[发明专利]一种排水沥青路面动水压力的数值模拟方法

说明书

本发明公开了一种排水沥青路面动水压力的数值模拟方法，属于排水沥青路面动水压力模拟技术领域，其采用CT扫描以及三维重构技术，刻画排水沥青路面结构中的三维空隙结构；将三维空隙结构stl文件和轮胎stl文件导入Flow‑3D软件，布设三维水膜并对轮胎施加位移边界条件与荷载作用；开始动态分析，获取不同条件下排水沥青路面结构内部的动水压力分布图。本发明通过数值模拟的方式研究排水沥青路面空隙动水压力，可以在制备完成块状试件的一天之内完成动水压力数值模拟；从FSI理论出发，研究流体在排水路面结构空隙中的渗流过程，更加符合工程实际，为揭示排水沥青路面结构内部水损害形成过程提供了条件，也为排水沥青路面结构设计奠定了基础。

技术领域

本发明属于排水沥青路面动水压力模拟技术领域，具体涉及一种排水沥青路面动水压力的数值模拟方法。

背景技术

当前排水沥青路面结构动水压力的室内试验方法可分为两类：(1)以未经压实的松散沥青混合料为研究对象，通过视觉观察或仪器检查来主观评价沥青膜的剥蚀程度；(2)通过测量试件浸水条件下的一些力学指标，包括浸水马歇尔实验、劈裂试验等。这两类试验方法受限于空间和仪器的限制，很难对动水压力进行模拟。为更好模拟工程现场的实际，美国SHRP计划开发了ECS(Environment Condition System)，对结构内部动水压力导致的水损害进行试验研究，但并不能进行大规模的试验。

轮胎作用于含水路面结构产生动水压力是复杂的轮胎-路面-水耦合作用的结果。室内实验法进行研究的难点在于：一是只能简单考虑车辆轮载作用，实际行驶过程中轮胎会发生滚动、平动以及变形，因此轮胎作用于路面结构时产生的荷载将随时间和空间发生变化，在实验室内很难精确表征这种复杂的变化；二是排水沥青路面空隙结构复杂，无法在空隙内部埋设压力传感器，只能通过已经损坏的试件大体判断动水压力；三是难以针对同一级配的排水沥青路面试件进行不同工况的对照试验，只能通过增大试验数量来验证数据可靠性，周期较长。

随着计算机计算性能的提高以及流固耦合算法的完善，通过数值模拟的方式精确模拟路面结构空隙内部的动水压力已经逐渐变为可能。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种排水沥青路面动水压力的数值模拟方法，克服实验法分析排水沥青路面结构内部动水压力的不足，提供符合轮载工况、流程清晰、运行可靠的排水沥青路面结构动水压力时空分布的数值模拟方法。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种排水沥青路面动水压力的数值模拟方法，包括以下步骤：

1)根据设计规范确定排水沥青路面级配曲线，制作块状试件；

2)将块状试件放入CT扫描仪进行分层扫描，将所得CT扫描图片集导入Simpleware软件中，获取图片灰度信息；根据灰度数据阈值分割确定集料位置，再确定网格精度，构筑二维网格，再将二维网格逐层构筑为三维网格，导出路面网格数据stl文件；

3)将路面网格数据stl文件，导入Flow-3D软件中；

4)在Rhinoceros软件中绘制带花纹轮胎，将轮胎转为stl格式，并导入Flow-3D软件中；

5)利用Flow-3D软件中的full coupled FSI模块，对轮胎施加重力作用、轴载作用、初始速度以及coupled-motion位移边界条件，并布设路表初始水膜和轮胎胎面与路表耦合面之间的摩擦系数；

6)开始动态模拟分析，获得各时间点上路面结构空隙内部的动水压力分布。

所述的轮胎尺寸为225/50R17，轴载作用为4000N，轮胎外径0.32m，轮胎初始平动速度为20m/s，转动速度为62.5rad/s。