重载交通条件下车路耦合系统非线性动力学行为精细化仿真

With the development of expressway traffic and the wide application of heavy vehicles, scholars began to discuss the dynamic responses of vehicle-road coupled system under the comparatively authentic pressure. It is very necessary to establish refined model for vehicle-road coupled system. The vehicle-road coupled system under heavy load traffic is a complicated nonlinear vibration system with numerous degrees of freedom, presents complex nonlinear behavior. Therefore, adopting analytic method cannot get the result, the simulation method is efficient. However, the complexity of load and structure is not presented in current simulation models. This project will couple vehicle system and road system, and perform refined simulation for nonlinear mechanics behaviors of the coupled system. Mechanism of nonlinear mechanics behaviors and failure process of asphalt pavement under long term heavy load traffic also will be studied. The research achievement can be one of effective tools in analysis of nonlinear mechanics behaviors for vehicle-road coupled system. It also has theoretical significance and applied value to deepen the dynamics analysis methods of vehicle-road coupled system and guid the design of asphalt pavement structure.

高速公路交通的发展和重型车辆的大量运用，促使人们探讨在较为真实的轮载力作用下车路系统的动力学响应。前期研究表明，将车辆和道路系统耦合，并建立耦合系统的精细化模型进行分析非常必要。重载交通条件下的车路耦合系统呈现出复杂的非线性行为，系统庞大，很难用解析方法得到精确解，需要用仿真方法进行研究。现有车路耦合系统仿真模型尚未将荷载的复杂性与结构非线性同时体现出来。本项目将车辆系统和道路系统进行耦合，对耦合系统的非线性动力学行为进行精细化仿真，研究其非线性动力学行为机理和沥青路面在长期重载交通条件下的破坏过程。研究成果可为车路耦合系统非线性动力学分析提供有效工具，对于深化车路耦合系统动力学研究、指导沥青路面结构设计具有一定的理论意义和应用价值。

随着我国经济的持续发展和地区间人货交流数量的增加，公路运输中的高速重载现象日益严重，有针对性地开展重载条件下的车路耦合系统动力学行为研究，是道路工程学科和公路交通建设管理领域的迫切需求。本研究以重载车辆的轮胎力及其作用下的沥青路面力学行为为对象，基于多体动力学方法和有限元方法分别建立了车辆、轮胎和道路的仿真模型，从车辆-道路相互作用系统的角度，较全面地分析了车辆使用参数对轮胎力空间分布、路面动力响应及路面典型病害的影响。. 通过研究，得出以下主要结论：. （1）轮胎接地压力可表达为三个方向的分力，即垂向接触力CPRESS、纵向摩擦力CSHEAR1、横向摩擦力CSHEAR2。轮胎大部分的工作状态接近自由滚动，此时的CSHEAR1和CSHEAR2与CPRESS处于同一量级，因此，在进行轮胎和路面力学响应分析时不应忽略CSHEAR1和CSHEAR2。在完全制动和完全牵引状态下，CSHEAR1是水平向轮胎力的主要成分，CSHEAR2可以忽略不计。. （2）CSHEAR1和CSHEAR2对路面面层的力学行为产生显著影响，尤其是增加了面层的等效应力幅值和TDC早期裂纹的等效应力强度因子，而半刚性材料层底的拉应力极值由垂向轮胎力控制，不受水平向轮胎力影响。. （3）不同的车辆使用条件将产生不同的轮胎力空间分布特征，控制负载、增大胎压可有效改善轮胎的接地压力分布；道路条件也对轮胎力产生重要影响，CSHEAR1对路面摩擦系数和纵坡较为敏感，CSHEAR2对道路横坡较为敏感。. （4）在高速公路运输中常见的参数条件下，货车的车速、装载率、胎压和道路纵坡对道路的使用性能产生显著的负面影响。低速、高胎压、超载均是促进车辙发生的直接原因；超载将加速TDC早期裂纹的扩展，高胎压则对裂纹的扩展没有显著影响。. （5）车辆前轴对车辙和TDC早期裂纹的影响不容忽视，多轴并装车辆比单轴车辆更加容易导致车辙的发生。