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车辆动荷载与路面力学响应的研究

作　者: 李星
导　师: 刘志芳
学　校: 太原理工大学
专　业: 固体力学
关键词: 路面平整度动荷载动力响应车辙数值模拟
分类号: U416.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

现有的沥青路面结构设计理论中,通常采用静态加载模式设计路面各结构层厚度。这种方法适用于车速较低、车载较小的情况,但随着汽车工业的快速发展,车辆的速度越来越快,,重型汽车也越来越多,因此研究行驶的车辆对路面产生的动荷载和路面结构的力学响应具有重要的理论意义和潜在的应用前景。论文在综述路面结构设计方法、车辆动载荷和沥青路面力学响应的基础上,以车辆和沥青路面结构为研究对象,考虑了路面平整度对车辆动荷载及动荷载系数的影响,讨论了不同温度与三种不同累积轴载作用下路面结构层的力学响应。研究了各种路面结构在不同工况下路面车辙、沉陷和裂纹等破坏形式产生及发展机理,车辆动荷载影响系数等规律,研究结果可为路面结构设计提供理论基础和设计依据。主要研究工作包括：(1)建立路面平整度时域模型,考虑了路面平整度对路面的动荷载的影响。研究了将路面平整度作为外部的车辆振动激励时车辆施加给路面的动荷载变化规律。研究结果表明,车辆在同一行驶速度下,施加给路面的动荷载和动载系数随着路面等级的降低而增大；在同一等级的路面行驶时,车辆动荷载和动荷载系数随着车速的增加而增加。(2)基于多层弹性层状体系,将沥青路面结构分为上面层、中面层、下面层、半刚性基层和土基层。利用abaqus有限元软件,建立了三维有限元模型,研究了路面结构在连续变温条件下的力学响应。数值仿真结果表明,随着路面温度的升高路面的弯沉、沥青下面层底面的最大拉应力、半刚性基层底部的最大拉应力和土基层顶部的最大压应变等路面设计指标增加,其中路面弯沉和沥青下面层底面的最大拉应力增幅比较大。因此在路面结构设计中环境温度是不可忽略的因素之一。尤其是在高温时车辆能引起大的路面弯沉值和面层底面拉应力值,这会缩短路面的使用寿命。(3)模拟分析了路面结构在累积轴载5万次、10万次和15万次三种荷载作用下的路面车辙。结果表明各路面结构层所发生的变形形状相似,在轮迹处产生了最大的下陷变形,但由于中面层及下面层路面材料不同,各路面结构所产生的车辙存在差异。中面层的车辙占整个路面车辙的比重最大,沥青路面车辙主要由中面层产生,与实验观测结果相符。随着累积荷载次数的增加,路面面层的车辙都有所增加。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-21
  1.1 引言  9-11
  1.2 常用路面设计方法  11-12
  1.3 国内外研究现状  12-19
    1.3.1 车辆动力学研究现状  12-14
    1.3.2 沥青路面力学响应研究现状  14-19
  1.4 本文工作  19-21
第二章路面平整度  21-35
  2.1 前言  21
  2.2 平整度概念  21-22
  2.3 路面平整度的检测指标  22-26
  2.4 路面平整度时域模型建立  26-29
    2.4.1 线性滤波法  27-28
    2.4.2 频谱表示法  28
    2.4.3 随机序列生成法  28-29
    2.4.4 快速Fourier反变换法  29
  2.5 路面平整度时域模型建立  29-32
  2.6 本章小结  32-35
第三章车辆动荷载的研究  35-51
  3.1 前言  35
  3.2 汽车动荷载模型  35-36
  3.3 汽车模型的建立  36-39
  3.4 车辆振动模型的求解  39-45
    3.4.1 方程的求解  39
    3.4.2 实模态分析法求解振动微分方程  39-42
    3.4.3 拉普拉斯变换法求解系统振动微分方程  42-45
  3.5 求解随机动荷载  45-50
  3.6 本章小结  50-51
第四章不同温度下路面结构的力学响应  51-65
  4.1 前言  51
  4.2 有限元模型建立  51-54
    4.2.1 路面几何与有限元模型  51-53
    4.2.2 路面材料模型  53-54
  4.3 车辆动荷载模型  54-55
  4.4 模拟结果分析  55-63
    4.4.1 路面弯沉值的比较  55-57
    4.4.2 沥青面层底部拉应力比较  57-59
    4.4.3 半刚性基层底面拉应力  59-61
    4.4.4 土基层顶面压应变  61-63
  4.5 本章小结  63-65
第五章瞬态温度场下的路面车辙研究  65-79
  5.1 前言  65
  5.2 路面温度场描述  65-68
    5.2.1 太阳辐射  65-66
    5.2.2 路面有效辐射  66
    5.2.3 气温与路面的对流热交换  66-68
  5.3 沥青路面车辙计算理论  68-71
    5.3.1 沥青路面车辙计算方法  68-69
    5.3.2 沥青路面材料蠕变模型  69-71
    5.3.3 荷载简化  71
  5.4 车辙计算  71-78
    5.4.1 路面温度场分析  73-74
    5.4.2 路面车辙分析  74-78
  5.5 本章小结  78-79
第六章工作总结与展望  79-83
  6.1 总结与结论  79-80
  6.2 工作展望  80-83
参考文献  83-89
致谢  89-91
攻读硕士学位期间发表过的论文  91

车辆动荷载与路面力学响应的研究

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