路面车辙的计算

时间：2024-11-06 百科知识版权反馈

【摘要】：采用ABAQUS/CAE打开pavement－rutting.cae文件。并在ABAQUS/CAE窗口顶部的环境栏中选择特性模块。按照相似的步骤，完成沥青层Sup20、Sup25的定义；对于BASE、SUBBASE、SUBGRADE只需定义常温下材料的杨氏模量和泊松比即可，不需要定义随温度的变化值。

8.2.2　路面车辙的计算

1）特性（Property）模块

采用ABAQUS/CAE打开pavement－rutting.cae文件。并在ABAQUS/CAE窗口顶部的环境栏中选择特性（Property）模块。

点击左侧工具区（Material Manager）按钮按钮右侧），弹出Material Manager对话框。选择SMA，点击按钮，弹出Edit Material对话框。选中Material Behaviors下的Conductivity，点击按钮以删除该材料行为，同理删除Density和Specific Heat材料行为。

依次点击［Mechanical］→［Elasticity］→［Elastic］，选择Use temperature－dependent data前的复选框，分别在Young’s Modulus、Poisson’s Ratio、Temp下的空格中输入8.7E8、0.25、20；同理，输入其他温度下的弹性参数（图8.10a）。再依次点击［Mechanical］→［Plasticity］→［Creep］，选择Use temperature－dependent data前的复选框，分别在Power Law Multiplier、Eq Stress Order、Timer Order、Temp下的空格中输入6.54E－11、0.937、－0.592、20；同理，输入其他温度下的蠕变参数（图8.10b）；点击按钮，完成材料SMA的创建。

图8.10　SMA的弹性参数和蠕变参数

按照相似的步骤，完成沥青层Sup20、Sup25的定义；对于BASE、SUBBASE、SUBGRADE只需定义常温下材料的杨氏模量和泊松比即可，不需要定义随温度的变化值。

2）装配（Assembly）模块

在ABAQUS/CAE窗口顶部的环境栏中选择装配（Assembly）模块。

（1）定义边界集合

依次点击菜单［Tools］→［Set］→［Create］，在弹出的Create Set对话框中Name后输入leftright，点击按钮，在视图区中同时选择模型左右边界（线段），点击提示区中按钮完成集合left right的定义。

同理，完成模型下边界集合bottom的定义。

（2）定义载荷面集合

依次点击菜单［Tools］→［Surface］→［Create］，在弹出的Create Surface对话框中Name后输入loadface，点击按钮，在视图区中选择路面表面车轮载荷作用的区域（图8.11中的两条线段PQ、RS），点击提示区中按钮完成面集合loadface的定义。

图8.11　面集合loadface的定义

3）分析步（Step）模块

在ABAQUS/CAE窗口顶部的环境栏中选择分析步（Step）模块，以设置分析步。

（1）创建分析步

点击左侧工具区（Step Manager）按钮按钮右侧），弹出Step Manager对话框，同时选中steady heat transfer和transient heat transfer，点击按钮；点击按钮，将Name设为step－0，点击按钮；弹出Edit Step对话框，将Time period设为1E－010；点击按钮。

同样，在Step Manager对话框中，点击按钮，将Name设为step－1h，并将Procedure type设为Visco（图8.12a），点击按钮；弹出Edit Step对话框（图8.12b），将Description设为Visco，将Time period设为44.35，将Nlgeom设为On；点击Incrementation选项卡，在Creep/swelling/viscoelastic strain error tolerance后输入0.0005，点击按钮。

按照类似的步骤，创建分析步step－2h、step－3h、…、step－24h。

提示：上述分析步“step－2h、step－3h、…、step－24h”也可直接在＊.inp文件中直接创建，这样更便捷，创建方法见后文。

图8.12　分析步Step－1h的创建

提示：在定义上述分析步时，核心是要弄清楚该分析步的时长（Time period，s），即在该分析步中载荷的累积作用时间。计算公式如下：

式中　t——轮载累积作用时间，s；

　　　N——轮载作用次数，次；

　　　P——车辆轴重，kN；

　　　n_w——轴的轮数，个；

　　　p——轮胎接地压力，MPa；

　　　B——轮胎接地宽度，cm；

　　　v——行车速度，km/h。

根据上述计算公式，可得轴载一次作用时间为0.008 64s，50万次轴载作用后的累积作用时间为4 320s，如表8.7所示：

表8.7　车辙计算模型载荷参数

对于上述累积作用时间，可按1天24h内不同时段的交通量分布情况，近似获得1天内每个小时的分段累积作用时间如表8.8所示：

表8.8　1天24h内不同时段轴载的累积作用次数

（2）定义场变量输出

点击左侧工具区（Field Output Manager）按钮按钮右侧），弹出Field Output Requests Manager对话框。点击按钮，弹出Edit Field Output Request对话框。将Output Variable设为S，E，EE，IE，U，点击按钮。

提示：此步骤的主要目的是减小输出需求，从而降低运行时间和磁盘空间占用。在Edit Field Output Request对话框中，Output Variable默认值为

CDISP，CE，CEEQ，CEMAG，CF，CSTRESS，LE，PE，PEEQ，PEMAG，PS，RF，S，U，VE，VEEQ，VS

在Field Output Requests Manager对话框中，点击按钮，弹出Create Field对话框，在Step后的下拉框中选择Step－1h，点击按钮，弹出Edit Field Output Request对话框。在Domain后的下拉框中选择Set，在其后的下拉框中选择asphalt，将Output Variable设为S，E，EE，IE，CE，CEEQ，U，点击按钮。

点击左侧工具区（History Output Manager）按钮按钮右侧），弹出History Output Requests Manager对话框。点击按钮，点击按钮。

4）Load（载荷）模块

在ABAQUS/CAE窗口顶部的环境栏中选择载荷（Load）模块。

（1）加载

点击左侧工具区（Create Load）按钮，弹出Create Load对话框，将Name设为surfload，将Step设为step－0，将Types for Selected Step设为Pressure，点击按钮；点击提示区右侧的按钮，弹出Region Selection对话框，选择loadface，点击按钮；弹出Edit Load对话框，在Magnitude后输入700000，点击按钮。

（2）创建边界条件

点击左侧工具区（Create Boundary Condition）按钮，弹出Create Boundary Condition对话框，将Types for Selected Step设为Displacement/Rotation，点击按钮；弹出Region Selection对话框，选择leftright，点击按钮，弹出Edit Boundary Condition对话框，选择U1前的复选框，点击按钮。

同理，完成模型下边界的定义。与上述不同的是，在Region Selection对话框中，应选择bottom，而在Edit Boundary Condition对话框中，应选择U1和U2前的复选框。

5）网格（Mesh）模块

在ABAQUS/CAE窗口顶部的环境栏中选择网格（Mesh）模块，并将环境栏上Object设为Part，即可为模型划分网格。

点击左侧工具区（Assign Element Type）按钮，在视图区中选中整个模型，点击提示区按钮，弹出Element Type对话框。将Family设为Plane Strain，此时对话框中显示单元为CPE8R（8结点平面应变四边形减缩积分单元），点击按钮，完成单元的定义。

6）作业（Job）模块

在ABAQUS/CAE窗口顶部的环境栏中选择作业（Job）模块，以修改并提交作业。

点击左侧工具区（Job Manager）按钮，弹出Job Manager对话框。点击按钮，弹出Rename Job对话框，在Name后输入pavement－rutting，点击按钮；点击按钮，弹出Edit Job对话框，点击General选项卡，删除User subroutine file下的pavement－temperature.for，点击按钮；点击对话框右上角的按钮，弹出一个警告窗口（没有进行历史数据的输出），点击按钮，ABAQUS将在当前工作目录生成名为pavement－rutting.inp的文件。

7）编辑inp文件

采用任何一种文本处理软件打开生成的pavement‐rutting.inp。在该文件的后部可看到如下部分内容：

……

＊＊－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－

＊＊

＊＊STEP：Step－0

＊＊

＊Step，name＝Step－0

＊Static

1e－10，1e－10，1e－15，1e－10

＊＊

＊＊LOADS

＊＊

＊＊Name：surfload Type：Pressure

＊Dsload

loadface，P，700000.

＊＊

＊＊OUTPUT REQUESTS

＊＊

...（输出需求省略）

＊End Step

＊＊－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－

＊＊

＊＊STEP：Step－1h

＊＊

＊Step，name＝Step－1h，nlgeom＝YES，inc＝10000

Visco

＊Visco，cetol＝0.0005

44.35，44.35，0.0004435，44.35

＊＊

＊＊OUTPUT REQUESTS

＊＊

...（输出需求省略）

＊End Step

＊＊－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－

＊＊

＊＊STEP：Step－2h

＊＊

＊Step，name＝Step－2h，nlgeom＝YES

＊Visco，cetol＝0.0005

35.48，35.48，0.0003548，35.48

＊＊

＊＊PREDEFINED FIELDS

＊＊

＊＊Name：Predefined Field－1 Type：Temperature

＊Temperature，file＝pavement－temperature.odb，bstep＝2，binc＝4，estep＝2，einc＝4

＊＊

＊＊OUTPUT REQUESTS

＊＊

...（输出需求省略）

＊End Step

……

为了计算沥青路面的车辙，需要在每个分析步中引入前述计算得到的温度场数据。

（1）初始温度场

在第一个计算分析步（Step－0）之前，需要引入初始温度场，即：

＊＊

＊＊PREDEFINED FIELDS

＊＊

＊＊Name：Predefined Field－1 Type：Temperature

＊Initial Conditions，type＝TEMPERATURE，file＝pavement－temperature.odb，step＝2，inc＝2

（2）车辙计算分析步温度场

车辙计算分析步，即Step－1h、Step－2h、…、Step－24h，均需引入温度场数据，如在分析步Step－1h中需要引入如下的温度场：

＊＊－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－

＊＊

＊＊STEP：Step－1h

＊＊

＊Step，name＝Step－1h，nlgeom＝YES，inc＝10000

Visco

＊Visco，cetol＝0.0005

44.35，44.35，0.0004435，44.35

＊＊

...（输出需求省略）

＊End Step

＊＊－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－

在分析步Step－2h中需要引入如下的温度场：

＊＊－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－

＊＊

＊＊STEP：Step－2h

＊＊

＊Step，name＝Step－2h，nlgeom＝YES

＊Visco，cetol＝0.0005

35.48，35.48，0.0003548，35.48

＊＊

...（输出需求省略）

＊End Step

＊＊－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－

其他分析步中温度场的引入过程，与上述类似。保存文件。

提示：上述温度场引入的方法是车辙计算的关键步骤。应重点掌握。

提示：也可采用ABAQUS/CAE进行温度场的引入（在Load模块中），步骤如下：

点击左侧工具区（Field Manager）（按钮右侧），弹出Field Manager对话框。点击按钮，弹出Create Field对话框，在Name后输入Field－ini，将Step设为Initial，将Category设为Other，将Types for Selected Step设为Temperature，点击按钮；点击提示区按钮，弹出Region Selection对话框，选择asphalt，点击按钮，弹出Edit Field对话框，在Distribution后的下拉框中选择From results or output database file，在File name后输入pavement－temperature.odb，点击按钮，在Step后输入2，在Increment后输入2，点击按钮。ABAQUS/CAE返回到Field Manager对话框。