路面不平度对重型车辆疲劳寿命影响分析
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 课题的国内外发展现状 1
1.3 课题的主要内容 3
2 路面不平度综述 3
2.1 路面不平度定义 3
2.2 路面不平度评价指标 4
2.3 路面不平度测量 6
3 疲劳寿命相关理论分析 8
3.1 疲劳概念 8
3.2 疲劳损伤理论 9
3.3 疲劳寿命估算方法 12
4 不同路面不平度对重型车辆疲劳寿命影响分析 15
4.1 车辆结构载荷测试 15
4.2 结构应力集中修正 17
4.3 车辆结构疲劳损伤分析 17
4.4 不同路面不平度引起的疲劳损伤分析 18
结论 21
致谢 22
参考文献 23
1 绪论
1．1 课题的研究背景及意义
路面不平度，是车辆工程常用的名词，道路工程则常用路面平整度。英文名词是road roughness偶尔也有road irregularity或者road unevenness路面不平度指的是道路表面对于理想平面的偏离，它具有影响车辆动力性、行驶质量和路面动力载荷三者的数值特征。这是国际道路不平度试验（IRRE，1982年在巴西进行的项目）中的规定，它简洁地表示了路面不平度的评价指标。包含客观评价指标（道路表面对理想平面的偏离）和主观评价指标（用乘车人的主观感觉）来评价[1]。
疲劳寿命是指材料或零件承受交变应力下发生疲劳破坏时所经历的循环次数或时间。疲劳寿命不仅取决于应力水平，而且还与材 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
料抵抗疲劳破坏能力有关。一般来说，高应力水平下寿命较短，反之低应力时则更长；在相同应力水平下高强、高韧性材料具有更长的疲劳寿命。根据材料或零件的失效机理可知，疲劳过程一般经历裂纹形核、裂纹扩展、裂纹失稳断裂三个阶段，表现为从无裂纹到小裂纹，之后裂纹扩展，最后达到临界裂纹尺寸而断裂。
随着我国工业化的飞速发展，重型汽车得到越来越多的运用。不同路面不平度将会引起汽车疲劳损伤和使用寿命(疲劳耐久性)的巨大差异，高速行驶在道路上的车辆，由于各种因素的影响总会存在不同程度上的振动。如垂直于路面方向的竖向振动，这种竖向振动一方面使乘客的舒适性降低、危及行车安全，而且还增加对车辆构件的疲劳破坏和油耗。随着路面不平度引起的汽车性能不断恶化，会导致公路路面的破坏，从而加剧汽车振动，降低汽车使用寿命。所以对于汽车工程技术人员，研究路面不平度具有重要意义。
1．2 课题的国内外发展现状
车辆与道路之间相互作用的分析和研究已经受到人们的重视，世界各国特别是西方国家己在这方面开展了许多的理论研究工作，D. Cenbon， J.T. Christison 和 S.OConne 为代表的研究人员，做出了突出的贡献。他们利用建立的车辆模型，直接计算车辆的动载，然后利用动载系数将动载的影响转化为标准轴载作用次数的修正系数或路面的静力响应的修正系数，即反映在路面使用性能和寿命的评估模型中。D.Cenbn 将车辆响应和路面响应分开建模，在建立路面模型时着重考虑路面的转移函数和脉冲响应，借助于振动系统理论，计算运动的点源随机载荷下的路面响应问题。美国 1987 年投资 1.5亿美元用于开展 SHRP 计划，1993 年结束后，国会又追加 7 亿美元用于路面长期性能观测，而这些资金大部分用于车辆与路面相互作用的研究，即路面动态性能的研究。从2005年起，美国国会又重新启动了SHRP2研究计划，研究的领域主要包括道路的行驶安全性、路面结构可靠性、养护和车辆通行能力等。
在UMTRI开展研究的同时，英国剑桥大学的交通研究所TRL在20世纪90年代初从重载汽车动力学的行驶安全性、悬架结构设计、沥青路面的破坏机理、动态称重设备的研发等方面对车辆一路面相互作用做了丰富、深入、前瞻性的研究。他们通过负载测试垫，完成了对1500辆车辆的轮胎动态载荷的测试，测试结果表明：路面的不平整度、车速和车辆的设计参数尤其是悬架系统的设计是影响轮胎动态载荷的最主要的原因，指出动态载荷系数法在一定程度上夸大了车辆对路面的疲劳损伤。Cole提出动态轮胎力沿轮迹的分布具有“空间重复性”(Spatial Repeatability)，认为所有的重载汽车具有相似的固有频率，在同一段路面上以相近速度行驶的车辆的动态轮胎力的峰值通常发生在相对狭窄的道路区域内。欧洲经济合作与发展组织OECD在1992年提出路面交通研究计划DIVME(Dynamic Interaction between Vehicles and Infrastructure Experiment)成立了路面动载研究专家组，寻求重载汽车-路面-桥梁之间的相互作用机理，一共有19个国家参加，在新西兰的坎特伯雷室内加速路面试验设备(CAPTIF)、芬兰的Virtta试验场、美国弗吉尼亚的联邦高速公路管理局试验道路、法国的RN10 Trappes试验道路等进行现场试验。DIVINE项目的研究结果表明：车辆对路面所施加的动态载荷的统计特性取决于路面不平度、悬架形式及行驶车速等多种因素，尤其与车辆悬架系统形式有着密切关系;而且重载汽车上使用空气悬架能降低动态载荷约10～12%，能显著减少路面损坏；空气悬架按车辙形成比准则可提高路面寿命45-60%，按特定的裂纹准则可提高路面寿命30%[2]。
国内的研究主要集中在高校，没有专门的研究机构对车辆一路面相互作用进行研究。方福森和邓学钧早在1965年就认识到路面不平引起车辆的振动，反过来又影响到路面的响应，如应力和位移等。直到20世纪80年代中期，叶开沉等在考虑动态载荷质量、惯性力及阻尼影响的情况下，研究了机车通过连续梁时横向振动问题的整个过程，并得出在任意运动态载荷作用下的连续梁的动力方程的一般解。成祥生使用变分法讨论了弹性地基上的薄板由运动荷载所引起的动力响应。钟阳、郑京杰等对由路面不平度引起的车辆对路面的随机动压力进行了分析。孙璐用简化的四分之一车模型，运用随机理论详细分析了车辆参数对动荷载的影响。余卓平从减小动态荷载的观点出发，以减轻车辆对道路的损伤为目的，对汽车悬架进行优化设计分析，并作了实例计算，指出在重载汽车后悬架设置减振器是减轻我国道路损伤的有效方法。任卫群采用多体系统动力学方法，在ADAMS中建立包含柔性连接件和轮胎模型的整车系统模型，得到了道路不平度输入下车辆数字仿真模型的响应和变化规律。钟阳用随机过程理论得到了路面不平整度的功率谱密度，并以此为输入，把车辆简化为两个自由度振动系统，利用随机振动的方法分析了行驶车辆作用于路面的随机动态载荷。孙璐、邓学钧用简化的四分之一车模型，运用随机理论详细分析了车辆参数对动态载荷的影响。杨方廷利用变分原理，研究分析了在车辆运动作用下，弹性地基上的刚性路面的动力反应，并在后来的研究中提出针对路面状况来调整车速可以降低车轮随机动态载荷，达到减轻对路面损伤的要求。黄立葵结合沥青路面和水泥混凝土路面行驶质量评价标准，得出各等级路面的动载系数。
(l)构件承受的必须是交变载荷，而且在交变载荷的作用下，构件有可能在承受远小于其强度极限的应力条件下发生突然断裂。
1 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 课题的国内外发展现状 1
1.3 课题的主要内容 3
2 路面不平度综述 3
2.1 路面不平度定义 3
2.2 路面不平度评价指标 4
2.3 路面不平度测量 6
3 疲劳寿命相关理论分析 8
3.1 疲劳概念 8
3.2 疲劳损伤理论 9
3.3 疲劳寿命估算方法 12
4 不同路面不平度对重型车辆疲劳寿命影响分析 15
4.1 车辆结构载荷测试 15
4.2 结构应力集中修正 17
4.3 车辆结构疲劳损伤分析 17
4.4 不同路面不平度引起的疲劳损伤分析 18
结论 21
致谢 22
参考文献 23
1 绪论
1．1 课题的研究背景及意义
路面不平度，是车辆工程常用的名词，道路工程则常用路面平整度。英文名词是road roughness偶尔也有road irregularity或者road unevenness路面不平度指的是道路表面对于理想平面的偏离，它具有影响车辆动力性、行驶质量和路面动力载荷三者的数值特征。这是国际道路不平度试验（IRRE，1982年在巴西进行的项目）中的规定，它简洁地表示了路面不平度的评价指标。包含客观评价指标（道路表面对理想平面的偏离）和主观评价指标（用乘车人的主观感觉）来评价[1]。
疲劳寿命是指材料或零件承受交变应力下发生疲劳破坏时所经历的循环次数或时间。疲劳寿命不仅取决于应力水平，而且还与材 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
料抵抗疲劳破坏能力有关。一般来说，高应力水平下寿命较短，反之低应力时则更长；在相同应力水平下高强、高韧性材料具有更长的疲劳寿命。根据材料或零件的失效机理可知，疲劳过程一般经历裂纹形核、裂纹扩展、裂纹失稳断裂三个阶段，表现为从无裂纹到小裂纹，之后裂纹扩展，最后达到临界裂纹尺寸而断裂。
随着我国工业化的飞速发展，重型汽车得到越来越多的运用。不同路面不平度将会引起汽车疲劳损伤和使用寿命(疲劳耐久性)的巨大差异，高速行驶在道路上的车辆，由于各种因素的影响总会存在不同程度上的振动。如垂直于路面方向的竖向振动，这种竖向振动一方面使乘客的舒适性降低、危及行车安全，而且还增加对车辆构件的疲劳破坏和油耗。随着路面不平度引起的汽车性能不断恶化，会导致公路路面的破坏，从而加剧汽车振动，降低汽车使用寿命。所以对于汽车工程技术人员，研究路面不平度具有重要意义。
1．2 课题的国内外发展现状
车辆与道路之间相互作用的分析和研究已经受到人们的重视，世界各国特别是西方国家己在这方面开展了许多的理论研究工作，D. Cenbon， J.T. Christison 和 S.OConne 为代表的研究人员，做出了突出的贡献。他们利用建立的车辆模型，直接计算车辆的动载，然后利用动载系数将动载的影响转化为标准轴载作用次数的修正系数或路面的静力响应的修正系数，即反映在路面使用性能和寿命的评估模型中。D.Cenbn 将车辆响应和路面响应分开建模，在建立路面模型时着重考虑路面的转移函数和脉冲响应，借助于振动系统理论，计算运动的点源随机载荷下的路面响应问题。美国 1987 年投资 1.5亿美元用于开展 SHRP 计划，1993 年结束后，国会又追加 7 亿美元用于路面长期性能观测，而这些资金大部分用于车辆与路面相互作用的研究，即路面动态性能的研究。从2005年起，美国国会又重新启动了SHRP2研究计划，研究的领域主要包括道路的行驶安全性、路面结构可靠性、养护和车辆通行能力等。
在UMTRI开展研究的同时，英国剑桥大学的交通研究所TRL在20世纪90年代初从重载汽车动力学的行驶安全性、悬架结构设计、沥青路面的破坏机理、动态称重设备的研发等方面对车辆一路面相互作用做了丰富、深入、前瞻性的研究。他们通过负载测试垫，完成了对1500辆车辆的轮胎动态载荷的测试，测试结果表明：路面的不平整度、车速和车辆的设计参数尤其是悬架系统的设计是影响轮胎动态载荷的最主要的原因，指出动态载荷系数法在一定程度上夸大了车辆对路面的疲劳损伤。Cole提出动态轮胎力沿轮迹的分布具有“空间重复性”(Spatial Repeatability)，认为所有的重载汽车具有相似的固有频率，在同一段路面上以相近速度行驶的车辆的动态轮胎力的峰值通常发生在相对狭窄的道路区域内。欧洲经济合作与发展组织OECD在1992年提出路面交通研究计划DIVME(Dynamic Interaction between Vehicles and Infrastructure Experiment)成立了路面动载研究专家组，寻求重载汽车-路面-桥梁之间的相互作用机理，一共有19个国家参加，在新西兰的坎特伯雷室内加速路面试验设备(CAPTIF)、芬兰的Virtta试验场、美国弗吉尼亚的联邦高速公路管理局试验道路、法国的RN10 Trappes试验道路等进行现场试验。DIVINE项目的研究结果表明：车辆对路面所施加的动态载荷的统计特性取决于路面不平度、悬架形式及行驶车速等多种因素，尤其与车辆悬架系统形式有着密切关系;而且重载汽车上使用空气悬架能降低动态载荷约10～12%，能显著减少路面损坏；空气悬架按车辙形成比准则可提高路面寿命45-60%，按特定的裂纹准则可提高路面寿命30%[2]。
国内的研究主要集中在高校，没有专门的研究机构对车辆一路面相互作用进行研究。方福森和邓学钧早在1965年就认识到路面不平引起车辆的振动，反过来又影响到路面的响应，如应力和位移等。直到20世纪80年代中期，叶开沉等在考虑动态载荷质量、惯性力及阻尼影响的情况下，研究了机车通过连续梁时横向振动问题的整个过程，并得出在任意运动态载荷作用下的连续梁的动力方程的一般解。成祥生使用变分法讨论了弹性地基上的薄板由运动荷载所引起的动力响应。钟阳、郑京杰等对由路面不平度引起的车辆对路面的随机动压力进行了分析。孙璐用简化的四分之一车模型，运用随机理论详细分析了车辆参数对动荷载的影响。余卓平从减小动态荷载的观点出发，以减轻车辆对道路的损伤为目的，对汽车悬架进行优化设计分析，并作了实例计算，指出在重载汽车后悬架设置减振器是减轻我国道路损伤的有效方法。任卫群采用多体系统动力学方法，在ADAMS中建立包含柔性连接件和轮胎模型的整车系统模型，得到了道路不平度输入下车辆数字仿真模型的响应和变化规律。钟阳用随机过程理论得到了路面不平整度的功率谱密度，并以此为输入，把车辆简化为两个自由度振动系统，利用随机振动的方法分析了行驶车辆作用于路面的随机动态载荷。孙璐、邓学钧用简化的四分之一车模型，运用随机理论详细分析了车辆参数对动态载荷的影响。杨方廷利用变分原理，研究分析了在车辆运动作用下，弹性地基上的刚性路面的动力反应，并在后来的研究中提出针对路面状况来调整车速可以降低车轮随机动态载荷，达到减轻对路面损伤的要求。黄立葵结合沥青路面和水泥混凝土路面行驶质量评价标准，得出各等级路面的动载系数。
(l)构件承受的必须是交变载荷，而且在交变载荷的作用下，构件有可能在承受远小于其强度极限的应力条件下发生突然断裂。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/qcgc/1842.html
