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车辆随机荷载与柔性路面相互作用的研究

杨果岳  
【摘要】: 由于车辆动态荷载的存在,使得静力荷载模式下的分析结果与车辆行驶过程中对路面的实际作用力的差异较大,路面结构的动力学特性也远非静力学特性所能描述,这些缺陷和差异,现有的设计理论和方法是无法从根本上加以解决的。本文针对目前高速公路重型车辆与路面之间相互动力作用研究中的一些热点和难点问题(如车辆随机荷载的实测研究与随机荷载作用下柔性路面层状体系动力响应的研究),以车辆随机荷载及其激励下的路面结构响应为研究对象,将车-路作为相互作用的统一整体,进行了深入的理论分析和试验研究,主要研究内容如下: 1.针对使车辆产生随机振动的激励——路面不平度,分析了高速公路路面不平度PSD的特点和规律。在此基础上,分析与评价了各种车辆振动模型,并用数值计算的方法,利用两自由度车辆模型和单自由度车辆模型对车辆随机振动进行了数值计算,分析了路面不平整度、路面的激振频率、路面波长及路面波数谱密度等路面参数和车辆轮重、行车速度、车轮承重体系刚度和阻尼等车辆参数对车辆动力荷载载的大小和分布的影响。 2.引入多层次分析理论,根据影响车辆随机动荷载的主要因素,在设定的多层次指标体系的基础上,将层次分析法(AHP)用于随机动荷载的评定中。根据分析结果,建立了随机动荷载的分级标准,为合理荷载模型的确定提供了依据。 3.成功地在常(德)张(家界)高速公路上进行了车辆随机载荷的现场试验,通过压电式传感器,测得了车辆轴头处竖向垂直振动加速度的时域曲线并对时域曲线进行了相关分析,在此基础上,得到了车辆垂直振动加速度的均方根值,计算了前后车轮的法向动荷载,研究分析了不同车速、不同载重下车辆随机振动的特点。并对车辆的随机振动进行了自谱与互谱分析,研究了不同车速与载重下车辆的随机振动频谱特性。并通过二次回归正交法,建立了车辆动态荷载与行车速度、载重及它们的二次效应来表示的数学模型, 4.针对柔性路面的力学特性,利用层状粘弹性理论,采用传递函数矩阵,通过Fourier变换和Laplace变换,从而推导出移动简谐冲击荷载作用下动力方程的解析解;并针对解析解求解的困难性,提出基于ANSYS的粘弹性动力有限元数值法对多层体系动力响应进行求解的新途径。 5.利用ANSYS数值计算软件,根据柔性路基路面多层粘弹性体系假设,建立了柔性路面3-D有限元模型,模拟研究了路基路面结构在车辆动荷载作用下的动态响应(主要包括动位移、动正应力、动剪应力、动应变等)及其影响因素,并探讨了在车轮制动力作用下,路面结构层的各种动态响应,研究分析了柔性路面在车辆动荷载与制动作用下的疲劳损伤破坏规律和机理。在此基础上,与试验结果进行了对比,论证了有限元分析的可靠性。 6.成功地在常张高速公路上进行了重型车辆荷载作用下柔性路面的表面垂直振动加速度和动位移试验。研究分析了不同车速、不同载重下路面振动加速度和动位移的特性,把车辆的振动激励与路面的响应作为有机整体进行了分析探讨,并分析了路表面的振动频谱特性。 7.成功地在常张高速公路上进行了重型车辆荷载作用下柔性路基路面各结构层动态响应的试验研究。考察了车辆载重、车速、车道因素对路基路面的动态响应规律的影响,分析了路面结构层振动频谱的竖向变化规律。


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