車輛對(duì)路面損傷的全概率評(píng)價(jià)

1、青島大學(xué)學(xué)報(bào)第17卷第1期Vol.17No.12002年3月Mar.2002JOURNALOFQINGDAOUNIVERSITY文章編號(hào):100629798(2002)0420060204車輛對(duì)路面損傷的全概率評(píng)價(jià)張洪信,陳秉聰,張鐵柱,劉大維(青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東青島266071)摘要:在車輛對(duì)路面損傷的計(jì)算評(píng)價(jià)中,只考慮靜態(tài)軸載是不足的,而現(xiàn)用較多的車輛路面動(dòng)載系數(shù)(DLC)對(duì)路面的損傷的評(píng)價(jià)也是不充分的。本文在“四次冪定律”的基礎(chǔ)上提出了一種車輛損傷路面的全概率評(píng)價(jià)方法,它能較好地反映車輛對(duì)整個(gè)路面的疲勞損傷。關(guān)鍵詞:車輛;路面;損傷;評(píng)價(jià)中圖分類號(hào):U416.223文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

2、在車輛損傷路面的研究中,人們最初只考慮靜態(tài)輪胎力的作用,重視的是靜態(tài)軸荷P0i(i為車軸序號(hào))。19581961年美國州際公路工作者協(xié)會(huì)(AASHO)進(jìn)行大量的試驗(yàn)得出“四次冪定律”,即車胎力的“空間重復(fù)性”并不明顯。從另一個(gè)角度,局部路面的壽命并不代表整個(gè)路面的壽命,應(yīng)從車輛。冪成正比關(guān)系(如果是剛性路面,系)。視,DLC,DLC等于(根據(jù)經(jīng)驗(yàn),DLC一般取值0.050.3),這樣,在路面設(shè)計(jì)和路面損傷評(píng)價(jià)中車輛第i軸荷載為Pdi=(1+DLC)×P0i(1)假定路形為各態(tài)遍歷的平穩(wěn)隨機(jī)過程,車輛左右輪跡完全相關(guān),行駛中輪胎不會(huì)離開路面,車輛路面荷載也為各態(tài)遍歷的平穩(wěn)隨機(jī)過程,并服

3、從正態(tài)分布。車輛對(duì)路面的損傷應(yīng)該沿整個(gè)路面考慮,即各幅值荷載對(duì)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(dòng)態(tài)軸荷標(biāo)準(zhǔn)偏差為=2G()d1FErvinRD,DCebon,HahnWD,等學(xué)者通過調(diào)查,提出動(dòng)態(tài)輪胎力沿輪跡的分布具有“空間重復(fù)性125,認(rèn)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(diǎn)的損壞就達(dá)到平均水平的4倍。從路面損傷機(jī)理上看,路面應(yīng)變響應(yīng)是車輛損傷路面的直接原因,可用來評(píng)價(jià)車輛對(duì)路面的損傷,Monismith,Epps,Pell,等人對(duì)這方面的理論和應(yīng)用T式中=i;i=1,2,Na;Na為車軸2為車輛路面動(dòng)數(shù);i為第i軸荷載標(biāo)準(zhǔn)偏差;1、

4、進(jìn)行了研究,并用頻譜分析法估算路面的疲勞損傷6212。國內(nèi)學(xué)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(yīng)用于路面設(shè)計(jì)。筆者認(rèn)為在車輛損傷路面的評(píng)價(jià)中,只考慮靜態(tài)軸荷是不足的,而DLC又夸大了車輛對(duì)路面的損傷,只能作為一個(gè)定性指標(biāo)。通過實(shí)際觀察,動(dòng)態(tài)輪載角頻率上下限,可取0.1Hz,50Hz;GF()為各軸動(dòng)載譜密度列陣。2第i軸動(dòng)載Pdi服從正態(tài)分布N(0,i),又依據(jù)“四次冪定律”,它對(duì)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(dòng)態(tài)軸荷上限限,可取負(fù)P0i,2×P0i。收稿日期:200120

5、8230基金項(xiàng)目:山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(Y99F11)第一作者簡介:張洪信(19692),男,講師,吉林大學(xué)在讀博士生,主要從事車輛路面系統(tǒng)力學(xué)方面研究。第1期張洪信,等:車輛對(duì)路面損傷的全概率評(píng)價(jià)61顯然上式能較好地反映車輛對(duì)路面的一次通過性損傷,用上式得到車輛軸荷并換算為標(biāo)準(zhǔn)軸荷的系數(shù)可稱為全概率標(biāo)準(zhǔn)軸荷換算系數(shù)。對(duì)半剛性路面,全概率標(biāo)準(zhǔn)軸荷換算系數(shù)為NaX =AX+B q(8)01mu-m00A=-mu00mu-ms-1-1mums,Lp=i=1CiPs44(4)式中Ci為輪組系數(shù)。根據(jù)國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)公路瀝青(JTJ014297),以路表面設(shè)計(jì)彎沉或路面設(shè)計(jì)規(guī)范瀝青面層底面彎拉應(yīng)力為設(shè)計(jì)

6、指標(biāo)時(shí),按彎沉或彎拉應(yīng)力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(yīng)力為設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí),按彎拉應(yīng)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(guān)剛性路面的結(jié)果參見文獻(xiàn)14。采用靜態(tài)軸荷和DLC時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)軸荷換算系數(shù)為NaB=-1000T(9)系統(tǒng)狀態(tài)向量與路面輸入之間的傳遞函數(shù)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(shù)(或頻率指數(shù));所以n0=0.1(c/m)為參考空間頻率;Gr(

7、n0)為參考空間頻率對(duì)應(yīng)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(tǒng)一的車輛振動(dòng)模型,現(xiàn)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(zhì)量、彈簧剛度、懸架阻尼和非懸置質(zhì)量;q、x1、x2分別為路面輸入位移、非懸置質(zhì)量位移和懸置質(zhì)量位移。2計(jì)算結(jié)果及分析設(shè)1/4車輛模型各參數(shù)為:輪胎剛度(雙輪組)kt=2MN/m,路面譜指數(shù)w=2.14,懸置質(zhì)量ms=4500kg,非懸置質(zhì)量mu

8、=500kg,彈簧剛度ks=0.4MN/m,懸架阻尼cs=10kN.s/m,車輛速度v=22m/s(對(duì)應(yīng)80km/h)。圖3圖6分別為路面譜指數(shù)w、懸架阻尼cs、懸架剛度ks、懸置質(zhì)量ms、非懸置質(zhì)量mu等參數(shù)變化時(shí),標(biāo)準(zhǔn)軸荷換算系數(shù)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(dòng)載對(duì)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(píng)價(jià)車輛對(duì)路面損傷的定性指標(biāo);L0低于Lp,顯然用L0計(jì)算和評(píng)價(jià)車輛對(duì)路面的損傷是不足的,必須考慮車輛路面的動(dòng)態(tài)作用。Ld、Lp對(duì)路面指數(shù)的變化比較敏感(圖2);懸架阻尼系數(shù)高有利于減輕車輛對(duì)路面的損傷(圖3);懸架剛

9、度變大增加了車輛對(duì)路面的損(7)圖11/4車輛動(dòng)力模型取系統(tǒng)狀態(tài)向量TX=x1-q,x2-x1, x1, x2則系統(tǒng)狀態(tài)方程為傷(當(dāng)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(dòng)說明懸置質(zhì)量與非懸置質(zhì)量的振動(dòng)存在耦合(圖4);懸置質(zhì)量的變化對(duì)路面損青島大學(xué)學(xué)報(bào)第17卷62傷影響很大(圖5),可見超限和超載車輛對(duì)路面損傷嚴(yán)重;非懸置質(zhì)量和車輛對(duì)路面的損傷成斜率較大的線性關(guān)系(圖6)。圖5標(biāo)準(zhǔn)軸荷系數(shù)與懸置質(zhì)量ms的關(guān)系圖2標(biāo)準(zhǔn)軸荷系數(shù)與路面譜指數(shù)w的關(guān)系圖6標(biāo)準(zhǔn)軸荷系數(shù)與非懸置質(zhì)量mu的關(guān)系3結(jié)論圖3標(biāo)準(zhǔn)軸荷系數(shù)與懸架阻尼cs的關(guān)系在計(jì)算車輛損傷路面的評(píng)價(jià)中,只考慮靜態(tài)軸荷是不足

10、的;采用DLC評(píng)價(jià)車輛對(duì)路面的損傷也不充分;本文在“四次冪定律”的基礎(chǔ)上提出一種車輛損傷路面的全概率評(píng)價(jià)方法,仿真結(jié)果表明它能較好地反映車輛對(duì)整個(gè)路面的損傷,可作為評(píng)價(jià)車輛損傷路面的依據(jù)。參考文獻(xiàn):1ErvinRD,etal.Influenceoftrucksizeandweightvari2ablesonthestabilityandcontrolpropertiesofheavytrucksR.TechnicalreportUMTRI-83-10/2,Trans2portationUniversityofMichiganResearchInstitute,圖4標(biāo)準(zhǔn)軸荷系數(shù)與懸架剛度ks的關(guān)

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