【作品展示】ANSYS在瀝青路面模擬分析中的應用

2016-10-22 by:CAE仿真在線來源:互聯網

作者:阿鐵

1. 背景介紹

本文主要介紹了通用有限元軟件ANSYS在半剛性基層瀝青路面分析中的應用。首先,建立溫度場,計算連續高溫環境下瀝青路面溫度場,為后面的車轍預估模型提供環境溫度數據。再建立三維有限元模型,考慮基層反射裂縫的影響。在路面施加水平和豎直耦合作用的移動荷載,分析路面彎沉、裂縫張開量等指標的變化規律。

2. 路面結構溫度分析

采用二維有限元模型,路面結構層由4層組成,由上至下依次為瀝青面層、水泥穩定碎石基層、二灰土底基層和土基,其中瀝青面層由上中下三層組成。

圖1 路面結構

圖2 路面結構有限元模型

取有限元模型寬5m,深度3m。初始溫度20℃,路表作用太陽輻射、空氣對流熱流交換邊界條件。

在太陽輻射和熱交換共同影響下,路面結構層溫度從20℃開始變化,隨著時間和深度不同,溫度場分布有較大差異。計算十個周期(十天)的環境連續變化作用。瀝青面層頂(深度0 cm,綠色曲線),瀝青面層底(深度18 cm,紫色曲線)以及底基層中間(深度58 cm,紅色曲線)的溫度(℃)隨時間變化曲線如圖2.3所示。圖顯示路面結構在4個周期的持續作用后溫度趨于穩定。第五個周期到第十個周期內,路表和瀝青曾底溫度日變化基本不變,底基層略有增長。因此后續分析中以第五個周期溫度場分布為對象進行分析。

圖3 路面結構層溫度-時間曲線

第五個周期中,路面各層結構溫度-時間曲線如圖4所示,其中,16:00時刻路面結構溫度場分布如圖5所示。

圖4 第五個周期路面結構層溫度-時間曲線

圖5 第五個周期16:00時刻的溫度場分布

3. 考慮基層反射裂紋的瀝青路面動態分析

通過建立三維有限元模型,研究了在基層有反射裂縫的情況下路面的沉降和應力情況。有限元模型如圖6所示。在水泥穩定碎石基層(圖中藍色結構層)設置有上下貫穿的裂縫,裂縫平行于YZ平面,位于模型中心。

圖6 有限元模型

模型假設同類材料變形連續,不同材料路面結構層間采用庫侖摩擦接觸。因此,瀝青面層和基層,基層和底基層之前的摩擦系數取為0.5,瀝青各面層之間,底基層和土基之間考慮為完全連續的狀態。

車輛駛過裂縫的過程中,在雙輪組車輪作用下,路表變形是不均勻的。圖7為此時的彎沉量分布情況。

圖7 裂縫斷面處彎沉分布

可以發現,路表彎沉沿道路橫向呈“W”型:雙輪組作用下,車輪與路面接觸面彎沉最大,車軸中心處彎沉約為最大彎沉的67.8%;距離車軸越遠,彎沉值越小;對于雙輪組車輪,雙輪間局部有隆起現象,彎沉相對較小;最大彎沉出現在內側車輪與路面接觸面內,內外側車輪最大彎沉值相差約2.4%。

車輛駛過裂縫的過程中,裂縫處最大彎沉dc的變化過程如圖8所示。橫坐標負值表示車輛到達裂縫前車軸距離裂縫的距離,正值表示駛過裂縫后距裂縫的距離。

圖8 車輛駛過裂縫過程中dc變化曲線

圖中可以發現,曲線并非關于x=0軸對稱,當距離相同時,到達裂縫位置前產生的彎沉值比駛過裂縫后稍小一些,這是由于水平載荷作用引起的。

3.1水泥穩定碎石基層裂紋的影響

在荷載作用下,水泥穩定碎石基層裂縫會出現變形。如圖9所示,裂縫上下端點分別為A、B。在行駛過程中,A、B兩點在行車方向會產生不同的位移,使裂縫張開量發生變化。

圖9 基層裂縫示意圖

對比A、B兩點裂縫張開量的變化情況。圖10為車輛行駛過裂縫過程中,A、B兩點裂縫張開量CMODA、CMODB變化曲線。其中橫坐標負值表示車輛到達裂縫前車軸距裂縫的距離,正值表示車輛駛過裂縫后距裂縫的距離。

圖10 裂縫面上不同位置CMOD隨軸載距離變化

圖中可以看出,整體來看車輛行駛過程中,裂縫張開量絕對值并不大;整個過程中,基層底裂縫最大張開量比基層頂最大張開量大很多,前者約為后者的6倍;當車軸距離裂縫有一定距離時,基層頂裂縫張開,基層底裂縫閉合;當車軸到裂縫距離很近時,基層底裂縫張開,基層頂裂縫閉合;由于考慮水平荷載影響,車輛到達裂縫前產生基層頂裂縫張開量比駛過裂縫后的張開量大,而基層底裂縫張開量受水平載荷影響很小,曲線基本關于x=0對稱。

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