[发明专利]车-路-桥耦合动力学分析方法

说明书

本发明提供了一种车‑路‑桥耦合动力学分析方法，利用有限元软件建立钢梁模型及线弹性桥面铺装层模型，利用多刚体动力学软件建立多刚体三维车体模型、非线性轮胎模型和板簧悬挂模型并组装形成多刚体三维实车模型，与现有技术相比，多刚体三维实车模型考虑了车辆悬挂特性及轮胎对路面的影响，更加符合工程实际，进而建立钢桥车‑桥‑路刚柔耦合模型，实现车‑桥‑路耦合动力学分析；利用Abaqus有限元软件建立实体轮胎模型、粘弹性桥面铺装层模型，通过车‑桥刚柔耦合动态分析得到的车辆耦合轴力施加于实体轮胎模型，真正实现了车桥刚柔耦合的粘弹性桥面铺装动力学分析和沥青路面的破坏机理分析。

技术领域

本发明属于车-桥-路耦合动力学分析技术领域，更具体地说，是涉及一种车-路-桥耦合动力学分析方法。

背景技术

随着交通运输体系在规模与技术水平上的大幅提升，公路交通系统高速化、重载化以及轻型化趋势日益提升，高速公路钢桥结构由于强度高，造价低，机械性能好，施工方便，工期较短，构件更换容易等优点而被广泛使用。

钢桥结构在重载车辆的作用下动态耦合效应突出，导致钢桥结构上沥青路面铺装容易产生疲劳裂纹和裂缝。一方面，当高速行驶的重载车辆通过桥梁时，车辆对桥梁产生动力冲击作用，不但将引起桥梁和桥面铺装层的振动，而且由于车辆荷载具有反复作用的特征，桥面铺装层容易产生疲劳损伤与破坏，影响桥梁的工作状态与使用寿命；另一方面，桥梁和桥面铺装层的振动又会反作用于车辆，进一步加剧车辆的振动，影响车辆运行的平稳性与安全性。

因此，对车辆与桥梁以及桥面铺装层耦合系统进行科学系统地综合分析研究，确定它们在各种行车状态下的耦合动力性能，是合理进行桥梁结构及桥面铺装层设计的实际需要，对于承受车辆动力作用的钢桥的设计、建造、运营养护与检测均具有十分重要的理论和现实意义。

目前，在已有的车-桥-路研究中，主要将车辆模型简化为移动荷载、轮载或用弹簧-质量-阻尼多自由度系统模拟；将轮胎和路面接触采用单点或多点力接触考虑，未考虑轮胎对路面的实际作用，也不能采用实车建模，并且在车-桥系统建模时，将桥面铺装层仅作为桥面的二期载荷，关注点在于桥梁结构，没有考虑车辆、桥面铺装层、桥梁之间耦合作用，未进行统一建模；另外，由于车-桥-路耦合没有统一建模，也不能分析车-桥-路耦合对粘弹性桥面铺装层的动态响应。

发明内容

本发明的目的在于提供一种车-路-桥耦合动力学分析方法，旨在解决已有钢桥结构建模分析中，不能考虑轮胎对桥面的实际作用，以及实体车辆、桥面铺装层、桥梁之间动态耦合作用，难以统一建模的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种车-路-桥耦合动力学分析方法，包括以下步骤：

A.利用有限元软件分别建立钢梁模型及线弹性桥面铺装层模型，并计算所述钢梁模型的自由模态及所述线弹性桥面铺装层模型的自由模态；

B.将步骤A所得的所述钢梁模型、所述线弹性桥面铺装层模型、所述钢梁模型的自由模态及所述线弹性桥面铺装层模型的自由模态分别导入多刚体动力学软件中；在所述多刚体动力学软件中对所述钢梁模型设置剪力钉；

C.在所述多刚体动力学软件中对所述钢梁模型上顶面及所述线弹性桥面铺装层模型下底面的剪力钉位置设立约束力元a，组成钢桥模型，在所述钢梁模型下底面与所述钢梁模型的支座位置设置约束力元b；

D.利用所述多刚体动力学软件建立非线性轮胎模型、多刚体三维车体模型、及轮胎与车体之间的板簧悬挂模型；将所述非线性轮胎模型、所述多刚体三维车体模型与所述轮胎与车体之间的板簧悬挂模型组装，形成多刚体三维实车模型；

E.将步骤C所得的所述钢桥模型与步骤D所得的所述多刚体三维实车模型组合，建立钢桥车-桥-路刚柔耦合动力学模型；