沥青路面温度场的有限元分析(无全文)

作者:刘宁 刊名:河南科技 上传者:

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【摘要】针对沥青路面温度场问题,为了准确预估沥青路面温度场分布,以用来指导路面病害的预防、路面结构的设计等,本文阐述了温度场的基本理论,并根据传热学基本原理,利用有限元法构建沥青路面温度场数值计算模型。以具体工况为实例,进行瞬态温度场的模拟分析,结果表明,本数值计算模型用于分析沥青路面瞬态温度场是可行的,且具有较高的精度和较好的实用性,可基于此对温度场做规律性分析。

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1前言沥青混合料是一种温度敏感型材料,当外界环境温度变化时,热量以传导、对流和辐射三种方式传递到路面结构,从而形成呈时空分布的温度场[1]。在有约束条件的前提下,路面结构会产生温度应力,当结构应力大于结构强度时,路面会出现各种病害。由于外界温度不断变化,决定了路面温度场是瞬态的、非线性以及不确定性的。因此,准确地模拟路面温度场对路面病害预防、路面结构设计等有重要的意义[2,3]。目前,国内外对此做了大量的研究工作,其研究方法主要分为解析法、数值模拟法和统计法[4,5]。解析法是根据当地的气候资料和路面结构参数,基于传热学基本原理,利用一些数学手段,推导出问题的解析解。该方法的优点是精度高和稳定性好,缺点是适应性和灵活性较差,对于二维、三维问题的求解相对困难,吴赣昌[6]给出了非线性温度场的解析解,可以看出推导过程十分复杂。数值模拟法是利用数值分析技术(如有限单元法、有限差分法等)对模型控制方程进行处理,得到问题的近似解。该方法的优点是适应性和灵活性好,缺点是模型参数(如网格尺寸、载荷步长等)对结果有很大的影响,孙孝峰等[7]考虑了非线性因素,利用有限元模拟了沥青路面温度场。统计法是利用数理统计技术对实测数据进行统计分析,构建统计模型来预测温度值。该方法的优点是简单、具有一定的精度,缺点是适用性较差、效率低,康海贵等[8]以实际运营中的路面为实测对象,对路面结构体温度场分布规律做了回归分析。综上所述,数值模拟法相对于解析法和统计法具有一定的优越性,故本文基于传热学基本原理推导出路面温度场控制方程,利用数值分析技术对控制方程进行空间域和时间域的离散化,进而构建沥青路面温度场数值计算模型。结合实例分析,证明了本文数值计算模型的正确性和合理性,可用于指导工程的实际应用。2温度场的基本理论导热的热流密度q与温度梯度坠T坠n成正比,即傅立叶定律:q=-k坠T坠n(1)式中,k为导热系数(W/(m)),负号表示导热热流方向沿着温度降低的方向。根据能量守恒进行推导,可得到导热偏微分方程:c坠T坠t=k坠T2坠x2+坠2T坠y222(2)式中,为密度(kg/m3);c为定压比热容(J/(kg))方框;k为导热系数(W/(m));T为绝对温度(C);t为时间。为了求解导热偏微分方程的解,还需要初始条件和边界条件,进而与微分方程联立求解。温度场的初始条件和三类边界条件为:T|T-0=准(x,y)(初始条件);T|=f(x,y,t)(第一类边界条件);-k坠T坠n|=q(第二类边界条件);-k坠T坠n|=B1(T-Tc)|(第三类边界条件)。其中,B1为大气和地表的换热系数(W/(m2))。3沥青路面温度场有限元模型的构建3.1基本假设将沥青路面看作多层弹性体系,在构建沥青路面温度场有限元模型时,作出了如下基本假设:(1)路面各层为均匀的、连续的各向同体;(2)忽略材料参数模型受温度的影响;(3)各层之间接触为紧密,即忽略接触热阻的存在;(4)忽略沥青路面结构内的热源存在。3.2沥青路面结构参数模型以某地区沥青路面为例,对该地区一天内的温度场变化情况进行分析,其路面结构为:15cm沥青路面+15cm二灰碎石基层+15cm石灰土。各层材料的热物性参数如表1所示。该地区的气候条件为:日最高气温30,日最低气温25,太阳日辐射量为13.99(MJ/(m2)),放热系数为12.8(W/(m2))。在深度0m、0.05m、0.1m和0.15m处分别选取a,b,c,d四个计算点。表1材料参数参数沥青路面二灰碎石基层石灰土土基k(W/m-1)1.311.351.321.46a(m2/

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