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第三章沥青路面结掏体系动力有限元模型的建立与求解面有限元分析

发布时间:2019-07-26 17:36 来源:未知 编辑:admin

  第三章沥青路面结掏体系动力有限元模型的建立与求解面有限元分析加载时没必要考虑整辆车所有轮载【 本文仅考虑后轴。分为单轴、双轴和三轴三种类型 如图 所示。 加载 、单轴双轮 、双轴双轮 、三轴双轮图 单轴、敢轴及三轴双轮轮胎接触面积及等效矩形接触面 车辆动力荷载包含两层意思【卅一是力的作用位置改变 二

  第三章沥青路面结掏体系动力有限元模型的建立与求解面有限元分析加载时没必要考虑整辆车所有轮载【 本文仅考虑后轴。分为单轴、双轴和三轴三种类型 如图 所示。 加载 、单轴双轮 、双轴双轮 、三轴双轮图 单轴、敢轴及三轴双轮轮胎接触面积及等效矩形接触面 车辆动力荷载包含两层意思【卅一是力的作用位置改变 二是力的大小改变 对于运动车辆可以设荷载沿 轴以匀速 运动 以描述作用位置的改变 以加载方式划分 可分为运动突发荷载和运动稳定荷载两种 以荷载与地面的接触形态来划分 可以分为点源分布 线源分布和面源分布 将加载方式和接触形态综合考虑 可分为 种典型的动力荷载 如图 所示。实际轮胎接触应力除了竖向压应力 还有横向和纵向应力。 对于匀速行驶车轮与路面接触应力进行研究后发现最大竖向压应力与横向应力、纵向应力之比约为 该文指出横向和纵向接触剪应力对沥青面层底部拉应变基本上没有影响。所以在本文的分析中 对于匀速行驶的车轮 不考虑横向和纵向接触应力 只考虑竖向压应力 大小等于轮胎第三章沥青路面结构体系动力有限元模型的建立与求解胎压。 型恒定荷载 犁稳态 谐和 荷载 型冲击荷载 型随机荷载图 典犁动力荷载‘卅本文采用 型恒定荷载形式 荷载沿路中间匀速行驶 和模型测试边界条件时加载方式相同 采用阶跃荷载来模拟移动加载。整个移动加载区域为路中间共 个单元 总长度为 求解本文对路基路面结构体系动态响应分析就三个方面进行讨论超载影响 速度影响 多轴叠加效应本文加载车辆采用黄河 重型货车 该车后轴为单后轴 双轮中心距为 单轮额定载荷 额定胎压 近似采用胎压作为轮胎接地压力。考虑超载率不同工况见表 考虑车速不同工况见表 考虑轴数不同工况见表 考虑超载率不同工况轴载胎压接触面积双轮距超载率车速 第三章沥青路面结构体系动力有限元模型的建立与求解应当说明的是 当车辆荷载增加或减少而接地压力保持不变时 轮胎作用于路面的接触面积应该是有所变化 但缺少相应的实验数据 故分析中考虑各种荷载的增减不计相应的接触面积变化。表 考虑车速不同工况车速 先通过模态分析获得模型的主响应频率根掘公式 可以求出单元阻尼矩阵。利用 的参数设计语言 编制的施加移动荷载的程序可以模拟汽车匀速移动加载。车速不同只需改变荷载的持续时间即可。本文采用 完全瞬态分析法求解移动荷载下路基路面动力晌应。 本章小结本章以典型城市沥青道路路面结构形式为例 详细讨论了路基路面有限元模型的建立与求解过程。本章模型采用以级配碎石为基层的柔性基层沥青路面结构 路基采用压实土地基 地基土为上海地区典型软土 采用线弹性材料模型 各层之间位移完全连续 不考虑各层接触面之『日 的相对滑动。本章重点讨论了如何确定模型的边界条件 边界条件设定的好坏直接决定了求解的精度。本章采用三个不同的边界条件 分别进行模型测试 结合美国 对于典型沥青路面变形量随车速变化关系的实测图 经过对比分析后 最终确定本文模型的边界条件。采用匀速移动阶跃荷载来模拟车辆移动荷载 在车辆行驶经过的单元上 施加阶跃荷载 荷载持续时『日 为单元边长除以荷载移动速度。本章针对不同超载率 不同车速 不同车轴数下路基路面结构体系动态响应分别进行了求解。第四章沥青道路路基动力响应分析第四章沥青道路路基动力响应分析下图为本文路基路面结构在垂直单向荷载作用下的动态分析力学图式。 一一 对称面一一 垂直单向荷载作用下的道路动态分析力学图式其中车辆行驶轨迹下 观察平面内任何一点 都可视为计算点 方向为道路横向 垂直于车辆行驶方向 向为道路竖向 包括路面结构和路基向为道路纵向 平行于车辆行驶方向 车辆沿 反方向以速度 匀速行驶。众所周知 路基土为典型的非线性材料 美国学者黄仰贤用有限元分析发现 土的非线性性质对路基路面结构竖向和径向位移影响很大 对径向和切向应力影响中等 对竖向和剪切应力影响很小 。这就说明尽管土是非线性的 但是采用弹性理论求解竖向应力同样能够满足精度要求。 世纪 年代术期至 年代初期 美国 发现在柔性路面所测量的表面挠度中 其中 是由路基土所贡献的【 本文的研究也证实了这一点。一般认为路基土挠度越小 即总变形量越小 则路基土相对的塑性变形量也越小 我国沥青公路设计规范中就把路面弯沉量作为主要控制标准 壳牌路面设计手册中也将路基顶面的竖向压应变作为控制标准之一。基于以上考虑 本章主要对路基 包括填土路基及地基的竖向应力和竖向位移进行了详细的分析 如果没有特别说明 分析的都是单轴情况。第四章沥青道路路基动力响应分析 额定荷载下路基路面结构各层竖向应力和竖向位移 额定荷载下路基路面结构各层竖向位移当车速为 通过动力有限元分析得到路基路面各层的竖向位移响应。路基路面各层竖向位移的时程曲线如图所示。 一袅黄色砧厦而额定荷载作用时问 路基路面各层竖向位移时程曲线图分析、沥青面层表面挠度中 以上是由路基土所贡献的 压实路基占 灰黄色粘土层占 淤泥质粘土层占 路面结构各层总和占 左右。 、路基路面各层竖向位移相对荷载有一定的滞后性 车辆行驶过后 才达到位移的最大值 并且深度越大 这种滞后性越明显。各层竖向位移在车辆行驶出计算区域时 回弹量不到 较深处淤泥质软土层位移基本上还没有回弹。考虑到实际道路上车流量较多的情况 各结构层竖向变形会在前一辆车通过后 叠加上后一辆车通过产生的新的位移 较深处软土区叠加效应则更为明显。 、路基路面各点位移对车辆荷载的响应距离不一致 当距离车辆 左右时 灰黄色粘土顶面以上开始有较小位移 随着车辆的驶近 位移逐渐交快 距离车辆 左右时 淤泥质粘土项面开始有显著变形 但变形量增长速度明显较上部土层慢。 额定荷载下路基路面结构各层竖向正应力 呻第四章沥青道路路基动力响应分析图为路基路面结构各层竖向正应力时程曲线图 车速为 沥青袭面。基瑶顶面 路基路面各层竖向正应力时程曲线图分析、与位移一样 应力相对荷载也有一定的滞后性 但是不如位移明显 应力消散的速度也比位移快。 、应力随深度增加急剧衰减 面层内减少 基层内减少 底基层内减少 到达压实路基顶面时 竖向压应力为路表面应力的 左右 大小在 即使压应力已经足够小但路基还是产生了占总挠度 的位移。 、沥青表面随着车辆荷载的驶进 在距离车辆 出现较小拉应力但很快转变为压应力 路基路面各点应力对车辆荷载的响应距离基本一致 能够产生明显应力变化的行车荷载影响范围一般在计算点前后 左右。 超载对路基各层竖向应力和竖向位移的影响 超载对路基各层竖向位移的影响图 为路基路面结构各层竖向位移随时间变化图 车速为 分别计算了车辆荷载为额定荷载、超载 、超载 三种工况 分析中考虑各种荷载的增减不计相应的接触面积变化 三种荷载工况分别用胎压为 来表征近似采用胎压作为轮胎接地压力。图 灰黄色粘士顶面淤泥质枯十顶面图 路基各层竖向位移时程曲线图 第四章沥青道路路基动力响应分析图 路基各层最人位移与胎压关系图分析 、压实路基项面位移在车辆通过约 后达到其最大值。额定荷载、超载 和超载 时的最大竖向位移值分别为 。灰黄色粘土顶面位移在车辆通过约后达到最大值 额定荷载、超载 和超载 的最大竖向位移值分别为 。淤泥质粘土顶面位移在车辆通过后达到最大值 额定荷载、超载 和超载 的最大竖向位移值分别为 。路基各层竖向位移增长量和胎压增长量近似成线性关系这和假设荷载增加而接地面积不变有关 实际上 超载车的轮胎接地面积比额定荷载下要大 轮胎接地面积的增大对减少对路面的损坏是有帮助的。 、额定荷载下 压实路基顶面竖向位移为 整个路面结构总位移仅为。这是由于路面结构各层回弹模量比路基各层要大很多 路基软土层回弹模量仅为 大约为底基层回弹模量的 。实际很多道路是建在软土路基上 即使路基主固结度完成 交通荷载下的软基变形也是个不容忽视的问题。 超载对路基各层竖向应力的影响图 为不同荷载下路基各层竖向萨应力时程曲线图 车速为 。图第四章沥青道路路基动力响应分析 为路基各层最大竖向正应力与荷载关系图。 压实路基顶面 灰黄色粘土项面 一额定荷载超载 荷载作用时 淤泥质枯土顶面图不同荷载 路基各层竖向 戍力时稃曲线图第四章沥青道路路基动力响应分析图 路基各层最大竖向应力与荷载关系图分析 、路基各层应力峰值大小随深度增加而减小 压实路基顶面在额定荷载下最大竖向正应力为 灰黄色粘土顶面为 淤泥质粘土顶面为 、路基各层应力峰值出现时间随深度增加依次滞后压实路基顶面在车辆经过 达到峰值 灰黄色粘土顶面在车辆经过 到达峰值 淤泥质粘土顶面在车辆经过 到达峰值。 、和位移随荷载变化关系一样 路基各层竖向应力也随胎压增长而近似线性增长。 车速对路基各层竖向应力和竖向位移的影响行驶的汽车对路面施加的荷载有瞬时性车轮通过路面上任一点 路面承受荷载的时间是很短的 大概只有 左右。在路面以下一定深度处 应力作用的持续时间略长一点 但仍然是十分短暂的。由于路面结构中应力传递是通过相邻的颗粒来完成的 若应力出现的时间很短 则来不及传递分布 其变形特征便不能像静载那样呈现的那么完全 。本文计算了车速分别为 额定荷载下路基路面结构各层的竖向位移和应力动态响应。图置阜长避足鲥

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