基于车辆耦合系统下的沥青路面结构行为仿真分析

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、.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，

8、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