基于ANSYS有限元分析的路面形貌设计研究

2023-06-07岑卓盛

黑龙江交通科技 2023年6期

岑卓盛

(中北工程设计咨询有限公司,陕西西安 710000)

0 引言

行驶的车辆因为轮胎与路面的摩擦得到安全保障,路面的结构、形貌条件不佳是多数交通事故的直接或者间接原因。因此,路面形貌设计是路面与轮胎摩擦力产生的核心要素,而在以往的研究中,主要聚焦到自选的路面形貌下路面/轮胎的力学特征。而有限元分析法的有效应用,能够获悉橡胶动、静态接触面构成的变形形态和力分布,在此基础上计算获取橡胶摩擦系数受到不同路面凸峰尺寸的影响情况,以明确路面与凸峰间距大小对摩擦系数有怎样的影响,进而求出形貌演变在路面摩擦中的特征,以获得设计路面形貌以及相关研究的真实参数,在此基础上最大限度消除以往路面设计和施工的随意性,让路面的形貌设计和纹理施工更具科学性。

1 模型设计

1.1 橡胶路面有限元模型

路面形貌是随机设计的过程,虽然二维路面形貌相对复杂,并且参数的表述也繁杂,但都能够通过数学模式借助诸多段的圆弧逼近。可以设置多种多样的路面纹理,既可以设计横向刻槽,也可以设计纵向、正向、斜交、斜向的刻槽,见图1。

图1 路面纹理的多种方向

横向刻槽是研究的重点,可将圆弧形作为路面凸峰,利用ANSYS软件以及本身的APDL参数化,进行语言设计并二次开发,以此求取最好路面刻槽参数。在设计横向刻槽的单凸峰接触力学模型的过程中,可利用半径为R的圆弧线表示路面凸峰形状,利用20 mm×200 mm的橡胶块作为橡胶材料,设置1 000的橡胶网格数。本研究设定的橡胶单元采用了分析软件的PLANE182单元,接触单元借助ANSYS软件自带的PLANE169/CONTA175,接触刚度设置为2 000 N,设置0.499 6的橡胶泊松比。采用HS50丁腈橡胶作为研究的橡胶材料,利用Mooney Rivlin模型实现橡胶超弹性。通过Prony级数公式能够识别黏弹性参数,如下式(1)所示

(1)

(2)

式中:将完全松弛时刻对应的剪切模量设定为G∞,是剪切模量的初始阶段与完全松弛阶段对应的相对剪切量之乘积,大约为0.94 MPa。

在以上表达式中,系数并非恒定,其变化取决于温度的变化,如表1所示[1]。

表1 不同温度下Prony级数参数一览表

1.2 沥青路面有限元模型

提出的沥青路面形貌结构分为面层、基层和土基层。其中面层包括上面层和下面层,基层包括基层和底基层。采用水泥稳定碎石作为基层,重点对面层结构进行分析,包括不同模量和不同厚度时面层结构的受力情况和力学性能。

根据行业的相关规范标准,路面标准荷载设计采用双轮组单轴荷载100 kN,通过BZZ-100呈现。轮胎内压力为接地压力P,取p=0.70 MPa,为了更方便地施加轮胎荷载和计算有限元,不再采用双轮的双圆图式,而是采用轮胎接地形状。按照当量圆面积与矩形面积相等的原则,计算正方形边长值为189 mm。水平力的大小可根据公式(3)计算

Q=pf

(3)

式中:轮胎的垂直压力设定为P,水平力系数设定为f,正常状况下取f=0.2;设定紧急制动为f=0.5,在坡度小、转弯半径大的高速公路上,比较适宜去取f=0.3。

沥青路面通过ANSYS有限元软件,构建起三维有限元模型,该模型包括面层、基层、底基层以及土基层。行车方向设定为X向,路面横断面方向设定为Y向,路面结构深度方向设定为Z向,采用8节点实体单元Solid45进行各个层的网格划分。为了确保其精准性,采用surf154单元施加水平荷载。根据以下边界条件进行计算:固结底面,X方向位移不存在于左右两侧面,Y方向位移不存在于前后两侧面,面层呈现自由面的表面。完整的有限元计算模型见图2[2]。

图2 有限元计算分析模型

2 计算结果及分析

2.1 橡胶路面形貌计算结果分析

(1)压应力区与拉应力区极值分析

橡胶几何呈现较大的非线性,因此利用大变形分析实施计算。在向右移动路面凸峰的情况下,会增加右前方橡胶的高度,同时降低了后方橡胶。Schallamach波出现在运行途中,橡胶路面滞后摩擦力会导致橡胶高度方向的变化,而橡胶与路面的接触面积会随着Schallamach波的产生而减小,从而降低了橡胶路面黏附摩擦力,同时显著增加了橡胶路面摩擦力形成的抖动。并进行应力场变形的分析,拉应力区与压应力区都出现应力极值,在中心角向前33°位置出现压应力区应力极值,在中心角向后45°位置出现拉应力区应力值,并且在接触区的边缘。拉应力和压应力的存在,直接产生了轮胎与路面接触摩擦附着区和滑动区。

(2)路面凸峰半径与摩擦系数的分析

利用ANSYS后处理模块实施编程后,对不同时间内的摩擦系数、摩擦力、正压力、变动曲线进行提取,结果显示,不同的荷载下,相同半径路面凸峰与橡胶接触摩擦,会产生较大的摩擦系数的变化,垂直荷载与摩擦系数呈反向比例,如1.5 N的垂直载荷与13.0 N的垂直载荷比较,产生的摩擦系数差在3.5%以上。垂直载荷相同,摩擦系数的大小取决于路面凸峰半径的大小。

通过路面纹理可以有效消除润滑,包括颗粒、雨雪等产生的润滑,以促进路面间摩擦力的增强,确保车辆行驶的安全性。如果没有改变路面凸峰嵌入橡胶的深度(5 mm),路面凸峰半径与路面摩擦系数成反向比例关系。这足以显示,因为增加路面凸峰增强的黏附摩擦力,比起橡胶减小变形程度损失的滞后摩擦力,起不到相应的补偿作用。在橡胶材料内路面凸峰的滑行,水平力与正压力会产生很大波动,就是因为在这个过程中产生了Schallamach波,也验证了本研究仿真的有效性[3]。

(3)双凸峰接触与单凸峰接触关系分析

理论上讲,单凸峰橡胶接触变形的叠加,可以等同于双凸峰橡胶接触变形,但橡胶变形剧烈表现在前凸峰处,而且应力极值主要出现在凸峰部前后,但压应力的最大值多半会出现在前凸峰圆弧的前部,拉应力最大值则是出现在后凸峰后部。因此,两个单凸峰接触过程中的变形叠加不能视为双凸峰接触橡胶的变形,而变形程度应该是小于两个单峰接触时,黏附摩擦作用随着接触面的增大,摩擦力也增大。

双凸峰间距零时临界值可以视为两圆轮廓相距值,当两圆半径之和等同两圆中心距时,会呈现最大的橡胶路面摩擦系数,当两圆中心距离超过两圆半径时,摩擦系数呈现下降。获得的计算数据表明,单凸峰为20 mm半径时最小摩擦系数为0.714 6,相距60 mm的双凸峰橡胶,在相同的半径下最小摩擦系数为0.894 8,双峰摩擦时摩擦力会更大,主要是因为接触面积增大相应增大了黏附摩擦力。

路面的表面形貌的最佳间距,可视为双峰间距大于单凸峰半径之和的状态,将单凸峰半径的2.5倍值设定为最佳间距,见公式(4)和公式(5)

最佳间距=2.5×半径

(4)

最佳槽宽=最佳间距-2×半径

(5)

在路面接触区域的研究显示,黏附摩擦力会随着沟槽的增加而减小,滞后摩擦力却增大;相同的橡胶接触压力载荷下,在单位长度上随着凸峰尺寸的减小会增加沟槽的数量,在减小摩擦力时,单位长度上随着凸峰尺寸加大沟槽数量减小,同时增大摩擦力。

2.2 沥青路面结构有限元分析

(1)厚度分析

本研究根据双圆均布垂直荷载下的弹性层状连续理论,设计全厚式沥青路面结构形貌。设计指标涵盖路标回弹弯沉和层底拉应力,设计20a的使用年限,弯沉设定为28.6(0.01 mm),为42 837 752次的累计当量轴次。通过力学性能分析进行全厚式沥青混凝土路面,计算采用PADS路面专用程序,并参考了同类交通量条件下沥青混凝土路面结构形貌。通过计算结果显示,该沥青混凝土路面水稳碎石基层厚度41 cm,既满足了所有设计要求也有效降低了路面的厚度。

(2)车辙变形量预估

在路面上行驶的车辆的荷载反复作用会产生塑性流动变形,通过持续的积累形成车辙,所以,路面的车辙可以视为卸荷后回弹变形量和总变形量反复积累的结果。在进行车辙变形量预估时,要充分考虑路面结构在交通量轴载次数作用后极易产生的永久变形量,在此基础上进行材料选择和路面设计。利用最先进的方式进行该全厚式沥青混凝土路面车辙的预估,获取单轴双轮组车辙变化趋势模型。在该车辙模型基础上,考虑了公路运行将产生的实际影响,按照路面车辙变形量和同车时间的关系曲线分析,抗变形能力最大的是全厚式基层,车辙深度在0～1.68 cm范围内,会呈现较小的车辙变形量;而半刚性沥青混凝土路面如果是0～3.1 cm施工车辙深度,就会呈现较大的车辙变形量,且抗变形能力不强。

(3)疲劳寿命预估

通过对全厚式沥青路面和半刚性沥青路面层底拉应力的分析,在两种路面结构形貌下,压应力都呈现在第一层和第二层层底,只有第三层层底出现拉应力,并且在轮隙位置集中存在最大拉应力。全厚式沥青路面层底拉应力为0.155 3 MPa,允许拉应力为0.81 MPa,具体的层底拉应力突破了允许值的19.4%;半刚性沥青路面层底拉应力为0.196 2 MPa,允许拉应力为0.50 MPa,具体的层底拉应力突破了允许值39.2%。由此可见,在最不利的受力状态下,全厚式沥青路面抗疲劳寿命依旧很好[4]。