基于有限元分析成型方式對APA車轍的影響

肖 凱 羅資軍

（長安大學 公路學院，陜西 西安 710064）

0 前言

由于APA瀝青路面分析儀對于國產車轍儀在效率、精確度等方面的明顯優勢[1]，國內對APA的使用率越來越高，長安大學、同濟大學、華南理工大學及交通運輸公路科學研究所等單位均已投入使用。但對APA實驗中試件的受力特點等了解不夠深入[2]，故本文將基于有限元對其進行分析。

1 建模

采用ANSYS建立不同形狀試件車轍試驗的有限元模型，其材料參數如下：彈性模量1 500Mpa,泊松比0.35，密度2 600kg/m3。荷載參數:荷載大小為445N，輪胎壓強690Kpa，接地面積6.23cm2，輪跡長度、寬度分別為4.9cm、1.27cm。

瀝青混合料定義為彈性體[3]，梁形試件除車輪接觸面外，其他的面都進行法線方向約束；圓柱形試件底面為法線方向約束，側面為徑向約束。為了簡化分析，根據試件的對稱特性，梁形試件分別選取邊緣處（A1）、1/4 處（A2）和 1/2 處(A3)剖面為計算面，而兩個圓柱形試件只研究其中一個的邊緣處(B1)和1/2處剖面(B2)。以梁形試件的底面中心為坐標原點，X,Y,Z分別為垂直于行車方向、平行于行車方向和試件高度方向；與梁形試件類似，以兩圓柱形試件中心位置為坐標原點，X,Y,Z方向分別為垂直于行車方向、平行于行車方向和試件高度方向。

2 有限元計算結果分析

2.1 豎向位移研究

圖1 荷載作用在不同位置的豎向位移

圖1可以看出，沿垂直于行車方向，豎向位移呈“V”形分布，靠近輪載中心的位置，豎向位移較大，遠離輪載中心的位置，豎向位置逐步減小；以輪載中心為對稱軸，豎向位移呈對稱分布；試件表面的豎向位移最大，沿深度方向逐漸減小；梁形試件和圓柱形試件的豎向位移分布略有不同，但相差不大，且分布規律相似。

2.2 豎向應力應變研究

從圖2可以看出，試件表面既有拉應力也有壓應力，但在一定深度處，試件僅有壓應力；試件表面的豎向應力和應變呈“W”分布，且沿深度方向，這種分布特點逐漸減弱至消失；以輪載中心為對稱軸，豎向應力和應變呈對稱分布；試件表面的豎向應力和應變最大，沿深度方向逐漸減小；梁形試件和圓柱形試件的豎向應力和應變分布略有不同，但相差不大，且分布規律相似。

圖2 荷載作用在不同位置的豎向應力和應變

綜合以上分析模擬結果，盡管在做梁形試樣和圓柱體試樣車轍試驗時，借助了不同的試模，并且這兩種試模對試樣的側限約束有很大的差異，但是通過模擬和計算可知，兩種試樣在車轍試驗過程中豎向位移、豎向應力、豎向應變、ZX剪應力和應變、XY剪應力和應變的分布略有不同，但相差不大，且分布規律相似。從數值模擬過程中位移和應力的云圖、等值線圖的分析也可以發現梁形試件和圓柱形試件在不同位置處的應力和位移有很高的相似性。表明梁形試樣和圓柱體試樣車轍形成和發展的規律是一致的，都能夠反映混合料本身的特性。

3 結論

通過利用有限元分析軟件對兩種不同類型的APA實驗試件進行了相關的力學模擬，可以發現二者在荷載作用下試件內部的位移、應力及應變等參數的一致性均較高，因此可以判斷對于APA實驗采用該兩種不同類型的試件進行實驗均可。

[1] 張登良，李俊.高等級道路瀝青路面車轍研究[J].中國公路學報,1995,1(8).

[2] 彭勇，孫立軍.成型方法和集料類型對混合料均勻性指標影響[J].同濟大學學報（自然科學版）,2007，35(3):346-350.

[3] 楊挺青.粘彈性力學[M].武漢：華中理工大學出版社，1988.