重型车辆轮胎接地压力分布及其作用下路面力学响应叠加效应

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轮胎的接地压力是路面力学分析中的荷载输入条件。现行沥青路面设计规范中,将车辆荷载简化为双圆垂直均布荷载,这种做法忽略了轮胎接地压力的三向空间非均布特性,并且接地压力的形状并非圆形,而是随荷载增加愈发表现为矩形。重型载重汽车作为沥青路面设计中的最主要车辆荷载形式,通常是以多联轴的形式作用在路面上,相邻车轴造成的路面力学响应会产生叠加现象,仅仅以单轴荷载的作用效果难以解释多联轴荷载下产生的诸多路面早期病害。因此,获取重型载重汽车轮胎真实的三向接地压力,并将其作用于典型沥青路面,以此来研究多轮组荷载下的路面力学响应叠加现象,可以为路面设计中的轴载换算提供依据,使路面设计过程更科学。
  首先,研发重型车辆轮胎接地压力测试设备。设计了可以灵活安装任意型号轮胎的轮胎固定架;采用液压加载方式对轮胎进行加载,液压系统采用伺服控制,使压力控制更精准;采用压力传感器实测的方法,借助Tekscan压力测试系统,完成轮胎接地压力的量测与记录。测试设备的压力输出精度高,操作简易,安全性好,为获取真实的轮胎三向接地压力提供了硬件基础。
  其次,建立接地压力实测数据的快速处理方法。由压力传感器测得的轮胎接地压力数据庞大,为了准确获取有效信息,总结了7个接地压力的几何特性指标和2个力学特性指标;借助MATLAB实现了各项指标的快速计算,并编制了接地压力实测数据处理软件;对12R22.5型号的载重汽车轮胎进行了接地压力实测,实测结果表明,标准胎压时,负荷的改变主要影响胎肩位置的竖向接地压力大小;标准负荷时,胎压的改变主要影响胎面中部位置的竖向接地压力大小。
  再次,进行载重汽车轮胎与路面接触的仿真试验。建立了与实测轮胎型号一致的有限元模型,通过实测结果和模拟结果的对比,验证了模型的可靠性;对稳态滚动轮胎的三向接地压力分布特性开展分析,研究结果表明,竖向接地压力在自由滚动时具有良好的对称性,制动和牵引会小幅度破坏沿行驶方向的对称性;纵向接地压力的峰值始终出现在前进方向的后侧,在横向上具有对称性,和竖向接地压力相关性高;横向接地压力的峰值始终出现在前进方向的前侧,在横向上具有反对称性。
  最后,研究多轮组荷载下的路面力学响应叠加机理。提取自由滚动状态的三向接地压力,编译ABAQUS子程序,将三向移动非均布荷载作用于沥青路面模型。对比了有无水平向荷载时的路面响应,结果表明,水平荷载的存在会削弱上面层的正应力,但会促进正应变;对剪应力和剪应变的促进效果显著,甚至高于竖向荷载的作用效果。对比了多轮组荷载下的沥青路面力学响应,结果表明,在底基层层底的力学响应叠加现象明显,这个叠加是时间域和空间域的双重叠加效果,其中在空间域上,多轮组荷载对纵向应力起到了削弱作用。
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