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【博士】隨機荷載作用下柔性路面結構及路基動力響應研究【2006】

內容簡介

　　學科專業(yè)：道路與鐵道工程　　授予學位：博士　　學位授予單位：中南大學　　學位年度： 2006年　　隨著公路交通車輛向大型、重型化的發(fā)展，超載超限現象非常突出。利用靜力法或擬靜力法設計的高速公路路面越來越難以滿足服務要求，對車輛與路基路面結構相互動力作用機理的深入研究勢在必行。本文以柔性路基路面為研究對象，將車輛和路基路面視為協調統一系統，針對目前高速公路重型車輛與路面之間相互動力作用研究中的一些熱點和難點問題(如路面表面狀況的描述和表達、隨機動態(tài)荷載的描述和確定、路基路面動態(tài)響應的獲取)進行了較為深入的理論分析和試驗研究，主要研究內容如下：　　1．從車輛振動的隨機激勵源一路面的表面特性入手，利用頻域分析法對路面不平度的隨機功率譜密度函數(PsD)進行了推導，著重分析了高速公路路面不平度PSD的特點和規(guī)律，認為在路面隨機不平度激勵下產生的車輛動荷載為時空都在變化的隨機荷載。在此基礎上，考慮輪胎阻尼作用，采用四分之一車輛動力分析模型，編制Matlab程序對行駛于不平整路面上的車輛隨機動荷載進行了數值模擬，在時域內給出了動力車輛模型在任意車速下的隨機動荷載時程曲線，并探討了車輛隨機動荷載與路面激振頻率、車速、路面波長、路面標準波數譜密度之間　　的關系，明確了車輛對路面隨機激勵輸入的特性和規(guī)律。　　2．針對柔性路基路面的基本物理力學特性，在現有研究成果的基礎上，借助層狀體系理論，采用傳遞函數矩陣法，通過Fourier積分變換和Laplace積分變換，推導并給出了多層粘彈性體系在移動簡諧沖擊荷載作用下動力方程的解析解?？紤]到解析的實際困難，提出基于ANSYS的粘彈性動力有限元數值法作為對多層體系動力響應進行求解的新途徑?！　?．根據柔性路基路面多層粘彈性體系假設，建立了柔性路基路面結構三維動力有限元模型，成功地將ANSYS大型有限元分析軟件應用于車輛與路基路面相互動力作用的研究中，模擬并探討了路基路面結構在單輪組車輛荷載(包括考慮車輛側向力和切向力的三向荷載)作用下的動態(tài)響應(主要包括動位移、動正應力、動剪應力、動應變等)及其影響因素，闡明了柔性路基路面在車輛動荷載作用下的疲勞損傷破壞規(guī)律和機理。　　4．成功地在常(德)張(家界)新建高速公路上進行了重型車輛荷載作用下柔性路基路面各結構層動態(tài)響應的試驗研究。考察了車輛載重、車速、車道因素對路基路面的動態(tài)響應規(guī)律的影響，分析了動態(tài)響應的頻譜特性和功率譜特性，并與路面不平度激勵特性進行了比照，研究表明路面激勵、車輛振動、荷載輸入、路基路面動態(tài)響應具有相互依存的因果關系。通過二次回歸正交法，建立了路基路面動態(tài)響應與車速、動荷載、荷載二次效應及車速荷載交互作用的數學模型，確立了各因素對路面結構服務能力下降及損傷破壞的影響強度?！　?．建立反映實際試驗車輛特性的二分之一動力卡車模型，采用正規(guī)型方法對所建車輛模型的動力方程進行了求解。通過在ANSYS三維模型中輸入四輪組荷載模擬路基路面動態(tài)響應，將數值模擬結果與現場實測值(動應變及動應力)進行了對比研究，數值解與實測值比較吻合，說明本文所建立粘彈性三維有限元模型合理可信?！　?

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