ANSYS在混凝土基层沥青路面结构计算中的应用.ppt

ANSYS在混凝土基层沥青路面结 构计算中的应用 1 有限元法和 ANSYS简介 2 混凝土基层沥青路面的应力分析 3 路面结构的建模和计算 3.1 几何模型和计算参数 3.2 具体计算步骤 3.3 荷载应力分析 3.4 温度应力分析 3.5 耦合应力分析 4 结论 1 有限元法和 ANSYS简介 ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场和耦合场分析于一体 的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一 的美国 ANSYS公司开发，是美国机械工程师协会、美国核安全局及近 20种专业技术协会认证的标准分析软件。 ANSYS 软件主要包括三个部分 :前处理模块 ,分析计算模块和后处理模块。 前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具可以方便地构造 有限元模型。在加载求解过程中，包括位移、力、温度在内的任何荷载 均可以直接施加在任意几何实体或者有限元实体上，载荷可以是具体数 值，也可以是与时间或者坐标有关的任意函数。后处理模块可将计算结 果以彩色等值线显示、梯度显示、立体切片显示等图形方式显示出来 ,也 可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了 100 种以上的 单元类型 ,用来模拟工程中的各种结构和材料。 ANSYS 不仅具有结构静 力分析、结构动力学分析、结构非线性分析、动力学分析、热分析等， 而且还具有优化设计、建立子结构模型等高级应用功能。 2 混凝土基层沥青路面的应力分析 混凝土基层沥青路面以普通水泥混凝土基层和贫混凝土基层作为路面基 层，上面加铺沥青混凝土面层，这种路面结构可弥补柔性路面和水泥混 凝土路面的不足，大大改善路面的使用性能，延长路面的使用寿命。沥 青面层为表面功能层，主要是提高路面表面的平整度、耐磨和抗滑性能， 并扩散车轮荷载，减少冲击振动，防止反射裂缝的产生和发展。基层是 车辆荷载和温度应力的主要承载层。 在行车荷载和温度变化的反复作用下，混凝土基层内会产生荷载疲劳应 力和温度疲劳应力。当行车荷载和温度变化产生的荷载疲劳应力和温度 疲劳应力之和超过混凝土基层的弯拉强度时，基层板将发生断裂，继而 整个路面结构破坏。因此，应计算混凝土基层的荷载疲劳应力和温度疲 劳应力，且两者之和不应超过混凝土的设计弯拉强度，以控制因基层板 断裂而造成的结构破坏。 路面结构不但受到行车荷载的反复作用，而且在自然环境下受到太阳辐 射、气温等因素不断变化的影响。因此路面结构内的温度是随着气温日 变化、年变化而变化。当温度变化时，混凝土基层在温度作用下产生的 应力可分为：由于基层顶与基层底温度不一致而产生的翘曲应力；由于 温度均匀上升或下降引起基层的热胀冷缩而在基层内产生的胀缩应力。 胀缩应力对温度应力的影响不大，且可在接缝设计时考虑，本文主要考 虑温度翘曲应力。 3 路面结构的建模和计算 3.1 几何模型和计算参数 混凝土基层沥青路面结构可视为由沥青面层、混凝土基层及地基组成的 弹性层状体系。 沥青加铺层、混凝土基层和地基础结构层采用 8节点实体单元。上下层 间的接触状况为，混凝土基层与地基之间假设为绝对光滑，与沥青加铺 层之间假设为完全连续。 模型的边界条件为：（ 1）地基为弹性半空间体，根据收敛性分析，取 为有限尺寸。基层为有限尺寸；（ 2）地基的底面为自由度完全约束的 固定面，基层和地基的其它面均为自由悬空面。 收敛性分析时采用标准轴载 BZZ-100，轮胎内压 0.7MPa，单个轮压作用 范围 18.9cm 18.9cm，接触面积 357.21cm2，双轮间距 32cm，两侧轮 隙间距 182cm（图 1）。 荷载作用位置为临界荷位，即纵向边缘中部，轮载作用如图 2所示。 图 1 车轮布载平面图（单位： cm） 图 2 临界荷位处轮载作用示意图 车轮布载平面图（单位：c m） 105 0 X Y 18 2 100 0 45 0 车轮荷载作用示意图 沥青面层 混凝土板 地基 A q 计算参数范围的确定： 对混凝土基层沥青路面进行有限元分析，先要确定计算参数的大小和范围。主要 计算参数如表 1所示。 表 1 主要计算参数 结构层 厚度 （ cm） 弹性模量 （ MPa） 泊松比 导热系数 （ w/m ） 线膨胀系数 （ 1/ ） 沥青混凝土 面层 5 23 6002200 0.25 1.2 2.1 10-5 混凝土基层 12 30 850035500 0.15 1.5 1.0 10-5 地基 50950 0.30 1.0 0.5 10-5 通过收敛性分析，结合实际应用情况，确定混凝土板块尺寸为 10.0m 4.5m。此外，已有研究表明，当地基尺寸比混凝土板长宽方向 均扩大 3m，深度取为 9m时，混凝土板底的荷载应力早已收敛，因此地 基的尺寸取为 16 10.5 9m。 通过上述分析，最终确定混凝土基层沥青路面进行有限元分析计算的模 型如图 3所示。与之对应的路面整体有限元网格划分如图 4所示。 图 3 结构计算模型（单位： cm） 结构计算模型（单位：cm） 1000 Y 900 1600 X Z 450 图 4 路面结构有限元网格划分图 表 2列举了沥青层厚度 ha为 0 20cm,基层厚度 hc为 22cm时，各自然区划内最 大温度梯度变化范围。 表 2 不同自然区划最大温度梯度推荐值 ( /cm) ha (cm ) 自然区划 0 0.88 0.94 0.95 1.00 0.93 0.98 0.90 0.96 0.92 0.97 0.98 1.04 4 0.62 0.66 0.65 0.71 0.64 0.70 0.63 0.68 0.64 0.69 0.69 0.74 8 0.43 0.46 0.48 0.51 0.46 0.50 0.44 0.47 0.45 0.49 0.50 0.53 12 0.30 0.32 0.32 0.34 0.31 0.33 0.30 0.32 0.30 0.33 0.33 0.35 16 0.30 0.31 0.32 0.33 0.31 0.32 0.30 0.31 0.30 0.31 0.33 0.34 20 0.3 0.32 0.31 0.3 0.3 0.33 当基层厚度变化时，可按表 3进行修正。 表 3 不同基层厚度最大温度梯度修正系数 在进行热与结构的耦合分析中 ,主要考虑温度相对稳定时的翘曲应力 ,将 各层接触面温度作为约束条件 ,不考虑空气的对流和路面的辐射 ,通过计 算可求得各节点的温度分布 ,另外也可以输入辐射量、对流系数等参数 直接求出温度分布 ,但需考虑一天中温度近似于正弦分布 ,较复杂 ,可操 作性不强。 ANSYS 软件中对于热应力分析问题推荐采用顺序耦合分 析 ,先进行热分析计算 ,将热分析所得的节点温度施加到结构单元的节点 上 ,再求解温度应力 ,施加汽车荷载后可单独求汽车荷载应力或汽车和温 度共同作用下产生的应力。为便于与规范计算值对照 ,先用 ANSYS 分 别求出温度应力、荷载应力 ,再探讨温度场和行车荷载对路面所形成的 复合应力。 基层厚度 （ cm） 16 18 20 22 24 26 28 30 修正系数 1.24 1.15 1.08 1 0.93 0.87 0.81 0.76 材料的几种强度理论 （ 1）最大拉应力理论 这一理论认为最大拉应力是引起材料脆性断裂破坏的主要因素。即不论 材料处于什么应力状态，只要最大拉应力达到了材料在简单拉伸破坏时 的极限应力，就会发生脆性断裂破坏。 （ 2）最大剪应力理论 这一理论认为最大剪应力是引起材料塑性屈服破坏的主要因素。即不论 材料处于什么应力状态，只要危险点最大剪应力达到了材料在简单拉伸 屈服时的极限剪应力，就会发生屈服破坏。 （ 3）形状改变比能理论 这一理论认为形状改变比能是引起材料塑性屈服破坏的主要因素。即不 论材料处于什么应力状态，只要危险点处形状改变比能达到简单拉伸屈 服时的形状改变比能，材料就会发生屈服破坏。 3.2 具体计算步骤 3.2.1 热分析 1) 首先选定单元类型 ,本分析建立的是三维模型 ,热单元选用 Thermal solid70 。 2) 在材料参数设置时 ,将材料的回弹模量、泊松比及导热系数输入。 3) 建立三维模型。对于层间光滑接触状态， 引入正交各向异性单元 模拟。选取正交各向异性接触单元的参数如表 4所示。对于层间完全 连续 ,用体与体的粘结 (glue)。 表 4 正交各向异性单元的参数取值 说明：正交各向异性单元的厚度取为 0.1cm 参 数 取 值 弹性模量（ MPa） 泊松比 剪切模量（ MPa） Ex Ey Ez xy yz xz Gxy Gyz Gxz 0.0001 0.0001 100000 0 0 0 0.0001 0.0001 0.0001 对于层间光滑的情况，主要应考虑 E33取值尽可能大， G12尽可能小。但 为保证接触单元的本构关系矩阵为正定矩阵，上述参数的取值需满足根 据余应变能理论推导出的模型约束公式： 上述条件是理论分析后得出的应该满足的 x方向各参数间的相互关系， y 方向上参数间的关系可类似地导出。 2 11 1 2 1 3 33 2 33 13 11 2 2 23 3 3 3 3 3 1 2 3 1 1 2 3 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 3 1 1 ( 1 ) 11 ( 2 ) 22 , , 0 E E E E E E E E E E E E G 对接触的更好的模拟方法： 采用面面接触分析，用目标单元 Targe170 来模拟混凝土基层的上表面， 用 Conta173 来模拟沥青面层下表面。在摩擦类型中选用基本的库仑摩 擦模型，在这个模型中，两个接触面在开始相互滑动之前，在它们的界 面上会有达到某一大小的剪应力产生，这种状态称为粘合状态。库仑摩 擦模型定义了一个等效剪应力 ，在某一法向压应力 p 作用下剪应力达 到此值时表面开始滑动（ = p+COHE ，其中 是摩擦系数，而 COHE 是粘聚力）。根据已有的文献摩擦系数 采用 1.8，粘聚力 COHE 为 0.07Mpa。一旦剪应力超过此值后，两个表面之间将开始相互滑动。这 种状态，叫做滑动状态。粘合、滑动计算决定什么时候一个点从粘合状 态到滑动状态，或从滑动状态变到粘合状态。 4) 把材料属性施加到体上 , 然后划分网格。 5) 按温度梯度施加温度荷载。按正温度梯度设置 ,即板顶温度比板底温度 高 ,板边向下翘曲 ,板底面受拉应力。 6)进行稳态热分析求解，观察结果。 3.2.2 温度应力和荷载应力耦合分析 1) 将热单元转换为相应的结构单元。 2) 在材料特性中将热膨胀系数加入。 3) 读入热分析结果。 5) 施加约束 ,定义边界条件，模型中设置地基底面自由度完全约束。 6) 求解。 如果单独求汽车荷载产生的应力 ,可直接建立结构体单元施荷加约束求得。 如果要求温度和汽车的复合应力 ,可在 3.2.2计算中加入施加汽车荷载的步 骤。本模型中都采用线弹性材料 ,对于非线性材料 ,ANSYS 也有强大的求 解功能。 3.2.3 后处理 ANSYS 有两个后处理器 ,通用后处理器 (POST1) 和时间历程后处理器 (POST26)。对于静力学分析 ,可在 POST1中图象显示结果或列表显示结 果 ,对自己感兴趣的位置进行应力、位移分析。也可以指定特定的路径 ,对 路径上各点的应力、位移等指标的变换规律进行研究。 时间历程后处理器可用于研究指定点的分析结果与时间的函数关系。它 有强大的分析能力 ,可进行图形显示、列表显示、微分、响应谱生成等操 作。在动力学分析中 ,可通过定义变量 ,提取各结点、单元的位移、应力随 时间的变化关系。为了加快后处理的速度 ,可以用 ANSYS 的命令编制命 令流文件 ,通过选择、组合命令提取特定位置的结点或单元 ,将其随时间变 化的数值映射到数组中 ,另存为自己定制的文件中。 选取以下的参数对混凝土基层进行有限元计算： 面层厚度为 14cm，模量为 1800MPa，基层厚度为 21cm，模量为 25000MPa，地基模量为 600MPa。温度梯度为 0.3 /cm。 3. 3 荷载应力分析 基层横向受力图 基层底部沿纵向边缘受力图 3.4 温度应力分析 基层横向受力图 基层底部沿纵向边缘受力图 3. 5 耦合应力分析 基层横向受力图 基层底部沿纵向边缘受力图 4 结论 1) 利用大型有限元软件 ANSYS,通过层面温度约束可方便快捷地求出结 构层各节点的温度分布 ,通过其耦合功能 ,可求出最大温度应力及其位置。 在施加汽车荷载作用下 ,可单独求出最大汽车荷载应力或汽车和温度场的 复合应力。利用 ANSYS 的强大后处理功能 ,可观察一定横截面上的应力 分布图。进一步可分析面层厚度、基层厚度、基层模量、地基模量和温 度梯度等参数对应力的影响，并回归出荷载和温度应力的实用计算公式， 用于路面结构设计。 2) 利用本文所建模型求出的温度应力和荷载应力与规范计算值有一定的 出入 ,这主要是由网格划分、约束条件、参数选取、模型尺寸等因素造成 的 ,可以通过施加约束方程、调整边界条件、建立接触单元等办法使解更 接近真实值 (但需要更多的计算时间 )。对于缺乏道路计算专用软件且精 度要求不是很高的用户来讲 ,采用 ANSYS 软件不失为简单易行的分析办 法。 3） ANSYS具有强大的处理静态、动态问题的能力。可分析道路工程中 大多数的计算问题 ,如路面结构的静力动力计算问题、接 (裂 ) 缝问题、混 凝土材料的疲劳以及非线性等诸多问题。本文仅对混凝土基层沥青路面 在 ANSYS的实现作了初步的探讨 ,更多的问题需要进一步的深入研究。 参考文献 1 马庆雷 .基于刚性基层的耐久性沥青路面结构研究 .长安大学博士学位 论文， 2006 2 陈栓发，郑木莲，杨斌，王秉纲 .破裂水泥混凝土路面板沥青加铺层 温度应力影响因素 .交通运输工程学报，第 5卷，第 3期， 2005.9 3马庆雷，杨斌，周然，陈栓发 .水泥混凝土路面沥青加铺层温度应力分 析 .山东大学学报，第 35卷，第 2期， 2005.4 4 锁利军 .多孔混凝土基层沥青路面结构设计方法研究 .长安大学硕士学 位论文， 2005 5 何小高，卢先荣，徐海 .应用 ANSYS分析刚性路面的温度应力和荷载 应力 .公路与汽运，第 3期（总第 102期）， 2004.6 6 叶先磊，史亚杰 .ANSYS工程分析软件应用实例 .北京：清华大学出版 社， 2003 谢谢！