1、ANSYS在混凝土基層瀝青路面結(jié)構(gòu)計算中的應(yīng)用,1 有限元法和ANSYS簡介 2 混凝土基層瀝青路面的應(yīng)力分析 3 路面結(jié)構(gòu)的建模和計算 3.1 幾何模型和計算參數(shù) 3.2 具體計算步驟 3.3 荷載應(yīng)力分析 3.4 溫度應(yīng)力分析 3.5 耦合應(yīng)力分析 4 結(jié)論,1 有限元法和ANSYS簡介 ANSYS 軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場和耦合場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國 ANSYS公司開發(fā)，是美國機械工程師協(xié)會、美國核安全局及近20種專業(yè)技術(shù)協(xié)會認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)分析軟件。 ANSYS 軟件主要包括三個部分:前處理模塊,分析計算模塊和后處理模塊。

2、前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具可以方便地構(gòu)造有限元模型。在加載求解過程中，包括位移、力、溫度在內(nèi)的任何荷載均可以直接施加在任意幾何實體或者有限元實體上，載荷可以是具體數(shù)值，也可以是與時間或者坐標(biāo)有關(guān)的任意函數(shù)。后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、立體切片顯示等圖形方式顯示出來,也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了100 種以上的單元類型,用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。ANSYS 不僅具有結(jié)構(gòu)靜力分析、結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)非線性分析、動力學(xué)分析、熱分析等，而且還具有優(yōu)化設(shè)計、建立子結(jié)構(gòu)模型等高級應(yīng)用功能。,2 混凝土基層瀝青路面的應(yīng)力分析 混凝土

3、基層瀝青路面以普通水泥混凝土基層和貧混凝土基層作為路面基層，上面加鋪瀝青混凝土面層，這種路面結(jié)構(gòu)可彌補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，延長路面的使用壽命。瀝青面層為表面功能層，主要是提高路面表面的平整度、耐磨和抗滑性能，并擴散車輪荷載，減少沖擊振動，防止反射裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展?；鶎邮擒囕v荷載和溫度應(yīng)力的主要承載層。 在行車荷載和溫度變化的反復(fù)作用下，混凝土基層內(nèi)會產(chǎn)生荷載疲勞應(yīng)力和溫度疲勞應(yīng)力。當(dāng)行車荷載和溫度變化產(chǎn)生的荷載疲勞應(yīng)力和溫度疲勞應(yīng)力之和超過混凝土基層的彎拉強度時，基層板將發(fā)生斷裂，繼而整個路面結(jié)構(gòu)破壞。因此，應(yīng)計算混凝土基層的荷載疲勞應(yīng)力和溫度疲勞應(yīng)力，且兩

4、者之和不應(yīng)超過混凝土的設(shè)計彎拉強度，以控制因基層板斷裂而造成的結(jié)構(gòu)破壞。 路面結(jié)構(gòu)不但受到行車荷載的反復(fù)作用，而且在自然環(huán)境下受到太陽輻射、氣溫等因素不斷變化的影響。因此路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度是隨著氣溫日變化、年變化而變化。當(dāng)溫度變化時，混凝土基層在溫度作用下產(chǎn)生的應(yīng)力可分為：由于基層頂與基層底溫度不一致而產(chǎn)生的翹曲應(yīng)力；由于溫度均勻上升或下降引起基層的熱脹冷縮而在基層內(nèi)產(chǎn)生的脹縮應(yīng)力。脹縮應(yīng)力對溫度應(yīng)力的影響不大，且可在接縫設(shè)計時考慮，本文主要考慮溫度翹曲應(yīng)力。,3 路面結(jié)構(gòu)的建模和計算 3.1 幾何模型和計算參數(shù) 混凝土基層瀝青路面結(jié)構(gòu)可視為由瀝青面層、混凝土基層及地基組成的彈性層狀體系。 瀝青

5、加鋪層、混凝土基層和地基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)層采用8節(jié)點實體單元。上下層間的接觸狀況為，混凝土基層與地基之間假設(shè)為絕對光滑，與瀝青加鋪層之間假設(shè)為完全連續(xù)。 模型的邊界條件為：（1）地基為彈性半空間體，根據(jù)收斂性分析，取為有限尺寸?；鶎訛橛邢蕹叽?；（2）地基的底面為自由度完全約束的固定面，基層和地基的其它面均為自由懸空面。 收斂性分析時采用標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100，輪胎內(nèi)壓0.7MPa，單個輪壓作用范圍18.9cm18.9cm，接觸面積357.21cm2，雙輪間距32cm，兩側(cè)輪隙間距182cm（圖1）。 荷載作用位置為臨界荷位，即縱向邊緣中部，輪載作用如圖2所示。,圖1 車輪布載平面圖（單位：cm） 圖2

6、臨界荷位處輪載作用示意圖,計算參數(shù)范圍的確定： 對混凝土基層瀝青路面進行有限元分析，先要確定計算參數(shù)的大小和范圍。主要計算參數(shù)如表1所示。 表1 主要計算參數(shù),通過收斂性分析，結(jié)合實際應(yīng)用情況，確定混凝土板塊尺寸為10.0m4.5m。此外，已有研究表明，當(dāng)?shù)鼗叽绫然炷涟彘L寬方向均擴大3m，深度取為9m時，混凝土板底的荷載應(yīng)力早已收斂，因此地基的尺寸取為1610.59m。 通過上述分析，最終確定混凝土基層瀝青路面進行有限元分析計算的模型如圖3所示。與之對應(yīng)的路面整體有限元網(wǎng)格劃分如圖4所示。,圖3 結(jié)構(gòu)計算模型（單位：cm）,圖4 路面結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格劃分圖,表2列舉了瀝青層厚度ha為020c

7、m,基層厚度hc為22cm時，各自然區(qū)劃內(nèi)最大溫度梯度變化范圍。 表2 不同自然區(qū)劃最大溫度梯度推薦值(/cm),當(dāng)基層厚度變化時，可按表3進行修正。 表3 不同基層厚度最大溫度梯度修正系數(shù) 在進行熱與結(jié)構(gòu)的耦合分析中,主要考慮溫度相對穩(wěn)定時的翹曲應(yīng)力,將各層接觸面溫度作為約束條件,不考慮空氣的對流和路面的輻射,通過計算可求得各節(jié)點的溫度分布,另外也可以輸入輻射量、對流系數(shù)等參數(shù)直接求出溫度分布,但需考慮一天中溫度近似于正弦分布,較復(fù)雜,可操作性不強。ANSYS 軟件中對于熱應(yīng)力分析問題推薦采用順序耦合分析,先進行熱分析計算,將熱分析所得的節(jié)點溫度施加到結(jié)構(gòu)單元的節(jié)點上,再求解溫度應(yīng)力,施加汽

8、車荷載后可單獨求汽車荷載應(yīng)力或汽車和溫度共同作用下產(chǎn)生的應(yīng)力。為便于與規(guī)范計算值對照,先用ANSYS 分別求出溫度應(yīng)力、荷載應(yīng)力,再探討溫度場和行車荷載對路面所形成的復(fù)合應(yīng)力。,材料的幾種強度理論 （1）最大拉應(yīng)力理論 這一理論認(rèn)為最大拉應(yīng)力是引起材料脆性斷裂破壞的主要因素。即不論材料處于什么應(yīng)力狀態(tài)，只要最大拉應(yīng)力達(dá)到了材料在簡單拉伸破壞時的極限應(yīng)力，就會發(fā)生脆性斷裂破壞。 （2）最大剪應(yīng)力理論 這一理論認(rèn)為最大剪應(yīng)力是引起材料塑性屈服破壞的主要因素。即不論材料處于什么應(yīng)力狀態(tài)，只要危險點最大剪應(yīng)力達(dá)到了材料在簡單拉伸屈服時的極限剪應(yīng)力，就會發(fā)生屈服破壞。 （3）形狀改變比能理論 這一理論認(rèn)

9、為形狀改變比能是引起材料塑性屈服破壞的主要因素。即不論材料處于什么應(yīng)力狀態(tài)，只要危險點處形狀改變比能達(dá)到簡單拉伸屈服時的形狀改變比能，材料就會發(fā)生屈服破壞。,3.2 具體計算步驟 3.2.1 熱分析 1) 首先選定單元類型,本分析建立的是三維模型,熱單元選用Thermal solid70 。 2) 在材料參數(shù)設(shè)置時,將材料的回彈模量、泊松比及導(dǎo)熱系數(shù)輸入。 3) 建立三維模型。對于層間光滑接觸狀態(tài)， 引入正交各向異性單元模擬。選取正交各向異性接觸單元的參數(shù)如表4所示。對于層間完全連續(xù),用體與體的粘結(jié)(glue)。 表4 正交各向異性單元的參數(shù)取值 說明：正交各向異性單元的厚度取為0.1cm,對

10、于層間光滑的情況，主要應(yīng)考慮E33取值盡可能大，G12盡可能小。但為保證接觸單元的本構(gòu)關(guān)系矩陣為正定矩陣，上述參數(shù)的取值需滿足根據(jù)余應(yīng)變能理論推導(dǎo)出的模型約束公式： 上述條件是理論分析后得出的應(yīng)該滿足的x方向各參數(shù)間的相互關(guān)系，y方向上參數(shù)間的關(guān)系可類似地導(dǎo)出。,對接觸的更好的模擬方法： 采用面面接觸分析，用目標(biāo)單元 Targe170 來模擬混凝土基層的上表面，用Conta173 來模擬瀝青面層下表面。在摩擦類型中選用基本的庫侖摩擦模型，在這個模型中，兩個接觸面在開始相互滑動之前，在它們的界面上會有達(dá)到某一大小的剪應(yīng)力產(chǎn)生，這種狀態(tài)稱為粘合狀態(tài)。庫侖摩擦模型定義了一個等效剪應(yīng)力 ，在某一法向壓

11、應(yīng)力 p 作用下剪應(yīng)力達(dá)到此值時表面開始滑動（ = p+COHE ，其中 是摩擦系數(shù)，而COHE 是粘聚力）。根據(jù)已有的文獻(xiàn)摩擦系數(shù) 采用 1.8，粘聚力COHE 為0.07Mpa。一旦剪應(yīng)力超過此值后，兩個表面之間將開始相互滑動。這種狀態(tài)，叫做滑動狀態(tài)。粘合、滑動計算決定什么時候一個點從粘合狀態(tài)到滑動狀態(tài)，或從滑動狀態(tài)變到粘合狀態(tài)。,4) 把材料屬性施加到體上, 然后劃分網(wǎng)格。 5) 按溫度梯度施加溫度荷載。按正溫度梯度設(shè)置,即板頂溫度比板底溫度高,板邊向下翹曲,板底面受拉應(yīng)力。 6)進行穩(wěn)態(tài)熱分析求解，觀察結(jié)果。 3.2.2 溫度應(yīng)力和荷載應(yīng)力耦合分析 1) 將熱單元轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元。

12、 2) 在材料特性中將熱膨脹系數(shù)加入。 3) 讀入熱分析結(jié)果。 5) 施加約束,定義邊界條件，模型中設(shè)置地基底面自由度完全約束。 6) 求解。 如果單獨求汽車荷載產(chǎn)生的應(yīng)力,可直接建立結(jié)構(gòu)體單元施荷加約束求得。如果要求溫度和汽車的復(fù)合應(yīng)力,可在3.2.2計算中加入施加汽車荷載的步驟。本模型中都采用線彈性材料,對于非線性材料,ANSYS 也有強大的求解功能。,3.2.3 后處理 ANSYS 有兩個后處理器,通用后處理器(POST1) 和時間歷程后處理器(POST26)。對于靜力學(xué)分析,可在POST1中圖象顯示結(jié)果或列表顯示結(jié)果,對自己感興趣的位置進行應(yīng)力、位移分析。也可以指定特定的路徑,對路徑上

13、各點的應(yīng)力、位移等指標(biāo)的變換規(guī)律進行研究。 時間歷程后處理器可用于研究指定點的分析結(jié)果與時間的函數(shù)關(guān)系。它有強大的分析能力,可進行圖形顯示、列表顯示、微分、響應(yīng)譜生成等操作。在動力學(xué)分析中,可通過定義變量,提取各結(jié)點、單元的位移、應(yīng)力隨時間的變化關(guān)系。為了加快后處理的速度,可以用ANSYS 的命令編制命令流文件,通過選擇、組合命令提取特定位置的結(jié)點或單元,將其隨時間變化的數(shù)值映射到數(shù)組中,另存為自己定制的文件中。,選取以下的參數(shù)對混凝土基層進行有限元計算： 面層厚度為14cm，模量為1800MPa，基層厚度為21cm，模量為25000MPa，地基模量為600MPa。溫度梯度為0.3/cm。 3

14、. 3 荷載應(yīng)力分析,基層橫向受力圖,基層底部沿縱向邊緣受力圖,3.4 溫度應(yīng)力分析,基層橫向受力圖,基層底部沿縱向邊緣受力圖,3. 5 耦合應(yīng)力分析,基層橫向受力圖,基層底部沿縱向邊緣受力圖,4 結(jié)論 1) 利用大型有限元軟件ANSYS,通過層面溫度約束可方便快捷地求出結(jié)構(gòu)層各節(jié)點的溫度分布,通過其耦合功能,可求出最大溫度應(yīng)力及其位置。在施加汽車荷載作用下,可單獨求出最大汽車荷載應(yīng)力或汽車和溫度場的復(fù)合應(yīng)力。利用ANSYS 的強大后處理功能,可觀察一定橫截面上的應(yīng)力分布圖。進一步可分析面層厚度、基層厚度、基層模量、地基模量和溫度梯度等參數(shù)對應(yīng)力的影響，并回歸出荷載和溫度應(yīng)力的實用計算公式，用

15、于路面結(jié)構(gòu)設(shè)計。 2) 利用本文所建模型求出的溫度應(yīng)力和荷載應(yīng)力與規(guī)范計算值有一定的出入,這主要是由網(wǎng)格劃分、約束條件、參數(shù)選取、模型尺寸等因素造成的,可以通過施加約束方程、調(diào)整邊界條件、建立接觸單元等辦法使解更接近真實值(但需要更多的計算時間)。對于缺乏道路計算專用軟件且精度要求不是很高的用戶來講,采用ANSYS 軟件不失為簡單易行的分析辦法。 3）ANSYS具有強大的處理靜態(tài)、動態(tài)問題的能力。可分析道路工程中大多數(shù)的計算問題,如路面結(jié)構(gòu)的靜力動力計算問題、接(裂) 縫問題、混凝土材料的疲勞以及非線性等諸多問題。本文僅對混凝土基層瀝青路面在ANSYS的實現(xiàn)作了初步的探討,更多的問題需要進一步的深入研究。,參考文獻(xiàn) 1 馬慶雷.基于剛性基層的耐久性瀝青路面結(jié)構(gòu)研究.長安大學(xué)博士學(xué)位論文，2006 2 陳栓發(fā)，鄭木蓮，楊斌，王秉綱.破裂水泥混凝土路面板瀝青加鋪