基于有限元分析成型方式對(duì)APA車轍的影響

肖 凱 羅資軍

（長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064）

0 前言

由于APA瀝青路面分析儀對(duì)于國產(chǎn)車轍儀在效率、精確度等方面的明顯優(yōu)勢(shì)[1]，國內(nèi)對(duì)APA的使用率越來越高，長安大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、華南理工大學(xué)及交通運(yùn)輸公路科學(xué)研究所等單位均已投入使用。但對(duì)APA實(shí)驗(yàn)中試件的受力特點(diǎn)等了解不夠深入[2]，故本文將基于有限元對(duì)其進(jìn)行分析。

1 建模

采用ANSYS建立不同形狀試件車轍試驗(yàn)的有限元模型，其材料參數(shù)如下：彈性模量1 500Mpa,泊松比0.35，密度2 600kg/m3。荷載參數(shù):荷載大小為445N，輪胎壓強(qiáng)690Kpa，接地面積6.23cm2，輪跡長度、寬度分別為4.9cm、1.27cm。

瀝青混合料定義為彈性體[3]，梁形試件除車輪接觸面外，其他的面都進(jìn)行法線方向約束；圓柱形試件底面為法線方向約束，側(cè)面為徑向約束。為了簡化分析，根據(jù)試件的對(duì)稱特性，梁形試件分別選取邊緣處（A1）、1/4 處（A2）和 1/2 處(A3)剖面為計(jì)算面，而兩個(gè)圓柱形試件只研究其中一個(gè)的邊緣處(B1)和1/2處剖面(B2)。以梁形試件的底面中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，X,Y,Z分別為垂直于行車方向、平行于行車方向和試件高度方向；與梁形試件類似，以兩圓柱形試件中心位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，X,Y,Z方向分別為垂直于行車方向、平行于行車方向和試件高度方向。

2 有限元計(jì)算結(jié)果分析

2.1 豎向位移研究

圖1 荷載作用在不同位置的豎向位移

圖1可以看出，沿垂直于行車方向，豎向位移呈“V”形分布，靠近輪載中心的位置，豎向位移較大，遠(yuǎn)離輪載中心的位置，豎向位置逐步減小；以輪載中心為對(duì)稱軸，豎向位移呈對(duì)稱分布；試件表面的豎向位移最大，沿深度方向逐漸減小；梁形試件和圓柱形試件的豎向位移分布略有不同，但相差不大，且分布規(guī)律相似。

2.2 豎向應(yīng)力應(yīng)變研究

從圖2可以看出，試件表面既有拉應(yīng)力也有壓應(yīng)力，但在一定深度處，試件僅有壓應(yīng)力；試件表面的豎向應(yīng)力和應(yīng)變呈“W”分布，且沿深度方向，這種分布特點(diǎn)逐漸減弱至消失；以輪載中心為對(duì)稱軸，豎向應(yīng)力和應(yīng)變呈對(duì)稱分布；試件表面的豎向應(yīng)力和應(yīng)變最大，沿深度方向逐漸減小；梁形試件和圓柱形試件的豎向應(yīng)力和應(yīng)變分布略有不同，但相差不大，且分布規(guī)律相似。

圖2 荷載作用在不同位置的豎向應(yīng)力和應(yīng)變

綜合以上分析模擬結(jié)果，盡管在做梁形試樣和圓柱體試樣車轍試驗(yàn)時(shí)，借助了不同的試模，并且這兩種試模對(duì)試樣的側(cè)限約束有很大的差異，但是通過模擬和計(jì)算可知，兩種試樣在車轍試驗(yàn)過程中豎向位移、豎向應(yīng)力、豎向應(yīng)變、ZX剪應(yīng)力和應(yīng)變、XY剪應(yīng)力和應(yīng)變的分布略有不同，但相差不大，且分布規(guī)律相似。從數(shù)值模擬過程中位移和應(yīng)力的云圖、等值線圖的分析也可以發(fā)現(xiàn)梁形試件和圓柱形試件在不同位置處的應(yīng)力和位移有很高的相似性。表明梁形試樣和圓柱體試樣車轍形成和發(fā)展的規(guī)律是一致的，都能夠反映混合料本身的特性。

3 結(jié)論

通過利用有限元分析軟件對(duì)兩種不同類型的APA實(shí)驗(yàn)試件進(jìn)行了相關(guān)的力學(xué)模擬，可以發(fā)現(xiàn)二者在荷載作用下試件內(nèi)部的位移、應(yīng)力及應(yīng)變等參數(shù)的一致性均較高，因此可以判斷對(duì)于APA實(shí)驗(yàn)采用該兩種不同類型的試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)均可。

[1] 張登良，李俊.高等級(jí)道路瀝青路面車轍研究[J].中國公路學(xué)報(bào),1995,1(8).

[2] 彭勇，孫立軍.成型方法和集料類型對(duì)混合料均勻性指標(biāo)影響[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2007，35(3):346-350.

[3] 楊挺青.粘彈性力學(xué)[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1988.