一种用于道路动态弯沉盆计算的有限元模型尺寸优化方法

1.本发明涉及一种用于道路动态弯沉盆计算的有限元模型尺寸优化方法,属于道路工 程领域。


背景技术：

2.对于路面结构，纵向长度近似无穷大，横向由数条车道组成，宽度可达到数十米。 在有限元模拟中，按照道路结构的实际长宽尺寸建模是不可能的，模型的纵向和横向尺 寸必须受到限制。有限元模型尺寸大小对模拟弯沉结果有很大影响。如果模型尺寸太小， 边界条件会显着影响模拟挠度结果。然而，更大的模型尺寸意味着更长的模拟时间。为 了达到仿真精度和效率的平衡，需要确定有限元模型尺寸最佳尺寸。
3.当前的弯沉盆有限元建模方法多针对传统的落锤式弯沉仪(fwd)进行，所加荷载 为定点处的动荷载。在对于高速弯沉仪连续移动加载下的路面弯沉进行有限元模拟时， 缺乏行之有效的有限元模型尺寸优化方法，道路有限元模型的尺寸选取往往具有一定的 随意性，且弯沉盆与弯沉时域曲线之间的相关性在模型尺寸优化中未有应用。


技术实现要素：

4.发明目的：针对上述技术问题，本发明提出一种用于道路动态弯沉盆计算的有限元 模型尺寸优化方法，为道路动态弯沉盆模拟所用的有限元模型尺寸优化提供标准化的方 法。
5.为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种用于道路动态弯沉盆计算的有限元模型尺寸优化方法，包括以下步骤：
7.s1：构建用于道路动态弯沉盆计算的有限元模型mi；
8.s11：最初构建的用于道路动态弯沉盆计算的有限元模型记作m1,后续构建的模型依 次记作m2,m3,
……
；
9.所构建的各模型mi(i＝1,2,3
……
)均满足以下要求：道路模型从上到下分为多层， 各层道路模型选择弹性材料或粘弹性材料，并设置各层道路模型的密度、泊松比与阻尼 比；
10.s12：在建模时，弹性材料设置模量，粘弹性材料设置prony级数表征其模量特性， 各层位之间的粘结状态设为完全粘结或存在一定的滑动，当各层位之间的粘结状态设置 为存在一定的滑动时，用摩擦系数表征；
11.s13：建模时，车辆荷载施加于有限元模型的上表面，荷载区域设置为矩形；
12.s14：在模拟时，矩形荷载区域以指定的速度沿有限元模型上表面的纵向对称轴直 线前进，前进过程中矩形荷载区域关于有限元模型上表面的纵向对称轴始终保持左右对 称状态；有限元模型的各侧面与底面均设置完全约束状态，有限元模型上表面不设置约 束条件，道路有限元模型的各层厚度根据实际设置；
13.s2：模拟获取第i动态弯沉盆di(x)和第i弯沉时域曲线di′
(t)；
应等于将作为自变量代入第i弯沉时域曲线di′
(t)后所得的值。在有限元 模拟中，由于模型边界条件、网格划分等因素的影响，di(x)和之间会出现差 异，二者差异越大，意味着模拟结果的准确性越差。因此，对于一个合适的有限元模型， di(x)和应该非常接近。由公式(1)定义d-d
′
i,diff
指标，表征di(x)和之间的差异。
[0063][0064]
步骤s4的细节如下：将步骤s1中所建道路有限元模型mi的长宽尺寸保持各放大为 原来的1.2倍，保持模型各层厚度不变，将放大后的模型记作m
i+1
。荷载设置保持不变， 根据步骤s2中的方法，基于m
i+1
模型，计算动态弯沉盆d
i+i
(x)和弯沉时域曲线d
i+1
′
(t)。
[0065]
步骤s5中所述的弯沉盆差值d
i,i+1,diff
与弯沉时域曲线差值d
′
i,i+1,diff
的计算方法如 下所示：式(2)为弯沉盆差值d
i,i+1,diff
的计算方法，式(3)为弯沉时域曲线差值d
′
i,i+1,diff
的计算方法。
[0066]di,i+1,diff
值越小，说明基于mi模型模拟所得的动态弯沉盆di(x)与基于m
i+1
模型模 拟所得的动态弯沉盆d
i+1
(x)之间的差异越小。
[0067]d′
i,i+1,diff
值越小，说明基于mi模型模拟所得的弯沉时域曲线di′
(t)与基于m
i+1
模型 模拟所得的弯沉时域曲线d
i+1
′
(t)之间的差异越小。
[0068][0069][0070]
实施例：
[0071]
以下为本发明的部分代表性实施例。
[0072]
实施例1：
[0073]
所构建的用于道路动态弯沉盆计算的有限元模型的尺寸见表1所示，模型从上到下 分为沥青混合料面层、水泥稳定碎石基层、土路基三层，沥青混合料面层设置为粘弹性， 水泥稳定碎石基层与土路基层设置为弹性，各层道路模型间粘结状态设置为完全粘结。
[0074]
模型名称m1m2m3m4m5长度(m)7.008.4010.0812.1014.52宽度(m)3.003.604.325.186.22
[0075]
表1
[0076]
各层道路模型厚度与材料参数设置见表2所示。荷载区域设置为矩形，长180mm， 宽150mm。所施加的荷载中垂直荷载为707kpa，水平纵向荷载为200kpa，水平横向荷 载为170kpa。
[0077][0078]
沥青混合料面层以prony级数表征的粘弹性模量
[0079]
k12345678∞ρ
k2×
10-62×
10-52×
10-42×
10-32×
10-22×
10-1
220∞ek(mpa)4328.065791.827181.286264.25261.672487.681016298.19101.49
[0080]
表2
[0081]
不同尺寸道路有限元模型所对应的弯沉盆与时域曲线差值d-d
′
i，diff
值，弯沉盆差 值d
i，i+1，diff
值与弯沉时域曲线差值d
′
i，i+1，diff
值见表3所示。
[0082]
d-d
′
1，diff
d-d
′
2，diff
d-d
′
3，diff
d-d
′
4，diff
8.62％6.84％5.23％4.66％d
1，2，diffd2，3，diffd3，4，diffd4，5，diff
15.62％10.94％7.65％4.21％d
′
1，2，diffd′
2，3，diffd′
3，4，diffd′
4，5，diff
14.62％10.75％7.37％4.97％
[0083]
表3
[0084]
对于模型m4，所对应的模型m4弯沉盆与时域曲线差值d-d
′
4，diff
，模型 m4弯沉盆差值d
4，5，diff
值与模型m4弯沉时域曲线差值d
′
4，5，diff
值均小于5％，满足式(4) 的要求。因此，本实施例中选取模型m4作为优选尺寸的道路有限元模型。