1、青島大學學報第17卷第1期Vol.17No.12002年3月Mar.2002JOURNALOFQINGDAOUNIVERSITY文章編號:100629798(2002)0420060204車輛對路面損傷的全概率評價張洪信,陳秉聰,張鐵柱,劉大維(青島大學機電工程學院,山東青島266071)摘要:在車輛對路面損傷的計算評價中,只考慮靜態軸載是不足的,而現用較多的車輛路面動載系數(DLC)對路面的損傷的評價也是不充分的。本文在“四次冪定律”的基礎上提出了一種車輛損傷路面的全概率評價方法,它能較好地反映車輛對整個路面的疲勞損傷。關鍵詞:車輛;路面;損傷;評價中圖分類號:U416.223文獻標識碼:A

2、在車輛損傷路面的研究中,人們最初只考慮靜態輪胎力的作用,重視的是靜態軸荷P0i(i為車軸序號)。19581961年美國州際公路工作者協會(AASHO)進行大量的試驗得出“四次冪定律”,即車胎力的“空間重復性”并不明顯。從另一個角度,局部路面的壽命并不代表整個路面的壽命,應從車輛。冪成正比關系(如果是剛性路面,系)。視,DLC,DLC等于(根據經驗,DLC一般取值0.050.3),這樣,在路面設計和路面損傷評價中車輛第i軸荷載為Pdi=(1+DLC)P0i(1)假定路形為各態遍歷的平穩隨機過程,車輛左右輪跡完全相關,行駛中輪胎不會離開路面,車輛路面荷載也為各態遍歷的平穩隨機過程,并服從正態分布。

3、車輛對路面的損傷應該沿整個路面考慮,即各幅值荷載對路面的損傷在荷載最小幅值和最大幅值之間的積分,該損傷是全概率性的。車輛動態軸荷標準偏差為=2G()d1FErvinRD,DCebon,HahnWD,等學者通過調查,提出動態輪胎力沿輪跡的分布具有“空間重復性125,認為輪胎力幅集中在沿路面的某些特定位(2)置,沿路面的某些點的損壞就達到平均水平的4倍。從路面損傷機理上看,路面應變響應是車輛損傷路面的直接原因,可用來評價車輛對路面的損傷,Monismith,Epps,Pell,等人對這方面的理論和應用T式中=i;i=1,2,Na;Na為車軸2為車輛路面動數;i為第i軸荷載標準偏差;1、進行了研究,

4、并用頻譜分析法估算路面的疲勞損傷6212。國內學者楊方廷也曾在這方面作過有益的探討13。但這方面的研究成果還沒有應用于路面設計。筆者認為在車輛損傷路面的評價中,只考慮靜態軸荷是不足的,而DLC又夸大了車輛對路面的損傷,只能作為一個定性指標。通過實際觀察,動態輪載角頻率上下限,可取0.1Hz,50Hz;GF()為各軸動載譜密度列陣。2第i軸動載Pdi服從正態分布N(0,i),又依據“四次冪定律”,它對半剛性路面的全概率損傷可表示為Ppi=4xx2(P0i+x)4-e2ix/(2i)22dx(3)式中x1、x2為動態軸荷上限限,可取負P0i,2P0i。收稿日期:2001208230基金項目:山東省

5、自然科學基金項目(Y99F11)第一作者簡介:張洪信(19692),男,講師,吉林大學在讀博士生,主要從事車輛路面系統力學方面研究。第1期張洪信,等:車輛對路面損傷的全概率評價61顯然上式能較好地反映車輛對路面的一次通過性損傷,用上式得到車輛軸荷并換算為標準軸荷的系數可稱為全概率標準軸荷換算系數。對半剛性路面,全概率標準軸荷換算系數為NaX =AX+B q(8)01mu-m00A=-mu00mu-ms-1-1mums,Lp=i=1CiPs44(4)式中Ci為輪組系數。根據國家行業標準公路瀝青(JTJ014297),以路表面設計彎沉或路面設計規范瀝青面層底面彎拉應力為設計指標時,按彎沉或彎拉應力

6、等效的原則推演得到的軸載換算式中,單輪組為6.4,雙輪組為1.0,四輪組為0.38。以半剛性基層的底面彎拉應力為設計指標時,按彎拉應力等效的原則推演得到的軸載換算式中,單輪組為18.5,雙輪組為1.0,四輪組為0.09。有關剛性路面的結果參見文獻14。采用靜態軸荷和DLC時的標準軸荷換算系數為NaB=-1000T(9)系統狀態向量與路面輸入之間的傳遞函數為Hxq=Bs/(sI-A)其中,s為拉普拉斯算子;I為4階單位陣。路面譜用角頻率表示為-ww(10)Gr()=n0Gr(n0)()v2v式中w為路面譜指數(或頻率指數);所以n0=0.1(c/m)為參考空間頻率;Gr(n0)為參考空間頻率對應

7、的譜密度(m3)(15),v為車輛(m/)。=Hxq(1)Gr()2GF()=4ktGxq()(11)(12)L0=i=1NaCi4Ps4Pi44(5)Ldi1s)1.2F)、半掛式等多種,車橋的型式也多種多樣,因此很難建立統一的車輛振動模型,現多采用1/4車輛模型(圖1)。圖中,kt、ms、ks、cs和mu分別為輪胎剛度、懸置質量、彈簧剛度、懸架阻尼和非懸置質量;q、x1、x2分別為路面輸入位移、非懸置質量位移和懸置質量位移。2計算結果及分析設1/4車輛模型各參數為:輪胎剛度(雙輪組)kt=2MN/m,路面譜指數w=2.14,懸置質量ms=4500kg,非懸置質量mu=500kg,彈簧剛度k

8、s=0.4MN/m,懸架阻尼cs=10kN.s/m,車輛速度v=22m/s(對應80km/h)。圖3圖6分別為路面譜指數w、懸架阻尼cs、懸架剛度ks、懸置質量ms、非懸置質量mu等參數變化時,標準軸荷換算系數L0、Ld、Lp的變化曲線。從圖3圖6可見,Ld大大高于Lp,即DLC夸大了車輛動載對路面的損傷。又Ld與Lp的形狀和變化趨勢相似,所以DLC可作為評價車輛對路面損傷的定性指標;L0低于Lp,顯然用L0計算和評價車輛對路面的損傷是不足的,必須考慮車輛路面的動態作用。Ld、Lp對路面指數的變化比較敏感(圖2);懸架阻尼系數高有利于減輕車輛對路面的損傷(圖3);懸架剛度變大增加了車輛對路面的

9、損(7)圖11/4車輛動力模型取系統狀態向量TX=x1-q,x2-x1, x1, x2則系統狀態方程為傷(當然重型車輛的載重決定懸架剛度不能太小,這是矛盾的),曲線的波動說明懸置質量與非懸置質量的振動存在耦合(圖4);懸置質量的變化對路面損青島大學學報第17卷62傷影響很大(圖5),可見超限和超載車輛對路面損傷嚴重;非懸置質量和車輛對路面的損傷成斜率較大的線性關系(圖6)。圖5標準軸荷系數與懸置質量ms的關系圖2標準軸荷系數與路面譜指數w的關系圖6標準軸荷系數與非懸置質量mu的關系3結論圖3標準軸荷系數與懸架阻尼cs的關系在計算車輛損傷路面的評價中,只考慮靜態軸荷是不足的;采用DLC評價車輛對

10、路面的損傷也不充分;本文在“四次冪定律”的基礎上提出一種車輛損傷路面的全概率評價方法,仿真結果表明它能較好地反映車輛對整個路面的損傷,可作為評價車輛損傷路面的依據。參考文獻:1ErvinRD,etal.Influenceoftrucksizeandweightvari2ablesonthestabilityandcontrolpropertiesofheavytrucksR.TechnicalreportUMTRI-83-10/2,Trans2portationUniversityofMichiganResearchInstitute,圖4標準軸荷系數與懸架剛度ks的關系1983.2Cebon

11、D.Aninvestigationofthedynamicinteractionbe2tweenwheelvehiclesandroadsurfacesD.UniversityofCambridge,1985.3HahanWD.Effectsofcommercialvehicledesignonroadstress2vehicleresearchresultsJ.InstitutfrKraft2fashrwesen,UniversityHannover,1985.第1期張洪信,等:車輛對路面損傷的全概率評價634ColeDJ,ACCollop,PotterTECetal.Spatialrepe

12、ata2bilityofmeasureddynamictyreforcesJ.ProcInstnMechEngrs,1996,210:185-197.5ColeDJ,CebonD.SpatialrepeatabilityofdynamictyreforcesgeneratedbyheavyvehiclesJ.ProcInstnMechEngrs,1992,206:17-26.6Monismith,CL,SecorKE,Blackmer.Asphaltmixturebehaviorinrepeatedflexure.Proc.,Assoc.ofAsphaltPavingTech.,Charles

13、ton,S.C.,1961,30:188-222.7PellPS.Fatiguecharacteristicsofbitumenandbitumi2nousmixesJ.Proc.,Int.Conf.OntheStruct.DesignofAsphaltPavements,UniversityofMichigan,AnnAr2bor,Mich:1962.8PellPW,TalorIF.AsphaltroadmaterialsinfatigueJ.Proc.Assoc.ofAsphaltPavingTech.,LosAngeles,Calif.,1969,37:423-458.9AglanHA,

14、FigueroaJL.Damage2evolutionapproachtofatiguecrackinginpavementsJ.JournalofEngineeringMechanics,1993,119(6):1243-1259.10CastellMA,IngratteaAR,IrwinLH.FatiguecrackgrowthinpavementsJ.JournalofTransportationEn2gineering,2000,126(4):283-289.11CollopAC,CebonD.Atheoreticalanalysisoffatiguecrackinginflexibl

15、epavementsJ.PocInstnMechEn2grs,1995,209:345-361.12CollopAC.CebonD.Amodelofwhole2lifeflexiblepavementperformanceJ.PocInstnMechEngrs,1995,209:389-407.13楊方庭.路面對車輛動荷的動態響應的研究D.中國農業大學,1996.14姚祖康主編.路面M.北京:人民交通出版社,1999.15鐘陽,王哲人,張肖寧.不平整路面上行使的車輛對路面隨機動壓力的分析J.中國公路學報,1992,5(2):40-43.FULLPROBABILITYS,ChenBingcong,ZhangTiezhu,LiuDawei(CollegeofMechanical&ElectronicEngineering,QingdaoUniversity,ShandongQingdao266071,China)Abstract:Itslackingtoconsiderthestaticaxlesloadonlyinevaluatingroaddamagebyvehicle,andontheotherhand,DLC(DynamicLoadCoeffi