半刚性路面动态荷载响应的分析研究

论文摘要

传统的沥青路面设计理论,是以静荷载作用下的结构为研究对象,忽略了荷载的本质特性,在速度不大,车速较低的情况下基本上是合理的。然而,随着道路沥青质量的改善,车辆的速度得到很大的提高,静力荷载模式与车辆行驶过程中对路面的实际作用力之间的差异越来越大,路面结构的动力学特性也远非静力学特性所能描叙。因此尝试模拟计算行驶中的车辆对路面的动态响应是有必要的。车辆实际行驶时对路面施加的荷载是一个随机荷载,不但大小是变化的,位置也是变化的。而在研究计算中要真实的模拟这个随机荷载是比较困难的,前人的研究都是对其进行简化,取动荷载的两个特性(动力性、移动性)中的一个进行分析研究。本文应用三维有限元动力学的基本方法,分别考虑动荷载的两个特性,把动荷载简化为波动荷载和移动荷载,模拟计算了半刚性路面在不同行驶车速和不同轴载下的动态响应,并且对传统的沥青路面设计指标进行了分析。分析的结果表明:路面的疲劳破坏是动载引起的水平正向应力、水平侧向应力和竖向应力共同作用的结果,水平正向应力的交变变化是使路面产生疲劳破坏的主要因素,水平侧向应力的作用也不可忽视;沥青混凝土层的破坏主要是它存在大量剪切应力所致;半刚性基层和半刚性底基层的水平正向和水平侧向多处于受拉状态,最大水平正向拉应力和最大水平侧向拉应力都发生在半刚性底基层的底部,半刚性路面的疲劳破坏首先是从半刚性底基层开始的。车轮与路面相互作用的切向力和侧向力对沥青面层的剪切应力影响较大,对半刚性路面的弯沉没有影响,对半刚性路面的弯拉疲劳破坏影响甚微。而在车速的影响上,两种模拟方式却在一些指标上得到的结论是完全相反的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 论文选题的意义
• 1.2 路面力学研究现状与发展
• 1.2.1 车辆与路面相互作用动荷载的理论研究
• 1.2.2 路面对荷载响应的研究现状与进展
• 1.3 有限元分析方法在路面荷载响应中的应用
• 1.4 本文主要研究的内容
• 第2章 路面不平整引起的动荷载
• 2.1 车辆振动的原因
• 2.2 车辆动力荷载特性分类
• 2.2.1 半波正弦荷载
• 2.2.2 其它波形荷载
• 2.2.3 傅立叶级数形式
• 2.2.4 随机荷载模型
• 2.2.5 多自由度模型
• 2.3 双自由度车辆模型振动方程的建立
• 2.4 振动方程的求解
• 2.5 路面不平整波长与车速对汽车动载的影响
• 2.6 小结
• 第3章 波动荷载作用下半刚性路面三维有限元分析
• 3.1 引言
• 3.2 波动荷载作用阶段路面结构的力学特性
• 3.2.1 波动效应
• 3.2.2 建立动态波动方程
• 3.3 粘弹性理论
• 3.3.1 Maxwell模型
• 3.3.2 Kelvin模型
• 3.3.3 Burgers 模型
• 3.4 层状体系的基本假设和力学模型
• 3.5 ANSYS 软件简介
• 3.6 半刚性路面在车辆动载作用下的有限元分析
• 3.6.1 模型的几何尺寸
• 3.6.2 材料的力学参数
• 3.6.3 边界条件的确定
• 3.6.4 车轮与路面接触印迹的确定
• 3.6.5 接地压力分布
• 3.6.6 竖向荷载加载
• 3.6.7 水平正向荷载和水平侧向荷载的加载
• 3.6.8 有限单元的选择
• 3.7 半刚性路面在竖向荷载作用下的有限元计算结果及分析
• 3.7.1 半刚性路面轮隙中心动态弯沉
• 3.7.2 半刚性路面轮隙中心点的动态竖直位移响应
• 3.7.3 半刚性路面路表动态弯沉
• 3.7.4 竖向荷载作用下基层和底基层水平正向应力分析
• 3.7.5 半刚性路面基层和底基层水平侧向应力分析
• 3.7.6 沥青层底动态水平正向拉应力响应
• 3.8 三向加载与单向竖向加载的比较
• 3.8.1 三向荷载共同作用下的路表弯沉分析
• 3.8.2 三向荷载共同作用下的轮隙中心点的竖直位移
• 3.8.3 三向荷载作用下基层和底基层的水平正向拉应力
• 3.8.4 三向荷载作用下半刚性基层水平侧向拉应力
• 3.8.5 三向荷载作用下沥青层最大水平正向拉应力响应
• 3.9 粘弹性力学分析
• 3.10 小结
• 第4章 移动荷载作用下沥青路面结构三维有限元分析
• 4.1 半刚性路面在移动荷载作用下的有限元动力方程
• 4.1.1 质量矩阵[M ]
• 4.1.2 阻尼矩阵[C ]
• 4.2 半刚性路面在移动荷载作用下的有限元分析
• 4.2.1 沥青路面有限元模型
• 4.2.2 车轮与路面接触印迹及其接地压力分布的确定
• 4.2.3 加载
• 4.2.4 求解方法的选择
• 4.3 半刚性路面在竖向移动加载下的有限元计算结果与分析
• 4.3.1 沥青路面结构动态位移响应分析
• 4.3.2 半刚性路面动态响应的正应力分析
• 4.3.3 基层和底基层的水平正向应力分析
• 4.3.4 基层和底基层的水平侧向应力分析
• 4.3.5 半刚性路面动态响应的剪切应力分析
• 4.4 小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录