ANSYS在混凝土基层沥青路面结构计算中的应用36

ANSYS在混凝凝土基基层沥沥青路路面结结构计计算中中的应应用1有限元元法和和ANSYS简介2混凝土土基层层沥青青路面面的应应力分分析3路面结结构的的建模模和计计算3.1几何模模型和和计算算参数数3.2具体计计算步步骤3.3荷载应应力分分析3.4温度应应力分分析3.5耦合应应力分分析4结论1有限元元法和和ANSYS简介ANSYS软件是是融结结构、、流体体、电电场、、磁场场、声声场和和耦合合场分分析于于一体体的大大型通通用有有限元元分析析软件件。由由世界界上最最大的的有限限元分分析软软件公公司之之一的的美国国ANSYS公司开开发，，是美美国机机械工工程师师协会会、美美国核核安全全局及及近20种专业业技术术协会会认证证的标标准分分析软软件。。ANSYS软件主主要包包括三三个部部分:前处理理模块块,分析计计算模模块和和后处处理模模块。。前处处理模模块提提供了了一个个强大大的实实体建建模及及网格格划分分工具具可以以方便便地构构造有有限元元模型型。在在加载载求解解过程程中，，包括括位移移、力力、温温度在在内的的任何何荷载载均可可以直直接施施加在在任意意几何何实体体或者者有限限元实实体上上，载载荷可可以是是具体体数值值，也也可以以是与与时间间或者者坐标标有关关的任任意函函数。。后处处理模模块可可将计计算结结果以以彩色色等值值线显显示、、梯度度显示示、立立体切切片显显示等等图形形方式式显示示出来来,也可将将计算算结果果以图图表、、曲线线形式式显示示或输输出。。软件件提供供了100种以上上的单单元类类型,用来模模拟工工程中中的各各种结结构和和材料料。ANSYS不仅具具有结结构静静力分分析、、结构构动力力学分分析、、结构构非线线性分分析、、动力力学分分析、、热分分析等等，而而且还还具有有优化化设计计、建建立子子结构构模型型等高高级应应用功功能。。2混凝土土基层层沥青青路面面的应应力分分析混凝土土基层层沥青青路面面以普普通水水泥混混凝土土基层层和贫贫混凝凝土基基层作作为路路面基基层，，上面面加铺铺沥青青混凝凝土面面层，，这种种路面面结构构可弥弥补柔柔性路路面和和水泥泥混凝凝土路路面的的不足足，大大大改改善路路面的的使用用性能能，延延长路路面的的使用用寿命命。沥沥青面面层为为表面面功能能层，，主要要是提提高路路面表表面的的平整整度、、耐磨磨和抗抗滑性性能，，并扩扩散车车轮荷荷载，，减少少冲击击振动动，防防止反反射裂裂缝的的产生生和发发展。。基层层是车车辆荷荷载和和温度度应力力的主主要承承载层层。在行车车荷载载和温温度变变化的的反复复作用用下，，混凝凝土基基层内内会产产生荷荷载疲疲劳应应力和和温度度疲劳劳应力力。当当行车车荷载载和温温度变变化产产生的的荷载载疲劳劳应力力和温温度疲疲劳应应力之之和超超过混混凝土土基层层的弯弯拉强强度时时，基基层板板将发发生断断裂，，继而而整个个路面面结构构破坏坏。因因此，，应计计算混混凝土土基层层的荷荷载疲疲劳应应力和和温度度疲劳劳应力力，且且两者者之和和不应应超过过混凝凝土的的设计计弯拉拉强度度，以以控制制因基基层板板断裂裂而造造成的的结构构破坏坏。路面面结结构构不不但但受受到到行行车车荷荷载载的的反反复复作作用用，，而而且且在在自自然然环环境境下下受受到到太太阳阳辐辐射射、、气气温温等等因因素素不不断断变变化化的的影影响响。。因因此此路路面面结结构构内内的的温温度度是是随随着着气气温温日日变变化化、、年年变变化化而而变变化化。。当当温温度度变变化化时时，，混混凝凝土土基基层层在在温温度度作作用用下下产产生生的的应应力力可可分分为为：：由由于于基基层层顶顶与与基基层层底底温温度度不不一一致致而而产产生生的的翘翘曲曲应应力力；；由由于于温温度度均均匀匀上上升升或或下下降降引引起起基基层层的的热热胀胀冷冷缩缩而而在在基基层层内内产产生生的的胀胀缩缩应应力力。。胀胀缩缩应应力力对对温温度度应应力力的的影影响响不不大大，，且且可可在在接接缝缝设设计计时时考考虑虑，，本本文文主主要要考考虑虑温温度度翘翘曲曲应应力力。。3路面面结结构构的的建建模模和和计计算算3.1几何何模模型型和和计计算算参参数数混凝凝土土基基层层沥沥青青路路面面结结构构可可视视为为由由沥沥青青面面层层、、混混凝凝土土基基层层及及地地基基组组成成的的弹弹性性层层状状体体系系。。沥青青加加铺铺层层、、混混凝凝土土基基层层和和地地基基础础结结构构层层采采用用8节点点实实体体单单元元。。上上下下层层间间的的接接触触状状况况为为，，混混凝凝土土基基层层与与地地基基之之间间假假设设为为绝绝对对光光滑滑，，与与沥沥青青加加铺铺层层之之间间假假设设为为完完全全连连续续。。模型型的的边边界界条条件件为为：：（（1）地地基基为为弹弹性性半半空空间间体体，，根根据据收收敛敛性性分分析析，，取取为为有有限限尺尺寸寸。。基基层层为为有有限限尺尺寸寸；；（（2）地地基基的的底底面面为为自自由由度度完完全全约约束束的的固固定定面面，，基基层层和和地地基基的的其其它它面面均均为为自自由由悬悬空空面面。。收敛敛性性分分析析时时采采用用标标准准轴轴载载BZZ-100，轮轮胎胎内内压压0.7MPa，单单个个轮轮压压作作用用范范围围18.9cm××18.9cm，接接触触面面积积357.21cm2，双双轮轮间间距距32cm，两两侧侧轮轮隙隙间间距距182cm（图图1）。。荷载载作作用用位位置置为为临临界界荷荷位位，，即即纵纵向向边边缘缘中中部部，，轮轮载载作作用用如如图图2所示示。。图1车轮轮布布载载平平面面图图（（单单位位：：cm）图图2临界界荷荷位位处处轮轮载载作作用用示示意意图图计算算参参数数范范围围的的确确定定：：对混混凝凝土土基基层层沥沥青青路路面面进进行行有有限限元元分分析析，，先先要要确确定定计计算算参参数数的的大大小小和和范范围围。。主主要要计计算算参参数数如如表表1所示示。。表1主要要计计算算参参数数结构层厚度（cm）弹性模量（MPa）泊松比导热系数（w/m℃）线膨胀系数（1/℃）沥青混凝土面层5～23600~22000.251.22.1×10-5混凝土基层12～308500~355000.151.51.0×10-5地基－50~9500.301.00.5×10-5通过过收收敛敛性性分分析析，，结结合合实实际际应应用用情情况况，，确确定定混混凝凝土土板板块块尺尺寸寸为为10.0m××4.5m。此此外外，，已已有有研研究究表表明明，，当当地地基基尺尺寸寸比比混混凝凝土土板板长长宽宽方方向向均均扩扩大大3m，深度取取为9m时，混凝凝土板底底的荷载载应力早早已收敛敛，因此此地基的的尺寸取取为16×10.5×9m。通过上述述分析，，最终确确定混凝凝土基层层沥青路路面进行行有限元元分析计计算的模模型如图图3所示。与与之对应应的路面面整体有有限元网网格划分分如图4所示。图3结构计算算模型（（单位：：cm）图4路面结构构有限元元网格划划分图表2列举了沥沥青层厚厚度ha为0～20cm,基层厚度度hc为22cm时，各自自然区划划内最大大温度梯梯度变化化范围。。表2不同自然然区划最最大温度度梯度推推荐值(℃/cm)ha(cm)自然区划ⅡⅢⅣⅤⅥⅦ00.88～0.940.95～1.000.93～0.980.90～0.960.92～0.970.98～1.0440.62～0.660.65～0.710.64～0.700.63～0.680.64～0.690.69～0.7480.43～0.460.48～0.510.46～0.500.44～0.470.45～0.490.50～0.53120.30～0.320.32～0.340.31～0.330.30～0.320.30～0.330.33～0.35160.30～0.310.32～0.330.31～0.320.30～0.310.30～0.310.33～0.34200.30.320.310.30.30.33当基层厚厚度变化化时，可可按表3进行修正正。表3不同基层层厚度最最大温度度梯度修修正系数数在进行热热与结构构的耦合合分析中中,主要考虑虑温度相相对稳定定时的翘翘曲应力力,将各层接接触面温温度作为为约束条条件,不考虑空空气的对对流和路路面的辐辐射,通过计算算可求得得各节点点的温度度分布,另外也可可以输入入辐射量量、对流流系数等等参数直直接求出出温度分分布,但需考虑虑一天中中温度近近似于正正弦分布布,较复杂,可操作性性不强。。ANSYS软件中对对于热应应力分析析问题推推荐采用用顺序耦耦合分析析,先进行热热分析计计算,将热分析析所得的的节点温温度施加加到结构构单元的的节点上上,再求解温温度应力力,施加汽车车荷载后后可单独独求汽车车荷载应应力或汽汽车和温温度共同同作用下下产生的的应力。。为便于于与规范范计算值值对照,先用ANSYS分别求出出温度应应力、荷荷载应力力,再探讨温温度场和和行车荷荷载对路路面所形形成的复复合应力力。基层厚度（cm）1618202224262830修正系数1.241.151.0810.930.870.810.76材料的几几种强度度理论（1）最大拉拉应力理理论这一理论论认为最最大拉应应力是引引起材料料脆性断断裂破坏坏的主要要因素。。即不论论材料处处于什么么应力状状态，只只要最大大拉应力力达到了了材料在在简单拉拉伸破坏坏时的极极限应力力，就会会发生脆脆性断裂裂破坏。。（2）最大剪剪应力理理论这一理论论认为最最大剪应应力是引引起材料料塑性屈屈服破坏坏的主要要因素。。即不论论材料处处于什么么应力状状态，只只要危险险点最大大剪应力力达到了了材料在在简单拉拉伸屈服服时的极极限剪应应力，就就会发生生屈服破破坏。（3）形状改改变比能能理论这一理论论认为形形状改变变比能是是引起材材料塑性性屈服破破坏的主主要因素素。即不不论材料料处于什什么应力力状态，，只要危危险点处处形状改改变比能能达到简简单拉伸伸屈服时时的形状状改变比比能，材材料就会会发生屈屈服破坏坏。3.2具体计算算步骤3.2.1热分析1)首先选定定单元类类型,本分析建建立的是是三维模模型,热单元选选用Thermalsolid70。2)在材料参参数设置置时,将材料的的回弹模模量、泊泊松比及及导热系系数输入入。3)建立三维维模型。。对于层层间光滑滑接触状状态，引引入正正交各向向异性单单元模拟拟。选取取正交各各向异性性接触单单元的参参数如表表4所示。对对于层间间完全连连续,用体与体体的粘结结(glue)。表4正交各向向异性单单元的参参数取值值说明：正正交各向向异性单单元的厚厚度取为为0.1cm参数取值弹性模量（MPa）泊松比剪切模量（MPa）ExEyEzμxyμyzμxzGxyGyzGxz0.00010.00011000000000.00010.00010.0001对于层间间光滑的的情况，，主要应应考虑E33取值尽可可能大，，G12尽可能小小。但为为保证接接触单元元的本构构关系矩矩阵为正正定矩阵阵，上述述参数的的取值需需满足根根据余应应变能理理论推导导出的模模型约束束公式：：上述条件件是理论论分析后后得出的的应该满满足的x方向各参参数间的的相互关关系，y方向上参参数间的的关系可可类似地地导出。。对接触的的更好的的模拟方方法：采用面面面接接触分分析，，用目目标单单元Targe170来模拟拟混凝凝土基基层的的上表表面，，用Conta173来模拟拟沥青青面层层下表表面。。在摩摩擦类类型中中选用用基本本的库库仑摩摩擦模模型，，在这这个模模型中中，两两个接接触面面在开开始相相互滑滑动之之前，，在它它们的的界面面上会会有达达到某某一大大小的的剪应应力产产生，，这种种状态态称为为粘合合状态态。库库仑摩摩擦模模型定定义了了一个个等效效剪应应力τ，在某某一法法向压压应力力p作用下下剪应应力达达到此此值时时表面面开始始滑动动（τ=μp+COHE，其中中μ是摩擦擦系数数，而而COHE是粘聚聚力））。根根据已已有的的文献献摩擦擦系数数μ采用1.8，粘聚聚力COHE为0.07Mpa。一旦旦剪应应力超超过此此值后后，两两个表表面之之间将将开始始相互互滑动动。这这种状状态，，叫做做滑动动状态态。粘粘合、、滑动动计算算决定定什么么时候候一个个点从从粘合合状态态到滑滑动状状态，，或从从滑动动状态态变到到粘合合状态态。4)把材料料属性性施加加到体体上,然后划划分网网格。。5)按温度度梯度度施加加温度度荷载载。按按正温温度梯梯度设设置,即板顶顶温度度比板板底温温度高高,板边向向下翘翘曲,板底面面受拉拉应力力。6)进行稳稳态热热分析析求解解，观观察结结果。。3.2.2温度应应力和和荷载载应力力耦合合分析析1)将热单单元转转换为为相应应的结结构单单元。。2)在材料料特性性中将将热膨膨胀系系数加加入。。3)读入热热分析析结果果。5)施加约约束,定义边边界条条件，，模型型中设设置地地基底底面自自由度度完全全约束束。6)求解。。如果单单独求求汽车车荷载载产生生的应应力,可直接接建立立结构构体单单元施施荷加加约束束求得得。如如果要要求温温度和和汽车车的复复合应应力,可在3.2.2计算中中加入入施加加汽车车荷载载的步步骤。。本模模型中中都采采用线线弹性性材料料,对于非非线性性材料料,ANSYS也有强强大的的求解解功能能。3.2.3后处理理ANSYS有两个个后处处理器器,通用后后处理理器(POST1)和时间间历程程后处处理器器(POST26)。对于于静力力学分分析,可在POST1中图象象显示示结果果或列列表显显示结结果,对自己己感兴兴趣的的位置置进行行应力力、位位移分分析。。也可可以指指定特特定的的路径径,对路径径上各各点的的应力力、位位移等等指标标的变变换规规律进进行研研究。。时间历历程后后处理理器可可用于于研究究指定定点的的分析析结果果与时时间的的函数数关系系。它它有强强大的的分析析能力力,可进行行图形形显示示、列列表显显示、、微分分、响响应谱谱生成成等操操作。。在动动力学学分析析中,可通过过定义义变量量,提取各各结点点、单单元的的位移移、应应力随随时间间的变变化关关系。。为了了加快快后处处理的的速度度,可以用用ANSYS的命令令编制制命令令流文文件,通过选选择、、组合合命令令提取取特定定位置置的结结点或或单元元,将其随随时间间变化化的数数值映映射到到数组组中,另存为为自己己定制制的文文件中中。选取以以下的的参数数对混混凝土土基层层进行行有限限元计计算：：面层厚厚度为为14cm，模量量为1800MPa，基层厚度度为21cm，模量为25000MPa，地基模量量为600MPa。温度梯度度为0.3℃/cm。3.3荷载应力分分析基层横向受受力图基层底部沿沿纵向边缘缘受力图3.4温度应力分分析基层横向受受力图基层底部沿沿纵向边缘缘受力图3.5耦合应力分分析基层横向受受力图基层底部沿沿纵向边缘缘受力图4结论1)利用大型有有限元软件件ANSYS,通过层面温温度约束可可方便快捷捷地求出结结构层各节节点的温度度分布,通过其耦合合功能,可求出最大大温度应力力及其位置置。在施加加汽车荷载载作用下,可单独求出出最大汽车车荷载应力力或汽车和和