面向振动压路机的土体幅频特性仿真研究.doc

面向振动压路机的土体幅频特性仿真研究 朱家诚 刘玉龙 余亮浩 合肥工业大学 机械与汽车工程学院 安徽 合肥 230009 摘要摘要 振动压路机在施工作业过程中土体固有特性是不断改变的 压路机的单频率激振不利于提高压 实质量和压实效率 本文采用 Ansys 构建了某级配土体的本构模型并生成了与之对应的模态中性文件 在 ADAMS 环境下建立了 单钢轮振动压路机 土体 的参数化模型 通过设计的仿真过程 利用该仿真模型 得到了土体压实的最优频率 并通过有限元方法计算对比了常用激振频率和最优激振频率下路基的压实效 果 为确定在不同碾压遍数下压路机的激振频率提供了一种仿真方法 关键词关键词 振动压路机 本构模型 模态中性文件 最优频率 仿真 中图分类号中图分类号 TP391 9 文献标识码文献标识码 A 文章编号文章编号 Simulation of Soil Amplitude Frequency Characteristics for Vibratory roller ZHU Jia cheng LIU Yu long YU Liang hao 在公路修筑中 单钢轮振动压路机在路基压实 中多数采用单频施工 这不利于保证道路压实质量 和压实效率 随着交通运输量的迅速增大 为提高 路基的承载能力 施工部门对压实机械提出了越来 越高的要求 激振频率作为压路机作业的重要参数 它的合理选取对压实作业的重要性是不言而喻的 目前传统的仿真模型侧重于研究振动压路机的动力 学响应而对土体特性的研究作用有限 目前压路机 的作业参数大都靠施工经验来确定 不利于保证施 工质量和作业效率 本文利用 Solidworks 软件构建 了压路机的整机模型 借助 Ansys 构建了土体本构 模型并生成了相应的模态中性文件 最终在 ADAMS 环境下建立起了 单钢轮振动压路机 土 体 的联合仿真模型 并根据仿真方案模拟了振动 轮和土体之间的相互作用 得到了不同压实遍数下 土体的固有频率 从而为振动压路机调节激振频率 提供了参考值 1 振动压实机理振动压实机理 振动压实是利用振动轮产生的冲击波从土的表 面向深处传播 使土的颗粒处于振动状态 颗粒间 的摩擦力被减弱 在这种状态下小的颗粒填充到大 颗粒土的孔隙中使土处于容积尽量小的状态 根据共振理论 如果被压实土体的固有频率和 压路机激振机构的激振频率相一致 则振动压实能 得到最好的效果 但是在各种土 以及一种土的压 实过程中 土的固有频率是不断改变的 因此就要 求激振机构要有一个较大的频率调节范围 对于通 常的做法是把压路机的振动频率设置在土体共振频 率附近 在整个作业过程中单频作业 这不利于压 实质量控制和压实效率的提高 所以 振动压路机 激振频率的设定应该力求精细化 2 土体弹塑性模型的建立 土体弹塑性模型的建立 2 1 土体本构模型土体本构模型 为了能够真实的反应土体的力学性能 需要构 建土体的本构模型 借鉴于土木工程研究领域的研 究经验 本文采用基于 Drucker Prager 屈服准则的 弹塑性本构模型来模拟土体 Drucker Prager 模型是 最早提出的适用于岩土类材料的弹塑性模型 它最 大的优点是用简单的方法考虑了静水压力对屈服与 强度的影响 也考虑了岩土类材料的剪胀性 而且 模型参数少 计算简单 Drucker Prager 屈服准则是对 Mohr Coulomb 准 则的近似 采用广义的 Von Mises 屈服条件 表达 式为 0 12 K JF 式中 应力张量第一不变量 1 应力偏张量第二不变量 2 J 试验常数 sin33 sin2 为土的内摩擦角 试验常数 K 为土的凝聚力 c K sin33 cos6 c 假定材料服从相适应的流动法则的前提下 推 导 Drucker Prager 模型在应力空间中的弹塑性矩阵 根据广义虎克定律 得弹性矩阵 2 1 00000 0 2 1 0000 00 2 1 000 000 21 1 2121 000 2121 1 21 000 212121 1 e D 2 66564636261 2 554535251 2 4434241 2 33231 2 221 2 1 0 1 SSSSSSSSSSS SSSSSSSSS SSSSSSS SSSSS SSS S S Dp Q DAS e0 xy zx yz z y x z y x z y x E S E S E S J S J S J SE S J S J S J SE S J S J S J SE S 1 1 1 221 1 2212211 221221 1 2211 221221221 1 1 6 5 4 222 3 222 2 222 1 Drucker Prager 模型的弹塑性矩阵表达式为 peep DDD 式中 应力张量 6 5 4 3 2 1 i S 塑性势函数Q 加载函数 由 Drucker Prager 弹塑性矩阵可知 土体的弹 性模量 泊松比 凝聚力 摩擦角是构建E c 土体本构模型的基本参数 在不同的压实工况下级 配土壤的物理参数是不同的 即 Drucker Prager 模 型中的基本输入参数在不同的压实工况下是各不相 同的 通过标准土工试验掌握不同压实状态下土体 的上述参数之后即可通过参数的修正建立起不同压 实遍数下土体的本构模型 另外 土体模型的非线 性处理是基于如下假设的 1 土是连续分布的 2 土是均匀的 各向同性的 本文构建土体仿真模型的基本物理参数是依据 原生亚砂土参入一定比例的石灰后所形成的石灰膨 胀土 参灰比例为 4 8 所测得的 基本数据如 下表 表 1 级配土体的基本物理参数 含水量约为 11 压实 遍数 密度 Kg m 3 泊 松 比 弹性 模量 MPa 摩擦角 rad 凝聚力 KPa 第一 遍 16800 1010 50 357 5 第二 遍 17000 1514 40 3610 2 第三 遍 17500 2020 30 3912 5 2 2 土体弹塑性模型土体弹塑性模型 振动压实过程中 级配土体的力学性能是不断 改变的 目前国内外进行 振动压路机 土体 的 动力学分析时大多数做法都是将土体和压路机简化 成为理想的 质量 弹簧 阻尼 二自由度或多自 由度模型 通过简单的改变刚度系数和阻尼系数来 模拟土体性能的变化进而来研究振动压路机的动态 响应 如图 5 所示的数学模型由于忽略了土体的本 构关系 同时建立起动力学方程也只能对压路机的 特性进行研究 所以分析模型不够实用 文章 8 在 ADAMS 建立了振动压路机的整机模型 但是在实 际的仿真中也只是把土体视为具有一定刚度和阻尼 的弹性体 图 1 振动压实系统的三自由度模型 根据上图的三自由度动力学模型得到复压初期 系统动力学方程 dsddfdfdfdfsdsd 2 0 0 sin mm zczzkzz c zk z m et 0 dfdfdfdfff zzkzzczm 为了更为精确的模拟压实过程中土体的振动特 性 本文采用有限元软件生成土体的模态中性文件 模态中性文件包含了 ADAMS 软件进行动力学分析 所需要的全部柔性体信息 在 ADAMS 软件中读 mnf 文件即可生成柔性体部件 定义单元土体参数 实体建模并 生成网格 生成联接点 和刚性区域 mnf文件 的生成 图 2 土体模型的生成过程 根据图 2 的流程图在 Ansys 软件环境下生成土 体的有限元模型和 ADAMS 动力学分析所需的联接 点 在 ADAMS 中柔性部件是通过联接点与其他刚 性部件相联系的 考虑到振动轮产生的外行波所波 及范围 根据振动压路机定点压实时测得的数据将 土体模型的尺寸选取为 10 m 6 m 1 m 图 3 联接点的创建 3 虚拟样机的建立虚拟样机的建立 3 1 整机实体模型整机实体模型 本文采用某型号的单钢轮振动压路机为原型进 行建模和仿真分析 由于模型的研究重点是土体的 振动响应 因此在模型的创建时对相关的部分在保 证质量属性和位置关系的前提下进行了必要的简化 简化后在 Solidworks 中生成整机的实体模型 如图 4 图 4 整机简化模型 3 2 实体模型的导入及约束的添加实体模型的导入及约束的添加 将在 Solidworks 中生成的整机实体模型通过专 用数据接口导入 ADAMS 中 然后需要在导入后的 模型上添加必要的约束和驱动 最终才能生成整机 的虚拟样机 为了能够较为真实的模拟振动轮和前 机架以及驾驶室和后车架之间的约束关系 本文在 前机架和振动轮之间施加柔性约束来模拟橡胶减振 器 在 ADAMS 中所提供的柔性联接为轴套力 轴 套力是一种两构件相互作用的弹簧和阻尼力 通过 定义 6 个笛卡尔坐标的力和力矩分量在两构件间施 加柔性力 力和力矩是移动位移和速度和转动位移 和速度的线性函数 在 ADAMS 中需要建立的约束有 1 在 ADAMS 中调整各部件间的位置关系 施 加相关的刚性约束 2 导入所建立的土体弹塑性模型 3 模拟橡胶减振器的轴套力模型按实际位置布 置在振动轮和机架之间 4 柔性地面通过联接点和大地固联在一起 5 由于钢轮和地面模型之间施加接触约束 3 3 添加驱动添加驱动 单钢轮振动压路机的激振器是靠液压系统驱动 液压马达来带动激振部分旋转的 即直接作用在偏 心轴上的是扭矩 考虑到在 ADAMS 中施加扭矩会 使得偏心轴的转速一直增大 因此本文选择直接在 偏心轴上施加转速作为驱动 添加完驱动以后就生 成了整机的虚拟样机 如图 5 图 5 联合仿真模型 4 仿真过程和结果分析仿真过程和结果分析 4 1 设计仿真方案设计仿真方案 根据施工经验 单钢轮振动压路机在压实各种 路基时所采用的激振频率大都在 20 35Hz 的范围内 认为在该频率范围包含了多类型路基土的固有频率 通常施工做法是从该频率范围内设定某一经验值进 行多次碾压来达到工程要求 由于土体的物理特性 具有很强的随机性和多样性 单频作业将对施工效 率带来很大的不利影响 仿真的主要目的是通过调节振动压路机的激振 频率来研究不同压实遍数下土体受迫振动的频率响 应 根据不同压实遍数下土体模型的频率 幅值曲 线找到土体的固有频率 以土体的固有频率作为每 一遍振动压实过程中振动压路机的最优激振频率 本文对前三遍的振动压实进行了仿真研究 基本过 程如下 1 通过修改 Drucker Prager 模型中的物理参数 利用 Ansys 软件构建第一 二 三遍压实土体的仿 真模型 2 在 ADAMS 环境中构建上述三种土况下的 压路机 土体 联合仿真模型 3 观察振动论所产生的激励信号是否和理论信 号相一致 4 在 20 35Hz 的频率范围内按照由小到大的 顺序变化激振频率 递增幅度为 0 5Hz 在仿真 模型中激振频率的变化是以调节偏心轴的转速来实 现的 其转速的变化范围是 125 6rad s 219 8rad s 5 在激振频率的不断变化中观察三种土体模型 响应信号幅值的变化 在出现的最大响应幅值处减 小激振频率的调节幅度 在较小的频率变化范围内 搜索出土体的固有频率 4 2 激振信号的分析激振信号的分析 振动压路机的激振源产生的激振力为简谐激振 力 偏心块的旋转遵循正弦规律 由系统简谐振动 理论知系统中振动轮的加速度响应也应具有这种变 化规律 图 6 所示的仿真结果也符合理论的论述 仿真模型产生的激振信号是正确的 图 6 振动轮质心竖向加速度时域仿真曲线 4 3 土体响应信号的分析土体响应信号的分析 借助土体本构模型模拟一定土方的土体被振动 压实过程中物理特性得变化 按照仿真方案通过振 动轮对其施加不同频率的简谐激励 得到土体模型 振动加速度的峰值 如图 7 9 所示 根据所得的频率 幅值曲线可以看出在整个激 振频率的增大过程中 土体振动信号的幅值响应会 在某个频率值处出最大值 即在该频率处土体模型 振动最为强烈 依据共振现象的判断 表明土体在 各自最大幅值频率附近发生了共振现象 为了更精 确的捕捉到共振频率的值 结合曲线将第一遍最优 激振频率所在的范围确定为 26 27Hz 第二遍最 优激振频率所在的范围 28 29Hz 第三遍最优激 振频率所在的范围 28 5 29 5Hz 在所确定的激振 频率范围内作进一步的仿真试验 将激振频率的增 幅调整到 0 1Hz 在 ADAMS 环境下对三种土况下 的模型各自进行 10 次仿真后 对比土体模型响应 幅值的大小得到了图 10 12 的最优幅频响应曲线 其对应的频率即为最优激振频率 0 1 2 3 4 5 2021222324252627282930 频率 Hz 幅值 m s s 幅值 图 7 第一遍仿真压实土体模型频率 幅值曲线 0 1 2 3 4 5 2021222324252627282930 频率 HZ 幅值 m s s 幅值 图 8 第二遍仿真压实土体模型频率 幅值曲线 0 1 2 3 4 5 202122232425262728293031 频率 Hz 幅值 m s s 幅值 图 9 第三遍仿真压实土体模型频率 幅值曲线 图 10 压实第一遍土体的最优幅频响应 图 11 压实第二遍土体的最优幅频响应 图 12 压实第三遍土体的最优幅频响应 从仿真得到的幅频响应结果可以看出 随着碾 压遍数的增加 土体的压实度在增大 信号响应的 幅值所对应的频率也在增加 这种变化趋势与相关 文献所阐述的土体的最优激振频率随着碾压遍数和 密实度的增大而增大是一致的 为了检验所得频率 数据的正确性 与文章 5 中的实测数据进行了比对 如下表 表 2 实测数据和仿真数据的比对 压实 遍数 实测频率 HZ 仿真频率 HZ 误差 第一遍27 3426 383 51 第二遍28 3228 841 84 第三遍29 3029 130 60 从数据的比对中可以看出针对当前的级配土体 仿真值和实测值之间的结果比较吻合 证明本文所 阐述的仿真方法是可行的 针对亚砂土所构建的本 构模型是合理的 同时通过对建模和仿真过程的分 析 总结误差主要存在的主要原因在于 1 土体模型的非线性处理是以均匀性 连续性 和多各向同性为前提的 而实际的砂土则不具备上 述的理想条件 2 仿真过程中振动轮和土体之间接触区域的模 拟参数是随着土壤压实度的变化而变化的 接触参 数影响土体的随振特性 但其识别过程中存在近似 误差 3 实体的网格精度也会对土体物理特性的描述 产生影响 针对上述原因 可以通过以下方法进一步减小 误差 1 采用更为精确的土体本构模型即采用更多的 物理参数来描述土体的物理性能 2 参考被压实材料模拟参数的动态识别方法 可以使模拟参数更为逼近真值 3 根据压实现场的实际情况可以将土体划分为 不同的有限元模块 即对土体实际的物理特性进行 进行区域化的描述求得不同的最优频率 对整个施 工路段进行划区域施工 图 13 有限元验证模型 借助于有限元的动力学分析方法对压实作业中 通常采用的频率和仿真得到的频率所产生的压实效 果进行对比 在计算中将只改变激振的频率 保持 振幅及其他作业参数不变 在图 13 所示的有限元 模型中 振动轮采用刚体模型 土体采用 Drucker Prager 弹塑性模型其物理参数参照表 1 土体侧面 和底面采用无反射边界条件施加约束 振动轮和土 体之间施加点面接触 激振力以集中载荷的形式沿 竖直方向施加到振动轮的质心 采用的物理样机在 实际压实路基时采用低频档 26Hz 将该频率下的表 层沉降量和固定深度处的应力值作为最优激振频率 下压实效果的参照 结果见表 3 4 表 3 第二遍压实效果 激振频率 HZ 50mm 深度处应力 MPa 表层沉降量 mm 260 1182 141 28 840 1262 332 表 4 第三遍压实效果 激振频率 HZ 50mm 深度处应力 MPa 表层沉降量 mm 260 2122 024 29 130 2262 213 从计算结果可以看出 按照土体的特性改变激 振频率之后 压实效果也得到了明显的改善 而且 在液压技术应用于压路机的控制之后这种激振频率 更加精细化的调节也是完全可以实现的 5 结语结语 本文借助于计算机仿真的方法建立了振动压实 的仿真模型 通过改变土体本构模型的参数模拟不 同压实遍数后土的物