基于磁纳米粒子热图像的路面三维应力测量理论与方法研究

The tire pavement contact surface of three-dimensional stress parameter is the performance of pavement on vehicle handling and safety performance, the basis of automobile safety performance, reveal, pavement damage and disaster mechanism. This project stress based on thermo elastic theory, the research methods of theory and experiment, the contact stress and temperature theory model, magnetic nanoparticles thermal imaging theory breaks through the tire pavement, to solve the temperature measurement technology of magnetic nanoparticles sensitive element, obtain the tire pavement contact surface stress thermal image; break the thermal images of the stress of 3D image decomposition theory interpretation algorithm, heat, this paper presents a three dimensional force measurement should be the theory and method of the new. The results of the project will promote the automobile industry, the road of scientific and technological progress, it has important scientific significance and application value.

轮胎路面接触面三维应力参数是研究汽车操控与安全性能、路面性能，揭示汽车安全性能、路面损坏及灾变机理的基础。本项目基于应力-热弹性理论，采用理论与实验的研究方法，突破轮胎路面接触应力-温度理论模型、磁纳米粒子热成像理论，解决磁纳米粒子温度测量敏感元件技术，获取轮胎路面接触面应力热图像；突破热图像的应力解释算法、热应力图像三维分解理论，提出一种新的三维应力测量理论与方法。项目成果将推动汽车、道路行业的科技进步，具有重要的科学意义和应用价值。

我国《公路沥青路面设计规范》规定沥青路面设计采用垂直静态双圆均布荷载，忽略了车辆行驶过程中载荷的动态性和随机性。研究在随机荷载作用下轮胎-路面接触应力的分布对于探索路面早期损坏的产生机理具有非常重要的意义。.本项目针对随机荷载下的胎-路接触应力问题展开了理论和仿真研究，最后搭建了胎-路接触三维应力测量系统。首先研究了沥青混合料的“热弹效应”原理，结合理论推导和仿真分析获得了沥青混合料单元“热弹效应”的生热率，并计算了一定应力分布下路面内部“热弹效应”和热传导耦合作用下的温度分布；基于材料的“热弹效应”与“热力耦合效应”，研究利用材料的磁热性质进行温度测试，基于郎之万定律，建立了材料磁化强度与温度的关系模型，研制了精密测温系统，设计了基于“热弹效应”的胎-路接触应力测量装置；针对热弹效应法测试胎-路接触三维应力存在的不足，将光弹性应力分析法和热图像应力分析法结合起来，实现主应力的解耦以及主应力方向分解，为主应力的求解与主应力方向的分解提供了新思路；研制了基于光纤光栅传感器的胎-路接触应力实验标定系统，实现了传感器温度-应力传递关系的快速、准确标定；在此基础上，采用传感器阵列式安装方式，搭建了胎-路接触三维应力测量系统，实现了胎-路接触三维应力的测量；最后针对已搭建测量系统中传感器的不足，采用PZT薄膜作为敏感材料，设计了新型PZT压电三维应力传感器，为后续胎-路接触应力测量系统的升级改造奠定了基础。