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复杂行驶工况下考虑沥青路面变温粘弹性的动态轴载换算

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摘要

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 路面动荷载研究

1.2.2 沥青混凝土的材料粘弹性研究

1.2.3 沥青路面温度场研究

1.2.4 轴载换算研究

1.3 本文主要研究内容和技术路线

1.3.1 本文主要研究内容

1.3.2 研究技术路线图

1.4 研究意义

第二章 路面动力学数值仿真精度分析

2.1.ABAQUS动力学分析基本原理

2.1.1 显式动力学有限元分析

2.1.2 显式动力学分析稳定性

2.1.3 无限元分析法基本原理

2.1.4 无限单元在动态分析中的应用

2.2 基于Lamb问题的数值计算有效性验证

2.2.1 Lamb问题的解析解

2.2.2 数值分析的有效性验证

2.3 数值分析模型阻尼比选

2.4 本章小结

第三章 移动荷载作用下路面结构动力响应分析

3.1 建立沥青路面三维数值模型

3.1.1 沥青路面数值模型

3.1.2 模型控制应力选取分析

3.1.3 有限元模型的准确性分析

3.2 移动荷载作用下路面结构动力响应的影响因素

3.2.1 路面摩擦系数对结构动力响应的影响

3.2.2 荷载移动速度对结构动力响应的影响

3.2.3 不同轴载对结构动力响应的影响

3.3 基于沥青层底弯拉应力的动态轴载换算

3.3.1 公路轴载换算理论公式

3.3.2 考虑摩擦系数的动态轴载换算

3.4 本章小结

第四章 沥青路面温度场计算

4.1 沥青路面温度场传导基本理论

4.1.1 热传导微分方程

4.1.2 边界条件

4.1.3 温度场基本理论

4.2 沥青路面温度场实验

4.2.1 温度场实验目的

4.2.2 实验仪器选取

4.2.3 传感器布设及数据采集

4.2.4 沥青路面结构的温度分布及变化规律

4.3 沥青路面温度场数值分析

4.3.1 路面温度场分析模型建立

4.3.2 路面结构温度场数值分析

4.4 本章小结

第五章 变速情况下沥青路面的动力响应分析

5.1 建立轮胎-路面三维数值模型

5.1.1 建立轮胎模型

5.1.2 轮胎-路面模型建立

5.2 城市道路交叉口车辆变速测定实验

5.2.1 视频测速基本原理

5.2.2 视频测速考虑视线误差的车速修正

5.2.3 测量数据整理

5.3 考虑沥青变温粘弹性的路面动力学分析

5.3.1 车辆启动情况下路面动力响应分析

5.3.2 车辆制动情况下路面动力响应分析

5.3.3 不同轴载下变速荷载对路面沥青层剪应力的影响

5.4 基于沥青层剪应力的动态轴载换算

5.4.1 城市道路轴载换算公式

5.4.2 基于道路交叉口沥青层剪应力的动态轴载换算

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 进一步研究展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况

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摘要

现有的沥青路面结构设计将车辆荷载假定为双圆均布静态荷载,忽略了车辆荷载的动态行为和沥青混凝土的粘弹性特征。现行的城镇道路设计规范虽然将沥青层剪应力作为设计指标,但仍借用公路设计规范中沥青路面弯沉和层底弯拉应力的轴载换算公式,这种方法存在不足。因此,本文建立了刚性基层沥青路面三维数值模型,考虑路面温度场对沥青混凝土粘弹性参数的影响,研究移动荷载对沥青路面动力学响应的影响,根据弯拉应力和剪应力指标分别提出了相应的动态轴载换算公式。
  首先,基于二维Lamb问题对数值仿真的有效性进行验证,并对阻尼参数的设定做了比选。建立双圆均布移动荷载作用下的刚性基层沥青路面数值模型,综合分析了荷载移动速度、路面摩擦系数和轴载对路面结构动力响应的影响,获得以沥青层底弯拉应力为指标并考虑路面摩擦系数的动态轴载换算公式。
  其次,进行沥青路面温度场仿真的有效性验证。开展刚性基层沥青路面的温度测量实验,并建立相同工况的数值模型进行温度场仿真,使用检测数据对仿真结果进行了验证,证明了数值分析方法有效可行,计算结果可以为第五章进行沥青材料变温粘弹性分析提供有效的温度场数据。
  再次,建立轮胎-路面结构的三维数值模型。由于轮胎结构十分复杂,所以本文对轮胎结构进行了适当简化,并利用Hypermesh和AutoCAD软件建立子午线轮胎的三维模型。结合温度场仿真数据,通过VUMAT用户子程序将路面结构的沥青混凝土粘弹性参数定义为温度的函数,将轮胎模型导入ABAQUS中与路面结构组成轮胎-路面三维数值模型。
  最后,车辆分别采用不同的加速度和减速度,进行非匀速移动荷载作用下沥青路面的动力响应分析。结合交叉口车辆启动和制动车速实验,在考虑沥青混凝土变温粘弹性的情况下进行沥青路面动力响应数值分析,根据计算结果提出基于刚性基层沥青路面沥青层剪应力的动态轴载换算公式,弥补了当前城镇道路设计规范未单独提出以沥青层剪应力进行轴载换算的不足。

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