基于有限元分析成型方式对APA车辙的影响

肖 凯 罗资军

（长安大学 公路学院，陕西 西安 710064）

0 前言

由于APA沥青路面分析仪对于国产车辙仪在效率、精确度等方面的明显优势[1]，国内对APA的使用率越来越高，长安大学、同济大学、华南理工大学及交通运输公路科学研究所等单位均已投入使用。但对APA实验中试件的受力特点等了解不够深入[2]，故本文将基于有限元对其进行分析。

1 建模

采用ANSYS建立不同形状试件车辙试验的有限元模型，其材料参数如下：弹性模量1 500Mpa,泊松比0.35，密度2 600kg/m3。荷载参数:荷载大小为445N，轮胎压强690Kpa，接地面积6.23cm2，轮迹长度、宽度分别为4.9cm、1.27cm。

沥青混合料定义为弹性体[3]，梁形试件除车轮接触面外，其他的面都进行法线方向约束；圆柱形试件底面为法线方向约束，侧面为径向约束。为了简化分析，根据试件的对称特性，梁形试件分别选取边缘处（A1）、1/4 处（A2）和 1/2 处(A3)剖面为计算面，而两个圆柱形试件只研究其中一个的边缘处(B1)和1/2处剖面(B2)。以梁形试件的底面中心为坐标原点，X,Y,Z分别为垂直于行车方向、平行于行车方向和试件高度方向；与梁形试件类似，以两圆柱形试件中心位置为坐标原点，X,Y,Z方向分别为垂直于行车方向、平行于行车方向和试件高度方向。

2 有限元计算结果分析

2.1 竖向位移研究

图1 荷载作用在不同位置的竖向位移

图1可以看出，沿垂直于行车方向，竖向位移呈“V”形分布，靠近轮载中心的位置，竖向位移较大，远离轮载中心的位置，竖向位置逐步减小；以轮载中心为对称轴，竖向位移呈对称分布；试件表面的竖向位移最大，沿深度方向逐渐减小；梁形试件和圆柱形试件的竖向位移分布略有不同，但相差不大，且分布规律相似。

2.2 竖向应力应变研究

从图2可以看出，试件表面既有拉应力也有压应力，但在一定深度处，试件仅有压应力；试件表面的竖向应力和应变呈“W”分布，且沿深度方向，这种分布特点逐渐减弱至消失；以轮载中心为对称轴，竖向应力和应变呈对称分布；试件表面的竖向应力和应变最大，沿深度方向逐渐减小；梁形试件和圆柱形试件的竖向应力和应变分布略有不同，但相差不大，且分布规律相似。

图2 荷载作用在不同位置的竖向应力和应变

综合以上分析模拟结果，尽管在做梁形试样和圆柱体试样车辙试验时，借助了不同的试模，并且这两种试模对试样的侧限约束有很大的差异，但是通过模拟和计算可知，两种试样在车辙试验过程中竖向位移、竖向应力、竖向应变、ZX剪应力和应变、XY剪应力和应变的分布略有不同，但相差不大，且分布规律相似。从数值模拟过程中位移和应力的云图、等值线图的分析也可以发现梁形试件和圆柱形试件在不同位置处的应力和位移有很高的相似性。表明梁形试样和圆柱体试样车辙形成和发展的规律是一致的，都能够反映混合料本身的特性。

3 结论

通过利用有限元分析软件对两种不同类型的APA实验试件进行了相关的力学模拟，可以发现二者在荷载作用下试件内部的位移、应力及应变等参数的一致性均较高，因此可以判断对于APA实验采用该两种不同类型的试件进行实验均可。

[1] 张登良，李俊.高等级道路沥青路面车辙研究[J].中国公路学报,1995,1(8).

[2] 彭勇，孙立军.成型方法和集料类型对混合料均匀性指标影响[J].同济大学学报（自然科学版）,2007，35(3):346-350.

[3] 杨挺青.粘弹性力学[M].武汉：华中理工大学出版社，1988.