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基于路面平整度时域模型的沥青路面车辙计算方法研究

作　者: 陈洪兴
导　师: 何兆益
学　校: 重庆交通大学
专　业: 道路与铁道工程
关键词: 路面平整度路面功率谱密度时域动载有限元车辙
分类号: U416.217
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 323次
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内容摘要

沥青路面作为我国高等级路面的主要结构形式,随着交通量和轴载的不断增加,交通渠化程度的提高,车辙问题日益严重,已经成为沥青路面早期破坏主要的一种病害形式。车辙的产生会严重影响行车舒适性和安全性,并降低了道路的使用寿命。如何准确地对现有路面结构进行车辙预估和计算具有十分重要的现实意义。本文以国家自然基金项目“基于行车动力作用的沥青路面车辙计算与预估方法研究”为依托,主要研究内容包括:沥青路面车辙产生的机理及各影响因素对车辙产生趋势的影响;路面平整度与车辙的相互关系;路面不平度仿真方法的研究;各等级路面动荷载模型的研究;有限元车辙计算的实现。在充分借鉴现有研究成果的基础上,指出行车动荷载作用和沥青混合料的粘弹塑性力学特性是车辙产生的主要原因。而路面平整度是车辆振动的主要原因之一,直接影响行车动荷载的大小,从而影响沥青路面车辙的产生。通过对重庆地区高等级沥青路面的平整度测试,建立路面平整度的频域模型和时域模型。通过理论公式推导,得出了基于国际平整度指数IRI的路面不平度仿真方法,并对实测路面进行不平度仿真,得到实际路面的不平度。通过CAE仿真软件ADAMS建立整车模型进行车路耦合作用,计算得到车辆行驶在路面上产生的随机动荷载离散值,在此基础上,充分考虑路面的实际受力和车辆的间歇时间影响,建立不同等级路面的典型动荷载模型。结合动力有限元理论和沥青混合料的粘弹性理论,运用大型有限元软件ANSYS,建立路面结构的二维有限元模型,考虑材料的非线性和动荷载模型,对邯长高速公路试验路段的路面结构进行车辙的有限元计算,并与实测结果比较表明:通过建立路面时域模型,考虑车—路耦合作用计算得到荷载模型,进行车辙有限元计算方法合理可行。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-10
第一章绪论  10-18
  1.1 项目研究背景  10-12
  1.2 沥青路面车辙国内外研究现状  12-16
    1.2.1 国外研究情况  12-13
    1.2.2 国内研究情况  13-14
    1.2.3 沥青路面车辙研究方法小结  14-16
  1.3 本文研究的主要内容  16-18
第二章车辙现象分析与路面平整度  18-37
  2.1 沥青混合料  18-22
    2.1.1 发展历史  18
    2.1.2 结构与基本强度构成  18-19
    2.1.3 沥青混合料变形基本特性  19-22
  2.2 车辙现象分析  22-28
    2.2.1 车辙形成机理  22-23
    2.2.2 车辙变形影响因素  23-28
  2.3 路面平整度  28-36
    2.3.1 路面平整度的定义  29-30
    2.3.2 路面平整度的测量方法  30-32
    2.3.3 路面平整度的检测评价指标  32-36
  2.4 本章小结  36-37
第三章平整度时域模型的建立  37-67
  3.1 随机过程基本概念  37-40
    3.1.1 随机过程  37-38
    3.1.2 平稳随机过程  38-39
    3.1.3 各态历经随机过程  39-40
    3.1.4 傅立叶变换  40
  3.2 功率谱密度  40-42
    3.2.1 功率谱密度的定义  40-42
    3.2.2 功率谱密度的物理意义  42
  3.3 路面功率谱密度  42-47
    3.3.1 空间频率  43
    3.3.2 路面空间功率谱密度  43-44
    3.3.3 路面功率谱密度表示方法及其分级标准  44-47
  3.4 国际平整度指数与路面功率谱密度关系  47-52
    3.4.1 理想车模型的响应特性  47-49
    3.4.2 推导过程  49-51
    3.4.3 国际平整度指数IRI 与路面功率谱密度的简化关系式  51-52
  3.5 平整度时域模型的建立  52-66
    3.5.1 白噪声激励模拟  53
    3.5.2 离散时间随机序列生成法  53-54
    3.5.3 随机正弦波叠加模拟  54-55
    3.5.4 基于傅立叶逆变换仿真模拟  55-58
    3.5.5 时域建模方法的分析与讨论  58-62
    3.5.6 实测路面的不平度仿真分析  62-66
  3.6 本章小结  66-67
第四章行车动荷载模型的建立  67-90
  4.1 车辆振动的原因  67-68
  4.2 典型的汽车荷载模型  68-69
  4.3 汽车模型的建立  69-74
  4.4 虚拟激励法的基本原理  74-77
    4.4.1 平稳单激励问题  75-76
    4.4.2 平稳多激励问题  76-77
    4.4.3 运用虚拟激励法表示路面随机输入  77
  4.5 虚拟激励法在车轮动荷载分析中的应用  77-79
  4.6 动荷载模型的建立  79-88
    4.6.1 ADAMS 软件介绍  80-81
    4.6.2 多自由度车辆模型的建立  81-85
    4.6.3 动荷载模型的建立  85-88
  4.7 本章小结  88-90
第五章有限元理论在沥青路面车辙计算中的应用  90-111
  5.1 有限元基本知识简介  90-95
    5.1.1 有限元理论概述  90-94
    5.1.2 ANSYS 简介  94-95
  5.2 沥青路面力学计算模型的建立  95-96
  5.3 粘弹性层状体系有限元分析  96-107
    5.3.1 粘弹性理论概述  96-98
    5.3.2 沥青混合料的粘弹性理论  98-102
    5.3.3 层状粘弹性体系有限单元离散模型建立  102-103
    5.3.4 车轮与路面接触印迹的简化确定  103-105
    5.3.5 单元类型的选择  105
    5.3.6 屈服准则  105-107
  5.4 动粘弹性有限元运动方程的求解  107-110
    5.4.1 质量矩阵和阻尼矩阵  107-108
    5.4.2 动力平衡方程的直接积分  108-109
    5.4.3 收敛性问题和时间步长的选取  109-110
  5.5 本章小结  110-111
第六章沥青路面车辙的有限元计算  111-127
  6.1 路面结构尺寸和单元类型的选择  111-113
  6.2 材料模型参数的确定  113-116
  6.3 边界条件及层间接触  116
  6.4 温度  116-119
  6.5 荷载与交通量的计算  119-121
  6.6 有限元计算结果分析  121-126
  6.7 本章小节  126-127
第七章结论与展望  127-130
  7.1 主要研究成果  127-129
  7.2 后续工作的展望  129-130
致谢  130-131
参考文献  131-136
在学期间发表的论著及取得的科研成果  136

基于路面平整度时域模型的沥青路面车辙计算方法研究

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