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1、基于基于车路耦合系统车路耦合系统下的下的沥青路面结构沥青路面结构行为仿真分析行为仿真分析道路工程研究所道路工程研究所 路桥检测中心路桥检测中心 李正中李正中 邓国瑞邓国瑞 20112011年年1212月月2424日日p研究背景及意义研究背景及意义p项目特点项目特点p国内外现状及发展动态国内外现状及发展动态p研究内容及思路研究内容及思路p技术框架及路线技术框架及路线p课题进展情况课题进展情况p合作倡议合作倡议汇汇 报报 内内 容容研究范畴研究范畴 车路耦合系统车路耦合系统下的路面结构下的路面结构动力学问题动力学问题研究思想研究思想 将将车辆系统和道路系统车辆系统和道路系统视为相互影响、相互作用、
2、相互视为相互影响、相互作用、相互耦合的耦合的整体大系统整体大系统，将，将轮胎与路面的相互作用关系轮胎与路面的相互作用关系作为连作为连接两个子系统的纽带，综合考虑车辆在接两个子系统的纽带，综合考虑车辆在阻尼道路结构阻尼道路结构上的上的动动态运行行为态运行行为、车轮与路面的、车轮与路面的动态相互作用特性动态相互作用特性以及车辆对路以及车辆对路面结构的面结构的动力作用规律动力作用规律，系统，系统研究路面结构在车辆运动荷研究路面结构在车辆运动荷载下的力学响应情况载下的力学响应情况，以此，以此指导路面结构层位功能分析及指导路面结构层位功能分析及材料设计材料设计。1 1 研究背景及意义研究背景及意义p研究
3、出发点研究出发点路面路面力学计算所采用的加载模式力学计算所采用的加载模式与与车辆对道路的实际作用情况车辆对道路的实际作用情况相差太大相差太大，难以反映难以反映道路结构在道路结构在实际行车荷载实际行车荷载下的力学行为下的力学行为 1 1 研究背景及意义研究背景及意义车辆与道路的实际作用情况：车辆与道路的实际作用情况：由于由于车辆自身的振动作用以及路面平整度的不规则变化车辆自身的振动作用以及路面平整度的不规则变化，车辆行驶时，车辆行驶时，车轮实际上车轮实际上是以一定的频率和振幅在路面上振动是以一定的频率和振幅在路面上振动，这种振动与路面平整度及行车参数有一定关，这种振动与路面平整度及行车参数有一定
4、关系，而且反过来也会影响对路面施加的作用力，从而系，而且反过来也会影响对路面施加的作用力，从而在道路和车辆之间产生耦合作在道路和车辆之间产生耦合作用用。也就是说，在车辆行驶过程中，。也就是说，在车辆行驶过程中，车辆外加荷载与路面各参数之间是相互影响和车辆外加荷载与路面各参数之间是相互影响和相互作用的相互作用的。 路面力学计算所采用的加载模式：路面力学计算所采用的加载模式：1 静载模式无法描述路面结构在动荷载作用下所产生的疲劳开裂等现象静载模式无法描述路面结构在动荷载作用下所产生的疲劳开裂等现象2 简单的动载模式（固定波形固定频率下的动载）与路面结构实际所受的行车荷载简单的动载模式（固定波形固定
5、频率下的动载）与路面结构实际所受的行车荷载差异太大，差异太大，完全未考虑行车参数及路面表面特征对行车荷载的反馈影响完全未考虑行车参数及路面表面特征对行车荷载的反馈影响p学科交叉，主要涉及学科交叉，主要涉及道路工程和车辆工程道路工程和车辆工程两个领域两个领域p新颖、复杂，新颖、复杂，动力学问题动力学问题，对，对力学分析和数值计算能力力学分析和数值计算能力要求高要求高p基础性强基础性强，所建立的车路耦合系统力学分析模型属于，所建立的车路耦合系统力学分析模型属于平台搭建平台搭建，在此，在此平台上平台上可以继续深化研发可以继续深化研发（如补充温度场耦合、水力场耦合等，（如补充温度场耦合、水力场耦合等，
6、构建构建以车路耦合为基础的多相耦合分析系统以车路耦合为基础的多相耦合分析系统），更），更深入地研究路面结深入地研究路面结构在行车荷载及自然环境下的实际力学行为构在行车荷载及自然环境下的实际力学行为，从而，从而提升路面结构提升路面结构与材料一体化设计的层次与材料一体化设计的层次p涉及计算分析工具：涉及计算分析工具： 有限元分析软件（有限元分析软件（ANSNY/ABAQUSANSNY/ABAQUS） 矩阵算法及仿真分析软件（矩阵算法及仿真分析软件（MATLABMATLAB） 2 2 项目特点项目特点 我国路面设计将标准轴载简化为单圆或双圆均布荷载进行计算，我国路面设计将标准轴载简化为单圆或双圆均布
7、荷载进行计算，显然显然未考虑车辆对路面的动态相互作用未考虑车辆对路面的动态相互作用，即使考虑动态作用，也只限于在即使考虑动态作用，也只限于在静力设计的基础上根据经验用冲击系数进行修正静力设计的基础上根据经验用冲击系数进行修正。 目前，国内学者在车路耦合作用方面的研究相对较少，而且目前，国内学者在车路耦合作用方面的研究相对较少，而且主要主要集集中在车辆工程和道路工程各自领域内。中在车辆工程和道路工程各自领域内。3 3 国内外现状及发展动态国内外现状及发展动态车辆工程领域：车辆工程领域：把路面不平整度作为一种随机激励来求解车辆在这种激励下产把路面不平整度作为一种随机激励来求解车辆在这种激励下产生的
8、动态响应，从而优化车辆设计参数生的动态响应，从而优化车辆设计参数。道路工程领域：道路工程领域：直接建立一种固定的车辆荷载模型（通常是将车辆荷载看成正直接建立一种固定的车辆荷载模型（通常是将车辆荷载看成正弦波形式的荷载），然后研究路面结构在这种固定荷载模型下的动力响应，从弦波形式的荷载），然后研究路面结构在这种固定荷载模型下的动力响应，从而优化路面结构设计。而优化路面结构设计。上述方法上述方法都没有将道路工程与车辆工程作为整体系统来考虑都没有将道路工程与车辆工程作为整体系统来考虑，没有考虑车路之没有考虑车路之间的耦合作用关系间的耦合作用关系，对路面结构动力响应的分析计算，对路面结构动力响应的分析
9、计算不能真实反映实际情况不能真实反映实际情况。p国内研究状况国内研究状况 从数量看：研究较少、相关文献较少从数量看：研究较少、相关文献较少 从深度和发展看：从深度和发展看：日益得到重视日益得到重视从区域看：主要集中于东南大学、哈尔滨工业大学、长安大学等从区域看：主要集中于东南大学、哈尔滨工业大学、长安大学等 p典型文献及研究内容典型文献及研究内容3 3 国内外现状及发展动态国内外现状及发展动态基于车路耦合系统的路面动力学分析必将成为路面力学计算的主流基于车路耦合系统的路面动力学分析必将成为路面力学计算的主流钟阳，王哲人钟阳，王哲人. .不平整路面上行驶的车辆对路面随机动压力的分析不平整路面上行
10、驶的车辆对路面随机动压力的分析. .中国公路学报中国公路学报.1992.1992主要内容：把汽车简化为两自由度和五自由度体系，考虑不平整路面上行驶的车辆对路主要内容：把汽车简化为两自由度和五自由度体系，考虑不平整路面上行驶的车辆对路面产生的随机动压力问题，初步分析了车辆荷载和行车速度的关系面产生的随机动压力问题，初步分析了车辆荷载和行车速度的关系 黄晓明黄晓明. .路面动荷载与路面平整度的随机关系分析路面动荷载与路面平整度的随机关系分析. .东南大学学报东南大学学报.1993.1993主要内容：从理论上分析了路面平整度与路面所受动荷载之间的关系，通过实例分析了主要内容：从理论上分析了路面平整度
11、与路面所受动荷载之间的关系，通过实例分析了轮胎刚度、汽车速度及路面平整度对车辆冲击系数的影响轮胎刚度、汽车速度及路面平整度对车辆冲击系数的影响 孙璐，邓学钧孙璐，邓学钧. .车辆一路面相互作用产生的动力荷载车辆一路面相互作用产生的动力荷载. .东南大学学报东南大学学报.1996.1996主要内容：主要内容：分析了路面在分析了路面在“运动的确定或随机荷载激励运动的确定或随机荷载激励”下的路面响应问题下的路面响应问题 葛剑敏葛剑敏，郑联珠郑联珠. .路面特性对车辆振动影响规律研究中国公路学报路面特性对车辆振动影响规律研究中国公路学报. 20042004主要内容：主要内容：对软路面上车辆的各向振动进
12、行研究，通过进行单因素（路面平整度、胎压、对软路面上车辆的各向振动进行研究，通过进行单因素（路面平整度、胎压、路面抗压强度和牵引负荷）分析，确定对车辆振动影响显著的因素及影响规律。路面抗压强度和牵引负荷）分析，确定对车辆振动影响显著的因素及影响规律。吕彭民吕彭民, ,尤晋闽尤晋闽. .路面随机不平度下车辆对路面的动载特性路面随机不平度下车辆对路面的动载特性. .交通运输工程学报交通运输工程学报.2007.2007主要内容：采用快速傅里叶逆变换法对路面随机平整度进行时域模拟，建立主要内容：采用快速傅里叶逆变换法对路面随机平整度进行时域模拟，建立1/21/2车辆动车辆动力学模型，应用龙格力学模型，
13、应用龙格- -库塔法分析路面等级、车速、载质量和车辆参数对路面动载荷的库塔法分析路面等级、车速、载质量和车辆参数对路面动载荷的影响，研究了车辆产生的动载荷规律。影响，研究了车辆产生的动载荷规律。 罗红罗红，梁波梁波，苏世毅苏世毅. .车辆车辆 - - 道路垂向耦合动力分析模型道路垂向耦合动力分析模型 . . 重庆交通大学学报重庆交通大学学报 .2008 .2008主要内容：建立车辆动力学模型，采用主要内容：建立车辆动力学模型，采用ANSYSANSYS有限元建立路面力学模型，对车辆振动方有限元建立路面力学模型，对车辆振动方程和道路振动方程联立方程组并进行解耦计算，初步建立垂向动力耦合动力分析模型
14、。程和道路振动方程联立方程组并进行解耦计算，初步建立垂向动力耦合动力分析模型。 苏世毅苏世毅. .考虑路面平整度因素的车考虑路面平整度因素的车- -路耦合系统动力特性分析路耦合系统动力特性分析/ /硕士硕士. . 重庆交通大学重庆交通大学.2006.2006吴志华吴志华. .基于车路耦合系统下的道路友好特性研究基于车路耦合系统下的道路友好特性研究/ /硕士硕士. . 重庆交通大学重庆交通大学.2008.2008主要内容：基于主要内容：基于1/41/4车辆动力学模型和车辆动力学模型和ANSYSANSYS所构建的路面动力学计算模型，以车辆轮胎所构建的路面动力学计算模型，以车辆轮胎与道路接触作为耦合
15、条件，对车路耦合方程组进行解耦，并计算路面参数对行车舒适性与道路接触作为耦合条件，对车路耦合方程组进行解耦，并计算路面参数对行车舒适性和路面力学行为的影响。和路面力学行为的影响。 p国外研究状况国外研究状况 基于车路耦合相互作用的分析和研究基于车路耦合相互作用的分析和研究已引起普遍重视已引起普遍重视，并，并已开展已开展了较多的研究工作了较多的研究工作，尤其是美国从，尤其是美国从19871987年至年至19931993年先后投资近年先后投资近7.57.5亿美元用于开展高速公路静态和动态性能的研究，其中亿美元用于开展高速公路静态和动态性能的研究，其中动态性能研究动态性能研究主要集中于车辆相互作用方
16、面主要集中于车辆相互作用方面，其，其主要思路主要思路是是将车辆模型和道路将车辆模型和道路模型分开建模，借助振动系统理论，分析运动的点源随机荷载下模型分开建模，借助振动系统理论，分析运动的点源随机荷载下的路面力学响应问题的路面力学响应问题。上述研究。上述研究普遍考虑了车辆参数对路面的动载普遍考虑了车辆参数对路面的动载影响以及由此而引起的路面应力、应变响应的影响，并指导国内的影响以及由此而引起的路面应力、应变响应的影响，并指导国内的相关研究工作。相关研究工作。 3 3 国内外现状及发展动态国内外现状及发展动态国外路面设计已逐步采用动载作用下的试验参数国外路面设计已逐步采用动载作用下的试验参数p研究
17、内容研究内容1 构建车路耦合系统力学分析模型构建车路耦合系统力学分析模型 建立建立车辆动力分析模型车辆动力分析模型+ +动力平衡方程动力平衡方程 建立建立道路动力分析模型道路动力分析模型+ +动力平衡方程动力平衡方程 车路耦合系统车路耦合系统激励方式（路面平整度）的数学仿真激励方式（路面平整度）的数学仿真 车路耦合系统动力车路耦合系统动力平衡方程组的建立及解耦计算平衡方程组的建立及解耦计算2 基于模型进行路面结构力学响应分析计算基于模型进行路面结构力学响应分析计算 路表弯沉路表弯沉+ +层底弯拉应力层底弯拉应力+ +层间抗剪强度层间抗剪强度 沿路面深度及宽度内的应力应分布情况沿路面深度及宽度内
18、的应力应分布情况p研究思路研究思路l构建车路耦合系统力学分析模型是构建车路耦合系统力学分析模型是重中之重重中之重l车路耦合系统力学分析模型是车路耦合系统力学分析模型是所有计算的基础和平台所有计算的基础和平台l构建模型构建模型应从简单处从大处入手，逐步修正，逐步完善应从简单处从大处入手，逐步修正，逐步完善l路面力学响应分析的路面力学响应分析的指导性要强，针对性明确指导性要强，针对性明确4 4 主要研究内容及思路主要研究内容及思路p技术框架技术框架在调研大量资料的基础上在调研大量资料的基础上尝试构建车路耦合系统力学分析模型尝试构建车路耦合系统力学分析模型基于对路面结构力学行为的已有认识来基于对路面
19、结构力学行为的已有认识来修正和完善新的模型修正和完善新的模型基于新的模型对路面结构力学响应基于新的模型对路面结构力学响应重新进行计算重新进行计算p技术路线技术路线 建立车辆动力分析模型建立车辆动力分析模型+ +动力平衡方程动力平衡方程 考虑研究既简单又符合实际，采用考虑研究既简单又符合实际，采用1/2车的四自由度车辆模型车的四自由度车辆模型 建立车辆动力平衡方程时，仅考虑竖向振动建立车辆动力平衡方程时，仅考虑竖向振动 建立道路动力分析模型建立道路动力分析模型+ +动力平衡方程动力平衡方程 考虑材料的非线性特性和软件差异，选择考虑材料的非线性特性和软件差异，选择ABAQUSABAQUS进行有限元
20、计算进行有限元计算 车路耦合系统激励方式（路面平整度）的数学仿真车路耦合系统激励方式（路面平整度）的数学仿真 基于功率谱密度，采用谐波叠加法进行路面平整度数据的随机仿真基于功率谱密度，采用谐波叠加法进行路面平整度数据的随机仿真 车路耦合系统动力平衡方程组的建立及解耦计算车路耦合系统动力平衡方程组的建立及解耦计算 根据轮胎与路面的位移相容条件对两个振动方程进行解耦计算根据轮胎与路面的位移相容条件对两个振动方程进行解耦计算5 5 研究框架及技术路线研究框架及技术路线通过调研相关文献资料，通过调研相关文献资料，细化研究内容，确定思路及技术路线细化研究内容，确定思路及技术路线通过交流探讨，通过交流探讨
21、，初步搭建本课题研究团队及技术分工初步搭建本课题研究团队及技术分工通过分析比选，确定本课题用通过分析比选，确定本课题用车辆振动模型及竖向动力平衡方程车辆振动模型及竖向动力平衡方程已基于已基于ABAQUSABAQUS建立路面结构有限元计算模型建立路面结构有限元计算模型初步初步掌握基于谐波叠加法进行路面平整度的数学仿真生成掌握基于谐波叠加法进行路面平整度的数学仿真生成 后续研究后续研究l 车辆动力方程与路面动力方程的车辆动力方程与路面动力方程的联立及解耦联立及解耦计算计算l 车路耦合系统力学计算模型的车路耦合系统力学计算模型的修正和完善修正和完善6 6 课题进展情况课题进展情况p希望对本项目有兴趣的同仁加入课题组，希望对本项目有兴趣的同仁加入课题组， 共同学习，共同研究，共同提高共同学习，共同研究，共同提高 p希望在希望在力学计算、有限元数学建模、数值计算力学计算、有限元数学建模、数值计算等方面有基等方面有基础的同学，能够帮助课题组开展工作，共同参与础的同学，能够帮助课题组开展工作，共同参与车路耦合车路耦合系统下路面动力学分析模型系统下路面动力学分析模型这一平台的建设工作这一平台的建设工作7 7 合作倡议合作倡议谢谢谢谢 谢谢谢谢 大大大大 家家家家
