膜结构路面器材通过性仿真分析
发布时间:2020年4月3日 点击数:2044
路面器材是应急通道保障的主要装备[1]。目前国内外对各种结构的路面器材研究成果较多。范华林等[2,3]对铰接板梁式和箱式路面器材的通过性进行了研究;王钦, 陈洲等[4—6]对复合材料铺面板进行了研究;蒋斌[7,8]等对一种膜结构轻质软路面器材的力学机理进行了理论分析;魏武等[9]对聚酯网状道面结构对飞机的颠簸性进行了理论研究和仿真分析;蔡望鹏等[10]对聚酯网道面系统在弹性地基上的挠度进行了分析计算。膜结构路面器材在保障轮式车辆通行时, 往往会因为沉陷过大或轮胎打滑而导致车辆难以通行;但上述文献对膜结构路面器材通过性问题的研究较少。因此有必要对膜结构路面器材保障轮式车辆的通过性问题进行研究。
在目前的路面器材种类中, 方便车辆携带的不多。基于聚酯网状道面结构设计了一种便携车辙式路面器材。该路面器材是一种典型的膜结构路面器材, 在荷载作用下会产生较大的变形。本文主要运用车辆地面力学理论和数值仿真技术研究路面器材在保障轮式车辆在松软路面上行驶时的通过性, 并对影响通过性的因素进行分析。
1 便携车辙式路面器材的结构
便携车辙式路面器材的结构如图1所示, 路面基体采用聚酯纤维丝编织成网, 横向插入玻璃纤维加强杆, 使用时将路面器材单元铺在软基路面上, 两端用锚桩进行锚定。该路面器材可供轮式车辆携行, 用于轮式车辆局部松软路面应急自救。
路面器材单元的尺寸为3.5 m×0.5 m, 加强杆和聚酯纤维丝的参数见表1。
图1 路面器材结构示意图Fig.1 Structure diagram of pavement equipment 下载原图
2 车辆挂钩牵引力的计算[11]
现已公认, 车辆挂钩牵引力更能准确地评判车辆的软土通过性。挂钩牵引力Fd定义为车辆行驶的土壤推进力Fφ与车辆总阻力Ff之差。即
挂钩牵引力大于零则表示车辆可以顺利通行。
车辆在路面器材上行进时, 速度要求缓慢, 可以忽略其加速度和对路面的冲击效应, 因此可以将车辆对路面的作用力看成静载荷。
本文讨论的路面为松软路面, 轮胎作用时路面变形较大, 轮胎的变形相对较小, 因此可将车轮看作刚性轮[7]。在分析时, 为了简化计算, 可将地基模型简化为温克尔地基模型, 该地基模型认为地基表面任一点的土压力p与该点的竖向位移ω成正比。即可表示为[12]
2.1 车辆行驶的阻力
便携车辙式路面器材属于柔性路面器材, 当轮胎作用在路面器材上时, 可将路面器材简化为一维线型结构进行分析, 通行示意图如图2所示。
轮胎在松软路面上行驶时, 压实土壤所产生的阻力与轮胎作用处路面器材的沉陷有关, 行驶阻力Ff所消耗的功就等于路面器材沉陷压实土壤所做的功。可用方程式 (3) 表达。
式 (3) 中, L为行驶距离, U为压实土壤所做的功。
图2 路面器材通行示意图Fig.2 Passing schematic diagram of pavement equipment 下载原图
假设轮胎刚刚驶入松软路面区域, 产生z0的最大沉陷量如图2中虚线所示, 路面在长度L0的范围内产生沉陷, 可以计算压实土壤做功为
当车轮行驶L的距离, 到达如图2所示的实线位置, 此时路面在长度L0+L的范围内产生沉陷, 则压实土壤做功为
所以轮胎由图2所示的虚线位置行驶L的距离到达实线位置, 由于路面器材沉陷压实土壤所做的功为
所以
式 (7) 中, k为地基反应模量;B为路面器材宽度;z0为路面器材最大沉降量。
2.2 车辆行驶的推力
当车辆在铺设路面器材的松软路面上行驶时, 行驶推进力主要由轮胎与路面器材之间的附着力来提供, 可以通过附着力的计算来确定轮胎的行驶推进力。
当轮胎行驶在铺设路面器材的松软路面上时, 对轮胎进行受力分析, 如图3所示, 轮胎主要受车轴的竖向荷载W, 驱动转矩M, 路面器材的法向支撑力Q和切向附着力Fμ, 轮胎半径为R。轮胎与路面器材之间的附着力为
式 (8) 中, μ为轮胎与路面器材的附着系数。
由图3中所示几何关系可知轮胎行驶的推进力为
图3 轮胎受力分析图Fig.3 Force analytical graph of tire 下载原图
路面器材的支撑力由土体提供, 所以
所以
将式 (11) 和式 (7) 代入式 (1) 中得到挂钩牵引力的最终表达式
轮胎在竖直方向受力平衡可得
结合以上各式可得
由图3可知, 角度θ0和最大沉降量z0成正相关, 即角度θ0随着最大沉降量z0的增大而增大。通过对式 (14) 分析可得, 附着系数μ和最大沉降量z0是影响挂钩牵引力大小 (即车辆通过性) 的两个主要因素。在附着条件一定时, 轮胎的最大沉降量z0越大, 车辆挂钩牵引力越小 (即车辆通过性能越差) , 反之, 则车辆挂钩牵引力越大 (即车辆通过性能越好) 。
3 路面器材通过性影响因素分析
3.1 车型的选择
本文选用的车辆为sx2300 8×8越野车, 该车型是目前普遍使用的重型卡车, 确定该种车型作为路面器材的车辆荷载, 进行仿真研究具有实际意义, 具体参数见表2[1]。
3.2 路面基体的等效
便携车辙式路面器材是聚酯纤维网和加强杆的组合体, 结构形式较为复杂, 采用现有的单元模型进行处理较为困难, 因此在分析时将路面器材基体等效为正交各向异性的薄膜结构, 方便有限元模型的建立和分析。
3.2.1 等效膜厚的确定
将路面基体看作薄膜结构, 薄膜的厚度可根据等体积法进行计算, 即保证计算前和计算后聚酯纤维丝的体积一致, 可按式 (15) 进行计算。
式 (15) 中:h为等效膜厚;dx为经向纤维丝直径;mx为经向纤维丝编织密度;dy为纬向纤维丝直径;my为纬向纤维丝编织密度。
3.2.2 等效弹性模量的确定[6]
薄膜结构的等效弹性模量可按照等应变法进行计算。即在相同的拉力作用下, 等效前和等效后路面具有相同的拉伸长度, 可按式 (16) 进行计算。
式 (16) 中, E0为聚酯纤维网的有效弹性模量;A0为聚酯纤维网的有效横截面面积;E为等效后薄膜结构的弹性模量;A为等效后薄膜结构的横截面面积。
在相同的拉力F作用下, 计算所得的应变值ε应一致。
等效后具体参数见表3。
3.3 有限元模型的建立
在Ansys建模中, 基体采用SHELL99单元具体材料的参数见表3, 中间加强杆采用BEAM188单元, 加强杆弹性模量为30 GPa, 温克勒地基简化模型选用COMBIN14单元[12], 地基类型选为淤泥质土, 地基反应模量k=0.5×104k N/m3[14], 地基深度为600 mm。按照轮胎实际尺寸构建轮胎刚体模型, 轮胎与路面器材之间建立接触对。根据图2路面器材通过性示意图, 可认为在静载沉陷时轮胎荷载主要由轮胎行驶前方的路面承担, 因此可将轮胎的最低点置于路面器材的一端, 只考虑轮胎的前半部分对路面器材的作用。轮胎-路面器材-地基整体有限元模型如图4所示。
图4 有限元模型示意图Fig.4 Schematic diagram of finite element model 下载原图
仿真分析时, 车辆的荷载参数见表2, 荷载取单胎荷载:W=4 250×9.8=41 650 N。
3.4 路面器材的沉降量
经过非线性有限元分析, 得到整体模型的变形和路面器材的位移情况如图5、图6所示。
图5 整体模型变形图/mm Fig.5 Deformation map of whole model 下载原图
图6 路面器材位移图/mm Fig.6 Displacement map of pavement equipment 下载原图
由有限元计算结果可知, 路面器材的最大沉降量为z0=213.039 mm, 与轮胎接触的加强杆根数为5根, 轮胎接地长度近似取s=510 mm。根据几何关系可得
实验测得路面器材附着系数在0.2左右, 取μ=0.2。已知参数见表4。
将上述参数带入公式 (12) 可得
根据计算结果可知, 挂钩牵引力大于零, 轮胎沿前进方向的合力大于零, 车辆在路面器材上可以通过。
3.5 路面器材的应力及强度
路面基体的最大Mises应力为σj1=250.216MPa, 加强杆的最大Mises应力为σj2=78.992MPa。参照《复合材料手册》[13], 路面基体的拉伸强度为[σj1]=400 MPa, 加强杆的弯曲强度为[σj2]=763 MPa。计算所得的σj1=250.216 MPa<[σj1]=400 MPa;σj2=78.992 MPa<[σj2]=763MPa。所以路面器材满足强度要求。
3.6 地基条件的影响
由式 (12) 分析可知路面器材的沉降量和轮胎与路面的附着系数是影响通过性的主要因素, 在附着系数一定的条件下, 可通过路面器材的竖向沉降即行驶车辙的深度来反映其通过性。为提高计算效率和计算精度, 简化计算模型, 路面器材与地基模型同前, 根据军用道路工程技术标准[14]荷载选用汽-20级轮胎荷载, 见表5。
轮胎作用在地面上的平均压力[11]为
式 (17) 中, W为轮胎承载质量;g为重力加速度;s为轮胎接地面积。
所以
对路面器材进行分析时, 主要分析上述荷载条件下的沉降和受力, 通过比较在同等荷载条件下路面器材的沉降和受力, 定量的分析各参数对路面器材通过性的影响, 为路面器材进一步优化升级提供理论依据。
分别选取地基反应模量为0.1×104、0.25×104、0.5×104、0.75×104、1.0×104、1.5×104、2.0×104k N/m3, 对于不同的地基反应模量, 路面器材的最大沉降, 基体和加强杆的最大应力曲线如图7所示。
图7 地基模量对最大沉降和应力的影响曲线Fig.7 Influence curves of foundation modulus to maximum settlement and stress 下载原图
3.7 基体编织密度的影响
调整路面基体经向和纬向聚酯纤维丝的编织密度, 调整后的编织密度和等效参数见表6。
取地基反应模量为0.1×104k N/m3, 荷载与3.6节一致。对于不同的聚酯纤维丝编织, 路面器材的最大沉降, 基体和加强杆的最大应力曲线如图8所示。
图8 编织密度对最大沉降和应力的影响曲线Fig.8 Influence curves of braided density to maximum settlement and stress 下载原图
3.8 加强杆间距的影响
分别选取加强杆间距为60 mm、80 mm、100 mm、120 mm、140 mm, 取地基反应模量为0.1×104k N/m3, 等效膜厚为1.4 mm, 荷载与3.6节一致。对于不同的加强杆间距, 路面器材的最大沉降, 基体和加强杆的最大应力曲线如图9所示。
图9 加强杆间距对最大沉降和应力的影响曲线Fig.9 Influence curves of spacing of the pole to maximum settlement and stress 下载原图
4 结论
(1) 在附着条件一定时, 轮胎的最大沉降量是影响车辆通过性的重要因素。轮胎的最大沉降量z0越大, 车辆挂钩牵引力越小 (即车辆通过性能越差) , 反之, 则车辆挂钩牵引力越大 (即车辆通过性能越好) ;
(2) 路面器材方案能保证所选车型在淤泥质土上顺利通行;
(3) 地基土越密实, 地基反应模量越大, 路面器材的通过性越好, 路面器材越安全, 反之则通过性变差;
(4) 基体编织密度对提高车辆通过性影响不大, 但是可以有效降低基体和加强杆上的应力水平, 因此可以通过增加编织密度来提高路面器材强度;
(5) 随着加强杆间距的增大, 路面器材的最大沉降量逐渐增大, 但总体影响不大;同时路面基体和加强杆的最大应力逐渐增大。因此在保证路面器材重量限制的前提下, 可尽量减小加强杆的穿插间距, 以提高路面器材的性能。
(6) 在研究中未考虑轮胎的滑转对通过性产生的影响, 同时地基土的力学特性十分复杂, 所选地基模型很难与实际完全一致, 因此计算结果与实际情况可能存在差异, 有待在试验中验证。
