路面轮廓与接触应力场的三维重构及其抗滑虚拟试验研究

发布时间：2020-03-31 22:03

【摘要】：如今,我国道路建设正处于高速发展的时期,尤其是高速公路的大规模铺建,15年的设计使用周期已远远不能满足道路的使用时限,路面的耐久性面临严重的考验。随着超级高速公路规划建设实施,对路面的抗滑性能也有了新的要求。为提高现有沥青路面抗滑性能设计与评价水平,本文通过对路面轮廓的三维重构及峰顶夹角分析评价、对轮胎与路面接触压力的三维优化重构与接触压力梯度等指标分析,利用有限元ABAQUS对轮胎与路面接触进行仿真评价,充分研究轮胎与路面的接触压力及对抗滑性能的影响评价,并通过室内研究试验对各个维度的指标进行相关性分析。首先,利用课题组研发的路面激光轮廓检测仪,对车辙板20cm*20cm区域进行采集测量,随后利用Matlab软件平台对扫描区域的路面轮廓数据进行处理。包括异常点剔除,矩阵顺序排列,单元区间分析,路面轮廓形态三维重构,最后提出通过matlab程序计算峰顶夹角值指标对路面轮廓进行评价分析。其次,本文通过压力胶片技术,测得不同级配、不同搓揉时间的轮胎与路面之间真实接触压力数据,利用matlab平台将矩阵数据进行去噪滤波,并通过loess函数进行三维优化重构,得到轮胎与路面接触压力场三维立体图像。根据图像显示轮胎与路面接触后,受轮胎花纹及路表凸凹轮廓影响,出现单峰或多峰不规则压力场。接触压力场是车辆行驶的制动力与驱动力的正压力来源,表征轮胎与路面接触的力学特征。通过对压力场的接触压力梯度以及梯度最大值区间分布的统计计算,分析压力场分布特征,评价路面的抗滑性能。接触压力梯度的大小表征了路面轮廓棱角性的好坏,接触压力梯度越大,说明沥青路面与轮胎咬合情况更好,而梯度最大值区间分布情况表征路面与轮胎接触的骨料倾覆方向,骨料棱角方向若能垂直路表面向上,能与轮胎最大程度咬合,最大化提高车辆的制动力和驱动力。再次,根据激光轮廓仪扫描后的真实路表轮廓形态,通过有限元ABAQUS软件进行拟合三个不同搓揉时间下的20cm*20cm的路面轮廓,利用压力胶片提供轮胎与路面接触时的力学模型。轮胎与路面的接触不考虑道路自身结构层影响,赋予路面表面刚性不可形变的参数。构造一个P235/70R16的光圆轮胎,赋予其超弹本构模型,不考虑轮胎纹理变化。第一步,对轮胎施加10KN的垂直荷载,检测轮胎与路面静载接触时的每一时刻的接触面积和接触压力。第二步模拟轮胎在垂直荷载下和一定初速度下滚动,并计算每一瞬时轮胎所受摩擦力大小。根据计算结果显示,路面轮廓凹凸构造越好,所提供给轮胎的摩擦力越大,同时在制动时提供的抗滑性能越好。最后依托潮惠高速试验段,设置不同的施工方案,并通过室内研究的指标对方案进行优劣分析,同时研究开放交通后路面抗滑衰减状况。
【图文】：

级配曲线,级配曲线,试件,级配组成

采用 CAVF 法和断级配理论的材料设计方法改进 AC-13 的级配组成及设计方断 2.36mm 档的沥青混合料，将其称为 GAC-13(Gap-graded Asphalt Concr AC-13 与 GAC-13 做对比试验，级配组成如表 2-1，级配曲线如图 2-1。石采用花岗岩，花岗岩材料属于广东省资源较多的石材，利用其作为抗滑路面的石于本地新建路面的大规模应用，石料的性能检测指标如表 2-2。沥青选用 SBS ，同时广东省的高温气候对对沥青表面的不利影响，，利用沥青的时温等效原理试验，本试验选择最不利环境，浸水 60℃开展试验研究。表 2-1 试件级配组成类型通过各级筛孔（单位：mm）的集料质量百分率（单位：%）19 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 C-13 100 100 96.9 72.1 29.0 26.5 20.3 18.4 12.2 8.7 -13 100 100 95.3 77.5 54.3 37.9 26.8 20.1 14.8 11.0

试验机,图片,试件

旋转薄膜加热试验(RTFOT)残留物(163℃,85min)质量变化(%) ±1.0 -0.09延度5℃,5cm/min,cm Min≥15 23针入度比 (%)Min≥65 78.82.1.3 不同搓揉时长对比设计为模拟实际路况中车轮对路面的反复加载，利用室内车辙试验仪的花纹轮胎对车辙板进行搓揉。试验开始前，将制作完成的车辙板试件放置于搓揉机试验台上，将车辙板试件四周固定，调节碾压轮重量至试验所需的负荷，然后将试验平台外围恒温水浴箱调至试验温度水浴养护 2~4h，启动碾压轮纵向往复运动装置和试验台横向移动装置开关，使轮载在纵向往复运动的同时，同时试验台做侧向移动。试件在被搓揉过程中，每隔 2 小时测定试件表面的构造深度、摆值，并利用激光轮廓仪扫描试件搓揉后表面轮廓，利用压力胶片读取不同搓揉时长下试件与车辆轮胎的接触压力，以此来评价沥青混合料表面轮廓的抗滑性能。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U416.2

【参考文献】