车辆动荷载下沥青路面力学响应分析

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1、第26卷第6期华东交通大学学报V01．26No．62OO9年l2月JournalofEastChinaJiaotoa~gUniversityDec．，2009文章编号：1005—0523(2OO91O6一(1021—05车辆动荷载下沥青路面力学响应分析袁美俊，纪小平2，邢钦玉，张波2(1．江苏省交通技师学院，江苏镇江212006；2．长安大学公路学院，陕西西安710054；3．路桥华东工程有限公司，上海200135)摘要：为了分析路面结构在行车动荷载作用下的力学响应，建立了单自由度l／4车辆模型和以正弦曲线模拟路面不平整度的模型。通过将不同路面状况和行车速度的组合，分析车辆在各情形

2、下所产生的动荷载，发现路面传给车辆的激励振动频率接近车辆自身振动频率时，车辆对路面产生的动荷载值最大。采用ANSYS静态和瞬态三维有限元方法，计算车辆在静态以及不同速度、不同路面状况下沥青路面面层层底水平拉应变和面层内最大压应变，总体来看采用静态荷载进行路面结构设计是偏安全的。关键词：移动荷载；沥青路面；三维有限元；车速中图分类号：15416．01文献标识码：A国外研究人员通过试验场的测量，得出移动荷载对路面造成的应力、应变要比静态荷载作用下减小50％以上⋯1，可见动荷载作用下，沥青路面结构的应力应变大小及变化规律同静载作用时有很大区别。国内很多学者考虑到路面不平整度和车速等因素造

3、成车辆不同程度的振动，车辆振动时对路面产生附加动荷载，从而路面的受力就有大于静载的情况出现。有学者怀疑采用静态荷载作为路面设计荷载的安全性，所谓动荷载是指荷载的大小、方向、作用点随时间变化，不能够仅仅通过动荷载与静态荷载值的大小比较得出路面在何种状态下不利。考虑最不利动荷载不仅要考虑其值的大小，也要考虑其作用点的移动。本文将通过最不利动荷载与静荷载对路面产生的力学响应的比较，来确定路面在何种条件下是不利的。1路面不平整度的模拟模拟车辆振动激励的路面不平整度模型有很多，其中以路面平整度数据建立正弦波路面表面模型_2]比较常用。假设路面纵剖面表面高程沿路线纵向距离的函数为f()，取路面

4、为正弦波形表面，则表面高程函数．厂(t)=口·sin(加·t)式中，口一振幅，一角频率，=2v·7t／2，一速度，一波长。根据《公路沥青路面设计规范》中对路面平整度的要求，本文选取口=0．006m，实际情况中，路面的不平整度是随机的，很难确定波长。在研究中主要考虑汽车可能产生共振的最不利情况，故拟定波长范围为2～30m。2车轮动载分析汽车是一个复杂的多自由度振动系统，要描述汽车的实际振动性状是一个很复杂的问题。采用单自由度车辆振动模型来计算和分析车辆的振动水平，如图l所示。单自由度系统受迫振动的运动微分方程：』lf·(t)+c·／／,(t)+k-／／,(t)：0。各量之间满足以下关

5、系，(t)=Y(t)一Y(t)，Y(t)=f(t)，f()=口·sin(1t7·)=口·sin(加·口·t)。对车辆的振动方程进行求解[引，可得到(t)=(／w·口)Rd·口·sin(··t一)设(t)为车辆振动产生的动荷载，则Fd(t)=c·(t)+k·u(f)。最终确定：Fd(t)=(／w·)Rd·Ⅱ{c·sin(tc，··t一一·k·cos(·口·t一)}收稿日期：2009—08—20作者简介：袁美俊(1983一)，男，山西翼城人，硕士，助教，研究方向为路面工程。22华东交通大学学报2009年其中：Rd=1／{(1一(W／w·))+(2·(／w·))}，=c／2M·钾，W=(

6、klM)”一。、m一模拟车辆的各部位质量七一车架体系的刚度／N·mc一车架体系的阻尼／N·s·nlY(t)一车架体系在垂直方向上位移l1ll1OOO0Y(t)一路面不平整度给车辆的激励1,(t)一悬架与轮胎问的相对运动方程一相位角3最大动荷载系数的确定图1单自由度1／4车辆振动模型计算最大动荷载后，动荷系数D=Fd⋯_／(+m)·g。参考文献。2j，汽车技术参数选用如下：路面设计选用标准轴载是100kN，所以在1／4模型中只需要考虑的总重量为5000kg，M=4800kg，m：200kg，k=4×lo5N·m_。，c=14000Nm～。计算中考虑的行车速度为l060krn·h一的6

7、个级别速度，确定出不同行车速度与激励波长的关系曲线如图2所示。最大动荷系数在不同的速度下都集中出现在1．41．6之间，在文献[]中计算得到的最大动荷系数为1．29。按计算得到的动荷系数，路面结构所承受的移动荷载最大为静荷载的2．6倍，但是该荷载具体对路面产生如何的影响不能仅通过比较其与静荷载值的大小来得出，还应该考虑到动荷载在路面上的作用时间。在图2中波长一定时，不同行车速度所产生的动荷系数在有些区域变动比较大，比如波长在515m的动荷系数变化很大。当波长超过20In