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基于车路耦合系统下的沥青路面结构行为仿真分析

1 研究背景及意义

研究目的：

建立车路耦合系统力学分析模型，从车路整体系统来研究沥青路面结构在行车荷载作用下

的力学行为响应，为路面结构各设计参数优化设计和路面材料设计提供理论指导。

基本概念解释：

车路耦合系统动力学研究的基本思想是：将车辆系统和道路系统视为一个相互影响、相互作用、相互耦合的整体大系统，将轮胎与路面相互作用关系作为连接两个子系统的纽带，

综合考虑车辆在阻尼道路结构上的动态运行行为、车轮与路面的动态相互作用特性和车辆

对路面结构的动力作用规律，在此基础上，系统研究路面结构在运动荷载下的力学响应情况。

轮胎对路面的作用关系是车路耦合系统的核心问题！

车辆系统和道路系统之间的动态反馈作用均由轮胎与路面作用关系的动态变化来实现，具体是通过轮胎与路面的振动变形进而引起轮胎与路面的接触变形及接触几何状态变化而

产生作用的。

两个关键问题：

（1）建立初步的车路耦合系统力学分析模型【研究平台和基本工具】

（2）沥青路面结构行为仿真分析的研究思路【分析目的、分析参数、分析内容】

研究出发点：

1 由于车辆自身的振动作用以及路面平整度的不规则变化，当车辆行驶时，车轮实际上会以一定的频率和振幅在路面上振动，而这种振动与路面平整度及行车参数有一定关系，而且反过来又会影响对路面施加的作用力，从而在道路和车辆之间产生耦合作用，也就是说，在车辆行驶过程中，车辆外加荷载与路面结构参数之间是相互影响和相互作用的。

2 室内研究所采用的静力加载模式和简单的动力加载模式与车辆行驶过程中对路面结构

的实际作用力之间的差异非常大，由行车荷载动力特性所造成的路面疲劳开裂现象难以用

静力学模式和简单的动力学模式去描述，归根到底是因为对车辆动荷载的模拟明显不能考

虑路面特征（结构及材料参数、平整度等）对行车的影响

3 公路领域对车路耦合系统下路面结构动力学问题的分析研究较少，行业内很少从车路整体系统的角度来考虑路面各个设计参数（路面结构形式、路面材料特性、路面平整度等表

面性状等）对车辆行驶特性的影响，以及路面结构在随机变化的行车荷载作用下的力学响

应特征

项目特点：

（1）比较新颖，比较复杂，动力学问题，对力学分析能力和数学计算能力要求较高；

（2）基础性强，可继续开发性强，建立车路耦合系统力学分析模型属于平台搭建，能够

进一步提升材料与结构一体化研究的层次，结合路面结构的动力学分析结构来指导材料设计的方向；

（3）涉及道路工程和车辆工程两个领域；

2 国内外研究现状及发展动态

众所周知，车辆系统和道路系统实际上是相互作用的，而我国现阶段的路面设计采用双轮组单轴载100kN作为标准轴载，并将其简化为单圆或者双圆均布荷载进行计算，这种设计方法显然没有考虑车辆对路面的动态作用，即使要考虑动态作用，也只限于在静力设计的基础上根据经验用冲击系数进行修正。目前，国内学者在车路耦合作用方面的研究相对较少，研究主要集中在车辆工程和道路工程各自领域内，其中，车辆工程方面的学者主要是

把路面不平整度作为一种随机激励来求解车辆在这种激励下产生的动态响应；道路工程方面的学者一般是先直接建立一种固定的车辆荷载模型（通常是将车辆荷载看成一种正弦波形式的荷载），然后研究路面结构在这种固定的荷载模型下的动力响应。上述两种方法都

没有将道路与车辆作为统一整体来考虑，没有考虑车路之间的耦合关系，对路面结构动力响应的分析计算不能真实反映实际情况。

国内研究现状：

目前，国内对车路耦合系统下的沥青路面结构动力学方面的研究还比较少，相关文献也不是很多，但从研究深度来看，这方面的研究已日益受到人们重视，必将成为路面结构动力

学研究的主要方向。现阶段相关研究主要集中在东南大学、哈尔滨工业大学、西南交通大

学和长安大学等院校。

1992年，钟阳、王哲人把汽车分别简化为两自由度和五自由度体系，考虑了不平整路面

上行驶的车辆对路面产生的随机动压力问题，初步分析了车辆荷载和行车速度的关系。

1993年，黄晓明从理论上分析了路面平整度与路面所受动荷载之间的关系，通过实例分

析了轮胎刚度、汽车速度及路面平整度对车辆冲击系数的影响。

1994年，许金余将飞机-道面-土基看做一个相互作用的动力系统，采用有限元方法求解

了弹性半空间地基上刚性面板的动力响应。

1996年，杨方庭分析了温克勒地基上的板受到运动的轴对称荷载时的动力响应，进一步

分析了车辆参数对动态响应的影响。

1996年，孙璐，邓学钧分析了路面在“运动的确定或随机荷载激励”下的路面响应问题，