基于轮胎花纹的半刚性路面三维有限元分析

基于轮胎花纹的半刚性路面三维有限元分析

近年来，随着柔性道路结构的增多和汽车工业的发展，道路裂缝的数量不断增加。在重复驾驶负荷的情况下，表面裂缝继续发展，导致早期道路破坏。而目前国内的高速公路出现的一些早期破坏与车辆的荷载特性有很大的关系。传统的路面结构分析模型大都是将车辆荷载简化成双圆均布垂直荷载和单向水平荷载,而忽略了轮胎与路面接触面积上压力的非均布性。且随着轮胎工业的发展,荷载作用于路面的传递物——轮胎的特性也发生了很多改变,轮胎特性的改变也直接影响到荷载作用于路面的分布形状和量值大小[2―3]。轮胎表面花纹的不断变化,虽然在胎面上刻制花纹主要是为了确保轮胎与地面间的摩擦系数,发挥制动、驱动和侧偏等力学特性,但也同时由于它的存在使得轮胎的接地面积和接地压力更复杂化。故传统的路面结构分析模型已无法解释路面在较重轴载和较大胎压作用下出现的许多损坏。本文主要分析不同轮胎花纹非均布荷载作用下沥青路面结构的响应,以此探求路面表面裂缝形成的原因。1沥青路面结构的有限模型和参数1.1网格边界条件对沥青路面结构采用层状弹性体系模型。计算过程借助大型有限元计算软件ABAQUS完成。通过对不同结构尺寸,边界条件的计算比较,最后采用5m×5m×5m的结构,边界条件取用下底面固支,平行行车方向的两个侧面为滑动支撑,上表面和垂直行车方向的两个侧面为自由面。对施荷位置及附近的网格局部进行加密处理。采用这一路面结构有限元模型计算出的弯沉值与理论值最接近,因此能够较好的模拟路面的真实情况,并且它的运算时间也较短。1.2路面结构参数本文选用一四层路面结构作为研究对象,各层的厚度和材料参数见表1。2轮胎接地形状简化模型当后轴轴载为100kN,测定的实际接地面积为394cm2,平均接触压力为630MPa,但实际上荷载在轮胎与路面接触面上分布不是均匀的,一般是中间大而在轮胎边缘处相对小一些[5―6]。这与传统的路面结构设计中采用的圆形均布荷载有很大区别。本文考虑轮胎胎面花纹类型,主要是横向花纹和纵向花纹的不同,取用图1所示轮胎接地形状简化模型。参考谢水友和胡小弟的研究成果[7―8],选用其实测得出的一定轮载和胎压下的接触面积内的压力分布作为作用于路表的荷载,如图2所示。当轮胎胎面为纵向花纹条时,荷载作用面简化如图2(a),后轴轴载为100kN时,模拟实际荷载在轮胎与路面接触面上中间大而在轮胎边缘处相对小的不均匀分布的情况,对应应力取值为870kPa、680kPa、460kPa。当作用120kN和140kN荷载时,压力分布见表2。重载车辆作用下,荷载作用在轴载上的压力增大,这样轮胎接地面积变大,轮印分布出现相应变化。对不同荷载作用进行简化,假设轮印面积不变而变化花纹条内压力值。当轮胎胎面为横向花纹条时,荷载作用的面积简化如图2(b)中的横向荷载分布图示,轴载l00kN、120kN和140kN三种情况下对应压力分布值见表2。选用此荷载简化模型与圆形均布垂直荷载相比,更符合实际,能更真实地反映路面表层的轮载作用。3在不同轮胎表面的非均匀布负荷的影响下，路面结构的响应分析3.1最大拉应力值的计算当轮胎胎面为纵向花纹条时,纵纹轮胎路面结构模型如图3所示。取用图2(a)荷载作用图式,分别将后轴轴载为100kN、120kN和140kN时的带状荷载数据引入模型中进行计算,得到路面结构的应力场,计算结果见表3,应力S11分布见图4。分析表3的数据可以看到,最大拉应力出现的坐标为(0.0,1.65,2.5),反应到模型中的位置是车轮中间底基层底部,最大拉应力值为3.901×104Pa,该应力可能会引起反射裂纹的产生,这与之前一些研究人员研究的结论相同。再看剪应力出现的坐标为(0.0,2.5,2.3),反应到模型中的位置是位于路面表面轮迹外边缘,该值为3.093×105Pa,根据文献,一般沥青混合料在常温、低温下的抗拉强度数量级为1MPa,抗剪强度约为0.3MPa~0.5MPa[10―11]。本文计算的最大拉应力比混合料的抗拉强度小一个数量级,而最大剪应力值接近抗剪强度。考虑到混合料的疲劳作用,因此可以认为最大剪应力可能是导致表面裂缝的直接原因,且裂缝出现在轮迹带边缘,这一点正好与实际相吻合。随着行车荷载的增大,结构内部的应力也在变化,当轴载从100kN、120kN到140kN时,最大拉应力值由3.901×104Pa、4.686×104Pa到1.714×105Pa,拉应力的变化呈数量级的增长。最大剪应力更是从3.09×105Pa变化到3.08×106Pa,出现急速增长,远远超出了沥青混合料的抗剪强度,由此可见一旦出现重载,路面表面轮迹带边缘极易出现由于剪应力引起的表面裂缝,伴随还会出现由拉应力引起的反射裂缝。这可能是导致路面裂缝产生的主要原因,因此重载车辆显然对路面极具破坏性。3.2轮迹带下的纵向裂缝形貌当轮胎胎面为横向花纹条时,取用图2(b)荷载作用图式,将后轴轴载为100kN、120kN和140kN的带状荷载数据引入模型中进行计算,得到路面结构的应力场,如表4所示。分析表4的数据可以看到,最大拉应力出现的坐标为(0.0,1.65,2.43),虽然最大拉应力也出现在底基层底部,但不在轮载的中心位置,而在其中一轮迹带内边缘正下方,在100kN的轴载作用下,最大拉应力值为4.11×104Pa,且在相同的位置上有比较大的沿行车方向的拉应力4.07×104Pa,该应力可能会引起反射裂纹的产生,而且裂缝不一定是垂直向上的。最大剪应力出现的坐标为(0.0,2.425,2.26),正好对应于面层中部轮迹带外边缘,该值为4.86×105Pa。基本达到了一般沥青混合料在常温、低温下的最大抗剪强度,且比纵向花纹轮胎更易达到剪切破坏。与日常见到的轮迹带下的大量纵向裂缝这一现象正好相吻合,而最大拉应力比混合料的抗拉强度小一个数量级,尚不能造成抗拉破坏,因此在模拟实际轮胎不均匀荷载作用下,路面结构内出现大剪应力是导致表面裂缝的直接原因,表现为纵向裂缝形式,出现在轮迹带边缘。随着行车荷载的增大,结构内部的应力也在变化,当轴载从100kN、120kN到140kN时,最大拉应力值由4.11×104Pa、4.92×104Pa到5.72×104Pa,拉应力有了一定幅度的增长,但没有纵向花纹轮胎的增长幅度大。最大剪应力从4.86×105Pa、5.58×105Pa变化到6.23×105Pa,也有一定幅度的增长,虽不及纵向花纹轮胎的增长幅度大。但其值也都超出了沥青混合料的抗剪强度,由此可以得出:无论是纵向花纹轮胎还是横向花纹轮胎,重载车辆对路面都极具破坏性。在重载作用下,纵向轮胎花纹比横向轮胎花纹对路面的破坏更大。因此对重载车辆使用横向花纹轮胎更利于路面的耐久性。比较表3和表4,对于纵向花纹,应力S12比较大,在120kN轴载作用达到1.207×105Pa,且出现在路面表面轮迹带外边缘,实际上它再次推动了剪应力的破坏,在轮迹带外边缘沿花纹的方向出现纵向裂缝。随着轴重的增大,在140kN轴载作用下应力S12出现飞快增长的同时,应力S23也出现了飞快增长,最大达到7.766×105Pa,增大了一个量级。这导致裂缝方向很容易从纵向裂缝转变成斜向裂缝,从而形成网裂。而对于横向花纹轮胎荷载作用,S12、S23应力一直都比较大,在140kN轴载作用下最大分别达到1.50×105Pa和2.44×105Pa,且都出现在路面表面两个轮迹带外边缘,随着轴重的增长,两个方向上的应力增长的幅度相对比较小。可见,横向花纹轮胎更易形成斜向裂缝。轮胎花纹形式的不同,对路面的影响是不同的,出现的裂缝形式也存在差异。从而导致路面出现了纵横交错不同方向的裂缝。4载荷抗侧裂缝机理通过对不同花纹轮胎荷载作用下路面结构响应的分析得出:(1)路面表面轮迹带外边缘的最大剪应力比较大,超过了面层材料的抗剪强度,可能是导致表面裂缝的直接原因,且裂缝出现在轮迹带边缘,表现为纵向裂缝的形式。(2)无论是纵向花纹轮胎还