术框架 在调研大量资料的基础上尝试构建车路耦合系统力学分析模型 基于对路面结构力学行为的已有认识来修正和完善新的模型 基于新的模型对路面结构力学响应重新进行计算 技术路线 建立车辆动力分析模型+动力平衡方程 考虑研究既简单又符合实际，采用1/2车的四自由度车辆模型 建立车辆动力平衡方程时，仅考虑竖向振动 建立道路动力分析模型+动力平衡方程 考虑材料的非线性特性和软件差异，选择ABAQUS进行有限元计算 车路耦合系统激励方式（路面平整度）的数学仿真 基于功率谱密度，采用谐波叠加法进行路面平整度数据的随机仿真 车路耦合系统动力平衡方程组的建立及解耦计算 根据轮胎与路面的位移相容条件对两个振动方程进行解耦计算,5 研究框架及技术路线,通过调研相关文献资料，细化研究内容，确定思路及技术路线 通过交流探讨，初步搭建本课题研究团队及技术分工 通过分析比选，确定本课题用车辆振动模型及竖向动力平衡方程 已基于ABAQUS建立路面结构有限元计算模型 初步掌握基于谐波叠加法进行路面平整度的数学仿真生成 后续研究 车辆动力