【作品展示】ANSYS在沥青路面模拟分析中的应用

2016-10-22 by:CAE仿真在线来源:互联网

作者:阿铁

1. 背景介绍

本文主要介绍了通用有限元软件ANSYS在半刚性基层沥青路面分析中的应用。首先,建立温度场,计算连续高温环境下沥青路面温度场,为后面的车辙预估模型提供环境温度数据。再建立三维有限元模型,考虑基层反射裂缝的影响。在路面施加水平和竖直耦合作用的移动荷载,分析路面弯沉、裂缝张开量等指标的变化规律。

2. 路面结构温度分析

采用二维有限元模型,路面结构层由4层组成,由上至下依次为沥青面层、水泥稳定碎石基层、二灰土底基层和土基,其中沥青面层由上中下三层组成。

图1 路面结构

图2 路面结构有限元模型

取有限元模型宽5m,深度3m。初始温度20℃,路表作用太阳辐射、空气对流热流交换边界条件。

在太阳辐射和热交换共同影响下,路面结构层温度从20℃开始变化,随着时间和深度不同,温度场分布有较大差异。计算十个周期(十天)的环境连续变化作用。沥青面层顶(深度0 cm,绿色曲线),沥青面层底(深度18 cm,紫色曲线)以及底基层中间(深度58 cm,红色曲线)的温度(℃)随时间变化曲线如图2.3所示。图显示路面结构在4个周期的持续作用后温度趋于稳定。第五个周期到第十个周期内,路表和沥青曾底温度日变化基本不变,底基层略有增长。因此后续分析中以第五个周期温度场分布为对象进行分析。

图3 路面结构层温度-时间曲线

第五个周期中,路面各层结构温度-时间曲线如图4所示,其中,16:00时刻路面结构温度场分布如图5所示。

图4 第五个周期路面结构层温度-时间曲线

图5 第五个周期16:00时刻的温度场分布

3. 考虑基层反射裂纹的沥青路面动态分析

通过建立三维有限元模型,研究了在基层有反射裂缝的情况下路面的沉降和应力情况。有限元模型如图6所示。在水泥稳定碎石基层(图中蓝色结构层)设置有上下贯穿的裂缝,裂缝平行于YZ平面,位于模型中心。

图6 有限元模型

模型假设同类材料变形连续,不同材料路面结构层间采用库仑摩擦接触。因此,沥青面层和基层,基层和底基层之前的摩擦系数取为0.5,沥青各面层之间,底基层和土基之间考虑为完全连续的状态。

车辆驶过裂缝的过程中,在双轮组车轮作用下,路表变形是不均匀的。图7为此时的弯沉量分布情况。

图7 裂缝断面处弯沉分布

可以发现,路表弯沉沿道路横向呈“W”型:双轮组作用下,车轮与路面接触面弯沉最大,车轴中心处弯沉约为最大弯沉的67.8%;距离车轴越远,弯沉值越小;对于双轮组车轮,双轮间局部有隆起现象,弯沉相对较小;最大弯沉出现在内侧车轮与路面接触面内,内外侧车轮最大弯沉值相差约2.4%。

车辆驶过裂缝的过程中,裂缝处最大弯沉dc的变化过程如图8所示。横坐标负值表示车辆到达裂缝前车轴距离裂缝的距离,正值表示驶过裂缝后距裂缝的距离。

图8 车辆驶过裂缝过程中dc变化曲线

图中可以发现,曲线并非关于x=0轴对称,当距离相同时,到达裂缝位置前产生的弯沉值比驶过裂缝后稍小一些,这是由于水平载荷作用引起的。

3.1水泥稳定碎石基层裂纹的影响

在荷载作用下,水泥稳定碎石基层裂缝会出现变形。如图9所示,裂缝上下端点分别为A、B。在行驶过程中,A、B两点在行车方向会产生不同的位移,使裂缝张开量发生变化。

图9 基层裂缝示意图

对比A、B两点裂缝张开量的变化情况。图10为车辆行驶过裂缝过程中,A、B两点裂缝张开量CMODA、CMODB变化曲线。其中横坐标负值表示车辆到达裂缝前车轴距裂缝的距离,正值表示车辆驶过裂缝后距裂缝的距离。

图10 裂缝面上不同位置CMOD随轴载距离变化

图中可以看出,整体来看车辆行驶过程中,裂缝张开量绝对值并不大;整个过程中,基层底裂缝最大张开量比基层顶最大张开量大很多,前者约为后者的6倍;当车轴距离裂缝有一定距离时,基层顶裂缝张开,基层底裂缝闭合;当车轴到裂缝距离很近时,基层底裂缝张开,基层顶裂缝闭合;由于考虑水平荷载影响,车辆到达裂缝前产生基层顶裂缝张开量比驶过裂缝后的张开量大,而基层底裂缝张开量受水平载荷影响很小,曲线基本关于x=0对称。

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