基于动量原理的大坡度沥青路面动水压力计算及影响因素分析

在多雨地区长大纵坡沥青路面是雨天事故多发区域。应用动量定理,建立了沥青路面动水压力的力学计算模型,并系统分析了车辆荷载、行车速度和道路纵坡对动水压力的影响。结果表明,当水膜厚度3mm时,动水压力随车速及车辆荷载的增大而增大,上坡时,动水压力随着纵坡坡度的增大而增大,下坡时,动水压力随着纵坡坡度的增大而减小。当水膜厚度3mm时,动水压力随车速、车辆荷载增大而增大,上坡时,动水压力随着纵坡坡度的增大而增大,下坡时,动水压力随着纵坡坡度的增大呈先缓慢增加然后又缓慢减小的变化趋势;无论是上坡还是下坡,动水压力都随着车轮半径的增大而增大。本研究成果为多雨地区长大纵坡沥青路面重载交通高速行车易发生交通事故提供了理论分析依据。     

循环剪切荷载作用下软土的力学性状研究

利用从现场取得的原状土样,通过室内动三轴试验对循环荷载作用下的变形、孔压和强度特性进行研究。试验研究主要考虑了周围固结压力、循环剪切应力比、荷载频率和循环次数等因素的影响。研究表明,在循环荷载作用下,孔隙水压力和轴向应变均是一个波动上升的过程。当循环应力比增大时,动孔隙水压力变化幅值显著增加,而残余孔压也较大。同时,孔隙水压力值也随着周围压力的增大而明显增大。当作用荷载频率比较大时,需要更多的循环次数才能达到小频率作用荷载能达到的孔隙水压力值。但是,随着循环荷载作用次数的增加,频率对孔隙水压力的影响有减小的趋势。     

交通荷载下沥青路面车辙三维非线性有限元分析

建立了半刚性沥青路面和柔性沥青路面的三维有限元模型,采用非线性粘弹塑性理论分析了不同交通荷载对沥青路面车辙变形和切应力的影响,并考虑了刹车、路面纵坡对路面车辙的影响。结果表明:在相同荷载作用下,两种路面结构的车辙变形和切应力分布随着路面深度呈非线性分布,但不同路面结构对交通荷载变化的敏感性存在较大的差异;不同的胎压、轮载以及刹车产生的水平力对路面车辙变形有着较大的影响。当胎压为1 050 kPa及轮载为62.5 kN时,路面产生的车辙都大于在标准荷载及标准胎压时路面产生的车辙;在坡度为1%～6%时,路面纵坡对沥青路面车辙深度的影响不明显;在坡道上行车(特别是下行)时刹车是路面车辙过大的主要原因。     

基于FE/EFG耦合方法的沥青路面裂纹扩展模拟

沥青路面裂纹在行车荷载下的裂纹扩展规律对于沥青路面的设计、维护具有重要的指导意义.通过预切口沥青混合料小梁疲劳试验,利用无网格伽辽金/有限元耦合方法,对沥青路面表面裂纹扩展进行了数值模拟,研究了面层厚度、面层模量、基层厚度、基层模量对裂纹扩展的影响规律.结果显示:随着预切口距离加载中心距离的增大,沥青混合料小梁的疲劳寿命增大,裂纹尖端的Ⅰ型应力强度因子减小,裂纹所表现出的Ⅱ型特性增 强;在沥青路面表面裂纹扩展过程中,应力强度因子经历一个急剧上升,达到一个极值后缓慢下降,然后又缓慢上升,最后急剧增加的过程;随面层、基层厚度的增加,表面裂纹尖端的应力强度因子降低;面层、基层模量对裂纹扩展路径的影响较大.     

多沟槽水润滑橡胶合金轴承润滑特性研究

建立了考虑多沟槽润滑结构和实际工况边界条件的水润滑橡胶合金轴承弹流润滑数学模型,数值计算了有无沟槽以及沟槽半径对润滑性能的影响.计算结果表明：沟槽对水润滑橡胶合金轴承润滑性能影响显著,即在沟槽处膜厚较大,压力较低,而在承载区膜厚较小,压力较高,周向方向上压力分布不连续,并且在最小膜厚处轴向方向的入口和出口附近出现了两个压力峰值;水膜压力和最小膜厚均随沟槽半径的增大而减小;承载能力随偏心率增大而增大,随沟槽半径和过渡圆弧半径的增大而减小;摩擦系数随转速增大而略有增大,随沟槽半径的增大显著增加.     

非线性Winkler地基上矩形薄板在移动荷载作用下的非线性动力分析

分析了非线性Winkler地基上矩形薄板在车辆移动荷载作用下的非线性动力特性。考虑地基反力的存在,基于Hamilton能量变分原理,建立了车辆、板、地基耦合系统非线性振动的控制微分方程;并将方程进行了量纲归一化处理,构造了满足周边自由矩形薄板全部边界条件的试探函数;运用伽辽金法和谐波平衡法对耦合系统控制方程进行了求解,讨论了板参数、地基参数、车辆系统参数等变化对耦合系统板振动幅频曲线的影响。结果表明:该耦合系统振动的频率都随板振幅的增大而增大;当板振动的幅值一定时,系统振动频率随着板厚、地基反应模量、车辆运行速度、车体刚度的增大而增大,但随着车体质量的增大而减小。因此,适当增加地基的反应模量可优化地基板的振动,并且从行车舒适性角度考虑,适当控制车速和车体刚度是有益的。     

坡面道路上地面形貌对人体步进摩擦的影响

人体行走经常发生滑摔事故，而坡面道路是人体行走的典型路况之一. 当前通过改变鞋底和地板的材料、鞋底和地板的表面形貌以提高步进摩擦系数的研究多是基于水平路面，对坡面道路上的人体行走，特别是地面形貌变化对坡面道路上的人体行走研究较少. 本文中以45钢作为材料，制备出表面波纹度相同而表面形貌不同的地板，利用步进摩擦试验平台改变行走路面的坡度研究了地面形貌变化对坡面道路上人体步进摩擦的影响. 结果表明:坡度对有效摩擦系数的影响高于表面形貌；随着坡度的增加，安全行走所需的必要摩擦系数增大，地面提供的有效摩擦系数减小，步频则先增大后减小；上坡启动时脚掌与路面的有效接触面积和下坡制动时脚跟的有效接触面积随坡度的增加而减小，导致有效摩擦系数降低，滑摔倾向增大. 人体行走姿态为了保持平衡而缩短步长以降低必要摩擦系数.      

动荷载作用下高速铁路风积土地基动力特性试验研究

根据辽西地区的地震资料和波速测试资料,通过动三轴试验,进行了地震冲击荷载和列车振动荷载两种动荷载作用下辽西风积土地基的动力特性试验研究。研究结果表明,风积土的动强度、动变形和动模量等指标与荷载类型、持续时间、振动频率和动应力幅值等条件有关。在地震荷载作用下,动荷载频率和动应力幅值越大、震动持续时间越长,其产生的动应变越大;在高速列车振动荷载作用下,土的动强度和动抗剪强度随振动次数的增加而降低;固结比相同时,动弹性模量Ed和动剪切模量Gd随固结压力的增大而增大;随动应变εd的增大而减小,且初始时刻减小速度明显,之后逐渐变缓。     

车-钢桥面铺装耦合振动系统动力效应分析

为研究行车车速、桥面的不平度和桥面损伤对车-桥面铺装耦合振动系统动力效应的影响规律,将汽车等效为两自由度五参数模型,将正交异性桥面铺装等效为梁-板结构.在车辆与桥面铺装接触点采用接触力和位移协调的条件,建立车辆和桥面铺装动力耦合系统模型和振动方程组.利用模态分析法以及时变力学系统的求解方法-状态空间法,借助大型有限元软件ANSYS和MATLAB编程技术,求解车-钢桥面铺装耦合振动系统的动力响应.分析由桥面铺装的不平度、车速以及桥面损伤等引起的行驶车辆的随机动荷载对桥面铺装冲击系数的影响,并考虑桥面的不平整将车辆荷载简化成沿铺装层表面的随机动荷载和车辆荷载简化成沿铺装层表面纵向移动的恒载两种加载方式的分析结果进行比较.研究结果表明,在进行铺装层结构设计计算以及复合梁疲劳试验时,可考虑冲击系数为1.5.     

平行运动的粗糙表面润滑承载性能研究

分析了微米级润滑膜条件下,光滑表面在静止粗糙表面上平行运动时的润滑状态及其承载机制,利用Reynolds流体润滑方程分析粗糙度对油膜压力、载荷及摩擦系数的影响,采用有限差分法计算在正弦和随机粗糙峰条件下油膜的压力分布曲面图,通过改变正弦粗糙度的峰高和波长分析油膜承载能力和摩擦系数随粗糙度变化的规律,同时分析了最小油膜厚度对润滑状态的影响.结果表明:两光滑平行运动的平面无法承载,而粗糙表面微粗糙峰的收敛楔形部分可以形成流体动压润滑膜并承受一定载荷;在给定最小油膜厚度的条件下,随着正弦波峰值增加,承载能力达到最大值后缓慢降低,摩擦系数达到最小值后缓慢增大;除了粗糙峰波长很小时摩擦系数很大以外,波长对摩擦系数的影响很小,而承载能力随波长以二次曲线变化并出现最大值;在给定粗糙度幅值条件下,当最小膜厚在1～100 μm时,随着最小油膜厚度的增加,承载能力减小,摩擦系数逐渐增大.     

Traffic performance of a rubber-tracked vehicle travelling up and down a sloped pavement

The tractive and braking performances of a 40 kN rubber-tracked vehicle travelling up and down a sloped pavement depend on the grouser shape. The purpose of this paper is to find the most suitable grouser shape to obtain the maximum optimum effective tractive effort and the maximum optimum effective braking force and to clarify the several traffic performances of the vehicle travelling up and down sloped concrete and asphalt paved roads. As results, it is verified that the most suitable shape of rubber grouser is an equilateral trapezoid type of contact length 3 cm for concrete pavement and another of contact length 5 cm for asphalt pavement, respectively, and that the effective tractive effort and the effective braking force decrease with the increment of slope angle.     

柔性路面的各向异性疲劳损伤数值模型研究

根据柔性路面在交通荷载作用下的力学响应特点,推导了一个各向异性疲劳损伤本构方程,并基于ABAQUS软件及其二次开发平台,建立了考虑各向异性疲劳损伤的路面结构有限元模型。通过建立的模型计算车辆作用下路面结构的疲劳寿命,其结果与试验数据吻合良好,误差最高仅为3.8%,证明该模型精确可靠。最后,分析了疲劳损伤的演化规律,以及路面结构参数对疲劳性能的影响。结果表明,路面纵向疲劳损伤演化速率比横向大得多,随着车辆循环作用,路面结构的各向异性逐渐增强,进而又加剧疲劳损伤的演化。另外,沥青层越厚、土基弹性模量越大,路面疲劳损伤演化得越慢;而当土基较弱、沥青层较薄时,增加级配碎石层厚度可以显著延缓柔性路面的疲劳开裂。     

耦合路面损伤的车辆随机动荷载特性研究

为准确分析车辆对不平整路面作用的实际动荷载,在传统计算方法的基础上,进一步考虑了永久变形和平整度劣化等路面损伤累积的影响,提出了耦合损伤的车辆随机动荷载分析方法.通过计算轴载作用下路面各点的永久变形,推导路面不平整度的更新方程,将其引入车-路系统动力方程,采用Matlab编制求解程序,即可得到任意时间路面各点受到的车辆随机动荷载序列.基于该方法分析了车辆随机动荷载沿轮迹的分布变化,研究了随机动荷载系数随轴次的演化规律.结果 表明,车辆随机动荷载是随时间逐渐增大的动态演化过程,其沿轮迹的分布具有空间可重复性,随着轴载作用,动荷载的离散程度增大,将引起路面各点的损伤累积差异增大;而车辆行驶速度越低,新建路面越不平整,动荷载随时间演化速率越快,对路面造成的损伤越大.     

移动载荷作用下沥青路面稳态响应与计算

为了研究移动载荷作用下沥青路面稳态响应,将沥青路面看作为作用在Kelvin黏弹性地基 上不仅具有弹性而且具有黏滞性的无限长梁,建立了梁的稳态响应数学模型. 找到了稳态响 应与瞬态响应的关系,由瞬态响应解析解得到了稳态响应近似解析解,并进行了实例计算. 从而解决了稳态数学模型难以求解和计算的问题. 计算结果表明,依所给的道路参数和车辆 载荷,只要响应位置距初始位置一定距离,移动载荷作用下沥青路面的瞬态响应即为稳态 响应.     

车辆纵振路面谱及其应用

对车辆纵振路面谱及其在地面-车辆系统中的应用进行了探讨,计算了行车纵剪力及其作用下的路面应力强度因子．与垂向路面谱相比,纵振路面谱代表的路面等级较高．行车纵剪力为均值等于0的平稳随机过程,在它的作用下,路面荷载型裂纹从上到下扩展的速度明显大于从下往上扩展的速度,扩展速度与力的 4次幂成正比．行车纵剪力对路面的裂纹损伤远远大于轮胎路面压力导致的裂纹损伤．     

层间接触对沥青路面粘弹性动力响应影响研究

为分析沥青面层材料粘弹特性及路面各层间接触条件对沥青路面动力响应的影响,基于解析的方法,开展了层间非完全连续沥青路面粘弹性动力响应的求解工作．采用修正的Burgers模型定义沥青面层材料的粘弹性本构关系,考虑沥青路面层间接触条件,在车辆荷载作用下,建立沥青路面的理论计算模型;通过Laplace-Hankel积分变换将偏微分方程组转化为常微分方程组并对问题进行求解;采用转换矩阵表征层间接触条件,求得层间非完全连续沥青路面粘弹性动力响应的解析表达式．从沥青路面实例计算结果发现：修正的Burgers模型中的瞬时弹性模量参数是对弯沉计算结果影响最大的因素之一,路表弯沉随的增大呈下降趋势,特别是当较小时,这种趋势尤为明显;沥青混合料本构模型中的粘弹性修正系数B和黏性参数是影响路面路表弯沉计算结果的另两个重要因素,并且B和对弯沉峰值出现时间的影响具有相反的趋势;层间的非完全连续条件对沥青路面动态弯沉计算结果影响较大,并以面层与基层间的非完全连续对弯沉计算结果影响最为显著．     

现场实测结构温度对半刚性沥青路面性能的影响

针对中国特色的半刚性基层沥青路面,在广韶高速公路瓮城段进行为期一个月高温期的现场温度观测。运用三维有限元方法,结合现场实测温度,分析了半刚性沥青路面结构的最大拉应力、最大剪应力和最大路表弯沉在荷载和荷载耦合作用下的变化情况。结果表明,随着路面深度增加,温度波动的幅度逐渐减小;路面内的最高温度相对大气和路表温度滞后约1小时;沥青路面内部温度高于表面温度;大气、路表和路面内部温度变化基本同步,温度波峰与波谷的出现频率相同;在温度和荷载综合作用下,路表以下2cm深度范围内易出现因拉应力不足造成的开裂破坏;路表以下10cm深度范围内,较易出现剪切破坏;高温温度场的存在虽不会明显增大路面结构各层的拉应力与剪应力,但会明显增大路表弯沉,故易产生车辙破坏。     

沥青混合料车辙变形的离散元数值模拟

采用Burgers模型描述沥青基质的粘弹性,根据实验数据确定Burgers模型参数。借助数字图像处理方法建立试件几何模型,利用离散元法开展了车辙变形的离散元数值模拟,研究了沥青混合料在不同骨料分布、不同载荷和不同温度条件下的车辙深度变化情况。结果表明：温度对车辙变形的影响在沥青软化点附近较大,在离开软化点的范围较小;当温度较低时,混合料的整体性比较好,骨料分布对局部车辙变形的影响比较小,超载引起的车辙增量不太明显,而当温度达到或超过沥青软化点时,混合料的整体性明显下降,骨料分布对局部车辙变形的影响非常突出,超载引起的车辙增量也非常显著。因此,当超载和高温组合到一起时,车辙变形会大幅度增加,将给路面安全带来严重隐患。     

铺装层正交异性钢桥面板有限元分析

以两种截面形状的纵向加劲肋和三种缺口类型的横隔板进行组合,铺设不同厚度、不同弹性模量的沥青混凝土,建立正交异性闭口加劲钢桥面板有限元实体模型;在钢桥面板纵、横向最不利位置进行加载,用Ansys程序计算分析了带铺装正交异性闭口加劲钢桥面板轮载作用下的力学性能,研究了桥面铺装层弹性模量E1和铺装层厚度,对桥面板力学性能的影响规律.E1的改变对铺装层影响的程度大于对钢桥面结构体系,E1增大,钢桥面板最大主应力减小,沥青表面的最大主应力增大;E1越大,E1变化的影响程度也越大;t对正交异性钢桥面板结构体系和沥青铺装内部受力影响较大,随着t的增大,钢桥面板和沥青表面最大主应力均减小.