潮湿沥青路面抗滑性能数值模拟_杨军

1、第36卷第3期2016年5月Vol. 36 No. 3May 2016长安大学学报(自然科学版)Journal of Chang an University (Natural Science Edition)文童爆号:1671-8879(2016)03-0025-08潮湿沥青路面抗滑性能数值模拟杨军王昊鹏X吴琦2（1.东南大学交通学院江苏南京210096, 2.广东省交通规划.设计研究院般份冇限公诃广东广州510000）摘 要：为了模拟评价不同条件下潮湿沥青路面的抗滑性能利用分形理论中的IFS插值方法在 MATLAB中编程生成三维沥青路表将其导入有限元软件ABAQUS中，生成与实际相符的三维

2、略表并建立轮胎-路面接触模型；将计算流休动力学软件FLUENT计算得到的水膜对轮胎作用力 结果导入ABAQUS软件中以表征水穫影响.最终建立轮胎在瀚湿路而上的高速行驶橈空；以附番 系数为抗滑指标分折沥青珞面在车、路、环境综合作用下的抗滑性能。研究结杲表明：轮胎与路面 间的附着系数随车速提高而下降随轮胎荷载增加而增加瓯轮胎胎压的减小而增加；附着系数随 水膜厚度的增加而降低且水膜厚度校小时附着系數随车速变化校明显；在速度较小时水膜厚度 对附着系数的影响校大；附着系数随构造深度的增加而增加但当构造深度增加到一定程度时继 续增加构造深度不能显著地改善沥青路面抗滑性能还会带来负面影响。关键词：道路工程；

3、沥青路面；抗滑性能；附着系救；有限元模拟中图分类号:U411文献标志码：ANumerical simulation on skid resistance property of wet asphalt pavementYANG Jun1 WANG Hao-peng1 WU Qi2(1. School of rransportation. Southeast University* Nanjing 210096. Jiangsu. China： 2. (；uan胃donjt ProvinceCommunications Planning and Designing Insititutc Co.

4、Ltd. (Juangzhou 510000. (/uangdong* China)Abstract: In order to simulate and evaluate the skid resistance property of wet asphalt pavement IFS interpolation method was used to build a 3D asphalt pavement surface texture model in MATE AB. The 3D asphalt pavement surface model was then imported into F

5、EM software (ABAQUS). The contact model between the tire and pavement surface was constructed thereafter. The results on the acting force of water film on the tire from FLUENT were also imported into ABAQUS to characterize the influence of the water film. Based on the above efforts the final model w

6、hich simulates high speed tire upon wet pavement surface was established. The adhesion coefficient was set as antrskid index to evaluate skid resistance property of asphalt pavement under synthetic action among vehicles< roads and environment. The results show that the adhesion coefficient betwee

7、n tires and pavement surface decreases with the increase of driving speed while it increases with the increase of traffic loading and the decrease of tire pressure and decreases with the increase of water membrane thickness. ?dhesion coefficient changes rapidly with vehicle speed when water mcnibran

8、cthickncss is relatively thin. Thickness of waler membrane affects the adhesion coefficient substantially in a low driving speed and农檯曰朋:2010-09-lb基金項目：国家I热科学基金项目(51078089$教仔部博士点雄金项0(20120092110053)作者简介：畅 军(1968-).女江苏扬州人教授博上研究生导帅 E-mail:yangjun(seu. edu. on.71994-2016 China Academic Journal Electron

9、ic Publishing House. All rights reserved, 第3期杨军等：潮湿沥青路而抗滑性能数值模拟#adhesion coefficient increases with the increase of texture depth. However when the texture depth reaches a critical value, additional texture depth will bring negative impact instead of enhancing the antrskid performance. 14 figs. 20 r

10、efs.Key w<rds: road engineering； asphalt pavcnicnl； antrskid property； adhesion coefficient； finite element simulation71994-2016 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第3期杨军等：潮湿沥青路而抗滑性能数值模拟#71994-2016 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights

11、 reserved, 第3期杨军等：潮湿沥青路而抗滑性能数值模拟290引言充车在潮湿路面上行驶时由于水膜的润滑作 用轮胎与路而间的附着系数降低轮胎容易打滑. 汽车操作稳定件降低严哉影响交通安全L，S o徳国 研究学者调査丧明当岛速公路路表侧向力系数的 平均值从0.43下降到0. 23时雨天事故发生概率 将从0.027提爲到014 增加了 5倍上.因此雨天 的行车安全是不容忽视的问题研究潮湿路面的抗 滑性能具右朿要的意义。潮湿路而抗滑性能分析涉及到流固耦合问题， 以往对苴分析多采用物理试验方法成本高、难度 大而且具有破坏性呻。随着计算机科学技术和数 值计算技术的发展，20世纪90年代后期不少学者

12、 开始对潮湿路面抗滑性能进行数值解析研穽。 Mcghee等在轮胎滑水现象数（f模拟方面做了 -些 前期研究丁作10 ;随后H本学者Nakajima等利用 MSC. Dy Iran 限元分析软件采用FEM和FVM 相结合的方法研究花纹建模屮建模方法对轮胎滑水 的影响叫韩国学者Cho等对带有复杂花纹轮胎的 滑水现象进行仿K研究了流体升力随时间的变化 丈系第次序虑了轮胎的复伙花纹与实际更接 近“。中国学者朱林培基于Ls-dyna软件模拟了 楔形水膜逐渐被挤入轮胎花纹沟槽并沿花纹沟槽排 出时的悄形以及轮胎滑水产生的过程"'王国林 辱慕于ABAQUS软件建立了能够进行滑水仿贞的 有限元

13、模型模拟了轮胎滑水的产生过程计算得到 了不同水膜厚度下流过花纹沟的水流速度从水流 速度的角度解释了滑水产牛.机理并计算了单个花 纹空腔的排水ftLUJo现有研究往往只关注于某一 因索影响下的路面抗滑性能较少关注车、路、环境 （降水）综合作用下路而抗滑性能的变化规律。为此本文在分析轮胎诩面接触机理的慕础 上，运用ABAQUS有限元软件建立轮胎训昔路面 模型；并将FLUENT软件计算得到的动水压力结 果导入ABAQUS以考虑水膜影响从而建立轮胎 在潮湿路面I的行驶模型；并以附着系数作为抗滑 性能评价指标评价不同条件下潮湿沥占路面的抗 滑性能。1轮胎路面模型的建立1.1轮胎模型研究表明：由于小轿车行

14、驶速度校高瓦本身质 呈较轻，相对于货车或客车更容易发生滑水现 象故本文选用小轿车175/65R11型子午线轮胎 作为研究对象。轮胎是一个由多种材料组成的复杂 部件主要由橡胶、帘线滋胶复合材料、轮轴等构 成。橡胶材料为不可压缩超弹性材料选用超弹性 NeoHookcan模型；帘线-橡胶刃合材料属于正交冬 向异性材料选用ABAQUS软件中的Rebar单元 模拟；轮轴为刚性材料°首先在ABAQUS 限元 软件中建立1/2轮胎的二维断面模型然后利用 ABAQUS 程序提供的 SYMMETRIC MODEL OENERATIOX功能将二维模型绕圆周旋转360° 得到1/2轮胎三维模熨最

15、后将1/2轮胎二维模型 轴对称转化便可建立完整的三维轮胎模型如下页 图1所示。1.2轮胎模型验证通过对轮胎进行静力学分析建立轮胎和路面 的接融W验证模熨的辂确性。轮胎静力学分析主 要包恬3个步骤：装配轮胎并进行标准气压充气； 建立轮辎和轮胎及轮胎和路面间的接触；对轮 胎加载静态载荷上。下页图2为轮胎胎压为 220 kPa、轮胎上施加的荷载为3. 3 kN时轮胎的竖 向变形以及接触压力分布。假定轮胎胎压为220 kP纸将不同荷载作用下 的轮胎竖向变形模拟（1*（和经验公式进行对比以验证 轮胎模型的可靠性结果见下页图3。可以看出模 拟结果与经验公式计算结果相盖较小且相关性较 髙所以建立的轮胎模型可

16、幕。1.3路面模型断青胳表形貌具有明显的随机性和复杂性，传 统的断面类量测仪器很难全面地反映沥青路表的待 征。本文借助分形理论屮的IFS插值方法在MAT- LAB中编程生成三维沥青路表。以10 cmXlO cm 矩形路面时间为例X、Y方向上分别间隔0. 5 cm图3轮胎竖向位移对比Fig. 3 Comparison of vercical displacements of tires(a) 1/4轮的横夏(c)完整轮胎三维模型图1轮胎建模步骤Fix. I SraKcs of tire modeling(b) IFS插值后的路面模拟曲面U.U31 MIXtI H4K1I.M7X1I MO&quo

17、t;1.2»xiI.OUx I 044X14 4HXI1 WX1I )1X1pa单位:m图2轮贻静力学分析Fig. 2 Statics analysis of tire有1个测杲点共有21X21个原始数据原始图形 和分形插值后图形如图4所示。本文假定沥青路表水平未易虑路血横坡和纵RH分形插值曲面“£ 4 C'urved surface of fracral mccrpolation坡。根据已冇二维研究数据结果X,与Z. ,71.令 X, = 丫,得到三维初始插值数据。路面宏观构造和 微观构造均対路面抗滑性能有丑要影响但由于实 测数据右限，且微观构造深度的引入会使路面

18、模型 更加复杂难以实现数值模拟。运用上述IFS方法. 在MATLAB中生成三维沥青路表后，导出各数据 点三维坐标，通过ABAQUS中的EL(；EX命令对 数据进行转换。由于数据点非常多在ABAQUS 的CAE界面下操作比较困难，而在INP文件中可 以方便地处理路表数据因此本文选择通过IMP文 件来模拟沥青路表。沥青路面假定为刚体选用 R3D：单元路面为点在平移和旋转的各个方向上 都是固定的。假定路表面为主平面胎面为附属面 轮胎只冇定轴转动没右平动路而模也向后平动轮 胎所受荷载施加在轮網中心。路面与胎面单元之间 的接触用库仑摩擦定律表示完整模型如图5所示。图5轮胎抽宜路面接傩校型Fix. 5 C

19、ontact model of tire and asphalr pavemcnr1.4水膜的影响水膜对沥青路面抗滑性能Yf很人影响路面在 降雨情况下富故发生慨率大大堆加°本文通过调幣 模型中轮胎与路面之间的摩擦因数来实现水膜对 摩擦阻力的影响分析。通过FLUENT软件计算水 膜对轮胎的动水压力大小.FLUENT软件中模型建 立过程如下所述。1.4. 1简化轮胎模型为廿约计算时间根据轮胎竖向位移以及接地 面积相同的原则，依照有限元计算结果对轮胎进彳r 简化。接触面向上截取40 mm片的滑片作为轮胎 模型按图6计算轮胎下表面为204. 92 mmX 143. 63 mm* 上表面为 3

20、50. 60 mmX 175. 00 mm。图6轮胎简化计Fi« 6 Simplified calculation of tire1.4.2 流体模型由于FLUENT软件只能计算有陨尺寸下流体 的力学响应因此需要截取仃效的流体计算区域依 据垂直应力及接地尺寸特杵经过反复试算本文确 定的流体计算区域为:X方向即轮胎前进方向为 1 000 mm,Z方向即轮胎宽度方向为500 mm.Y方 向即流体深度为10 空气厚度随水膜耳度而 改变。FLUENT软件中提供的紊流模型包括标准Zre 模型与RN（；h模型。与标准h 模型相比.RX（； ire模熨能更为广泛地适用于紊流流动待别是弯曲 壁面3E

21、动或弯曲流线流动等，并且有着更高的精度 和可信度"。由于轮胎屈于弯曲壁面故本文选取 RNG&r模型模拟高速行驶轮胎下的流体进行计 算。模拟中既右水流乂右空气流即涉及到两相流 动问题采用欧拉多相流-VOF模型，这是一种在固 宦的欧拉网格下的丧面追踪方法能够仃效地模拟 水流流动£5势。1.4.3 边界条件边界条件以及初始条件应尽帛贴近现实且边 界条件的不同会影响迭代次数以及汁算结果的收敛 性计算屮i殳定轮胎不动空气和水以恒定速度相对 于轮胎运动因此将流体前端设定为空气和水的速 度入口 后端及上面设为压力出口，左右两端设为没 右摩擦的墙体下面设为移动的墙体，最终模型见 图

22、7。Fix. 7 InceKrared model在FLUEXT软件中利用匕述模型计算不同I： 况下轮胎所受动水压力大小并通过ABAQUS子 程序将模拟得到的动水压力施加到与水膜接触的胎 面单元上以考虑水膜的影响.2抗滑性能评价指标根据轮胎-路而摩擦形成机理"轮胎与路而 的接触区域可分为两部分：粘着区域与滑动区域受 力状态如下页图8所示。作用在粘着区域人的力 有法向反力P ”与静摩擦力F ,“；作用在滑动区域1 的力存法向反力/与滑动摩擦力F” 法向荷载由 路而法向反力承担路面对轮胎的附荐力使得轮胎 向前运动。定义附着系数为作用在榕个接触面上的水平反 力和法向荷载之比®=F

23、,/P（1）式中：p为附看系数；F,为整个接触面上水平反 力；P为路面法向荷载。图8耿功轮弹性滑转Fig. 8 Elastic slip of driving wheel由于轮胎与路曲接触区域由粘着区域和滑动区 域两部分组成因此附着系数不同丁摩擦因数包 括静摩擦因数和滑动摩擦因数2个因素，只右胎面 滑移面枳或滑转面枳扩大到整个接触面积时附着 系数与摩擦因数住某种意义上才是相半的即附着 力等于摩擦力。本文运川附着系数作为沥靑路面抗 滑性能评价指标。3结果分析与讨论3. 1不同车速对附着系数的影响汽车行驶速度对轮胎与沥青路面间的附着系数 有一定影响。假定轮胎胎压为220 kPa.荷载为 3.3 k

24、N以不同速度在干燥或4 nun水膜厚度的路 面上滚动计算不同/速下轮胎与沥青路面间的附 着系数计算结果见图9。弔連“km h_,)團9附片系变化曲线Fi罠.9 C'urves o( adhesion coefficient versus vehicle speed由图9可见路面干燥时轮胎与路面间的附着 系数随车速的增加而缓慢下降.下降幅度不大且车 速越髙越趋于稳定。这可能是因为轮胎离心惯性力 会便胎冠沿径向向外移动车速增大时轮胎离心惯 性力增大轮胎与路面间接触面积会有小量减小。 路而潮湿时轮胎与路而间的附着系数随车速増加 而械岸降低从图9曲线变化匕如J以看出在速度 为4060 km/h

25、区间内相对较为平缓；当速度高于 60 km/h时下降趙势较为急剧o路面潮湿时轮胎 不仅受离心惯性力作用还受到水膜对它的动水压 力作用.动水压力作用更明显车速増大动水压 力增人动水压力将轮胎抬升，轮胎9路面接触面积 减小，这可能是导致附着系数随车速增加而降低的 主要原因。3.2不同轮胎荷载对附着系数的影响轮胎上施加的荷载会影响汽车的行驶性能。假 定轮胎胎压为220 kPa.以不同速度在4 mm水膜厚 度的路而上滚动改变轮胎荷载(2. 8,3. 3,3. 8 kN). 计算不同荷载作用下轮胎与沥靑路面间的附着系 数计算结果如图10所示。1?1 10附衿系数随轮胎荷戟变化曲线Fi= 10 ('

26、;urves of adhesion coefficient versus tire load从图10可以看出附着系数随轮胎荷载增人而 变大，在胎压不变的情况下轮胎荷载增加轮胎的 接地面积必然堆加因此附着系数也可能随之増大。 3.3不同轮胎胎压对附若系数的影响轮胎胎压对汽车行驶性能右较人影响。充气压 力较小时轮胎变形较大苴滚动阻力也将増大汽 车用于克服滚动阻力的燃料消耗变大；允气压力絞 大时，车辆操控性能及乘坐舒适性低。假定轮胎倚 载为3.3 kN.以不同速度在4 mm水膜厚度的路面 上滚动改变轮胎荷载(18O、22O、26O kPa).计算不 同胎压下轮胎与沥青路而间的附荐系数计算结果 见下

27、页图11。从图11可以看出附着系数随轮胎胎压的减小 而变大。在荷载不变的悄况下.轮胎胎压减小轮胎 的接地面积堆加附着系数也随之増大。3.4不同水膜厚度对附看系数的影响假定轮胎胎压为220 kPa,荷载为3.3 kN.以不 同速度在不同水膜厚度的路面上滚动讣算不同水 膜片度时轮胎与沥青路而间的附着系数。根据推导 出的水膜厚度计算公式(详细推导过程见文献20) 确定水膜厚度分别为2、4、6、8、1O mm计算结果见 下页图12。71994-2016 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第3

28、期杨军等：潮湿沥青路而抗滑性能数值模拟330.1'406080100120乖連/(km h"1)IH11 PM片系数融轮胎胎用变化曲线Fix. 11 ('urves of adhesion coefficient versus tire pressureTil/(km h")12不同連度下附裤系数HI水腆甲度变化曲线I Curves of adhesiun corffivient versus warer filmunder different vehicle speed87654321O.0.O.CO.O.66M*£图Fig. 1从图12可以看出

29、水膜厚度增加轮胎与路面 间的附着系数随之降低。从5条曲线发展越势看, 水膜I?度较小时附着系数随车速变化较明显；水膜 I?度较大时附着系数随厚度变化则相对平缓；在速 度较小时水膜厚度对附看系数的影响絞大；随着速 度的增加水膜厚度变化对附着系数的影响逐渐减 小。水膜的存任一方面产生较高的动水压力导致 轮胎与路面部分甚至完全脱离；另一方而水膜充半 了轮胎与路面之间的润滑膜降低了轮胎与路面之 间的摩擦阻力。这2个方面的综合作用使得沥胃路 面的附着系数下降，降低其抗滑性能。3.5不同构造深度对附看系数的影响本文采用平均断面深度(mean profile depth, MPD)作为控制标准再根据MPI)

30、与构造深度的关 系来实现对构造深度的分析。MPD是目前检测沥 青路而宏观纹理的常用参数Jt物理意义如图13所 示。取100 mm氏度的路而样本将样本分为两部 分分别测得每部分的峰值得到峰值lh和峰值 足2个峰值的平均值减去断面的平均值(即图13 所示中线人)，即可得到MPD/mh)= -A-A<2)峰恒h.:平均前fc次度(MPD)图13沥青路面平均断面深度Fix. 13 Mwn Profile depch of asphalt pavcmenc将MPI)转化为等帚的舗砂法构造深度(ETI» Ieti)= 08 Zmpd4"0. 2(3)式中：心d为MPD的计算参数M

31、etd为ETD的计算 参数，沥靑路表数据中Z,值的变化会引起路表颗粒 纵向高度的变化构造深度也随之改变故住分形插 值过程中.只需对乙值的大小进行改变便可以得 到构造深度不同的沥青路而。本文在实测平均断而 深度(1.228 mm)的基础上以0.2 mm为单位进行 递增(递减)分别模拟平均断曲深度为0. 628、 0. 828 J. 028 J. 428 J. 628、1. 828 mm 时沥 青路 面的抗滑性能行车速度为60 km/h。针对干燥和 潮湿路面(水膜厚度为4 mm)2种丁况下的模拟结 果如图14所示。80o.75o60o.0 551«0.628 0.8281.0281.22

32、81.4281.6281.828构适探H/mm图II浙育路面的附若系数随构造深度的变化曲线Fig. 1( Curves of adhesion coefficient versus ccxture depth3. 5. I干燥珞而车辆在于燥沥青路面上彳J：驶时.沥青路面构造 深度对干燥沥胃路面抗滑性能的影响主要体现在2 个方面：是宏观构造引起胎面橡胶变形产生的弹 性变形摩擦力；二是弹性变形滞后引起的能吊损失。 从图14可以看出，干燥沥青路面的附着系数随构造 深度的增k 1何增大；但当构造深度增人到一宦程度 时Jt对附着系数的影响变小当构造深度继续増大 时附着系数几乎没冇改变。轮胎胎面橡胶在载荷

33、 作用卜会产牛变形能够包容沥青路面宏观构造凸 出体，凸出体高度方向尺寸为0.520. 0 mm。当 凸出体高度校小时轮胎胎面橡胶产生的变形能够 完全包容凸出体胎面橡胶在凸出体作用下产生的 最大应力与凸出体高度成正比沥青路面抗滑性能 随凸出体高度的增加而提高。当凸出体高度较大 时，轮胎胎面橡胶产生的变形只能部分包容凸出体. 凸出体頂部承担轮胎荷载Jit时凸出体高度增加对 胎而橡胶的变形没有影响路表抗滑件能也不会因 此而改变。3.5.2 潮湿路面车辆在潮湿路面上行驶时沥青路面构造深度 的存在右利于将路面枳水排除.从图11中可以看 出随着构造深度的増大附着系数也随之增大。可 以理解为构造深度变人时轮

34、胎与路面接触区的枳 水更容易排出能够减小路面积水对沥青路面抗滑 性能的影响。在沥青路面i殳计时应综合占虑构造深度对不 同路而条件下抗滑性能的影响从本文的分析结果 可以看出沥靑路面抗滑杵能随构造深度的增大而 增人，但当构造深度增大到一定程度时（本文研究结 果为1.128 mm）.继续增大构造深度对干燥路面抗 滑件能没有多大的改善对于降雨帚不大的地区构 造深度12足以排除路面枳水增加构造深度对提筒 潮湿路表的抗滑能力没有显苦作用.4结语（1）轮胎与路面间的附着系数随车速提高而下 降随着轮胎荷载增大而増大.随着轮胎胎压的减小 而变大。（2）轮胎与路面间的附着系数随着水膜耳度的 增加I何降低.且水膜厚

35、度絞小时附看系数随车速变 化较明显；水膜乃度较大时附着系数随厚度变化则 相对较平缓;在速度较小时水膜厚度对附着系数的 彩响较大；随着速度的增加水膜厚度变化对附着系 数的影响逐渐减小。（3）附着系数R6构造深度的增大而增大但当构 造深度增大到一定程度时（本文研究结果为 1.428 mm）,堆续增大构造深度不能很好地改善沥 青路面抗滑性能还会带来负面影响。（J）本文在建立轮胎右限元模型的过程屮为简 化模型的复杂程度而忽略了轮胎的斜向花纹.与实 际情况有部分出入14本文模拟的沥青路表为水平 路丧未号虑路面横坡、纵坡以及路面微观纹理的影 响在今后的研究中可进一步深化。参考文献：References：1

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