本發(fā)明涉及道路工程，具體涉及一種抑冰材料在冰-路面層間接觸的力學(xué)模擬方法。

背景技術(shù)：

1、秋冬季節(jié)降雪的存在形態(tài)一般初期是0～4℃冰水漿糊狀，一旦夜晚氣溫驟降，馬上變成堅(jiān)硬的冰體狀。路表結(jié)冰會(huì)大幅削弱道路抗滑能力，相關(guān)研究表明，干燥瀝青路面行車制動(dòng)時(shí)摩擦系數(shù)為0.6，積雪瀝青路面摩擦系數(shù)降至0.28，結(jié)冰瀝青路面摩擦系數(shù)降至0.18，相較干燥瀝青路面分別降低了68％、76％。這些不利因素若恰巧出現(xiàn)在橋梁、隧道、長(zhǎng)下坡、彎道等特殊地形，則缺點(diǎn)大幅擴(kuò)大，威脅人民的人身及財(cái)產(chǎn)安全。交通部門表明，大約30％的行車事故與道路結(jié)冰有關(guān)。傳統(tǒng)被動(dòng)除冰技術(shù)具有滯后性，主動(dòng)除冰技術(shù)多用于新建路面，鹽分損失無(wú)法補(bǔ)充，成本高。將抑冰材料在低溫來(lái)臨前預(yù)先噴灑到路面，在行車荷載作用下抑冰劑釋出直接融化薄冰或降低冰-路面間粘結(jié)力，便于機(jī)械清除。

2、冰粘結(jié)強(qiáng)度是受機(jī)械咬合力、化學(xué)鍵力、分子間作用力多種因素共同作用，區(qū)別在于不同冰粘結(jié)體系中各因素占比不同，有不同的作用強(qiáng)度。針對(duì)在冰-路面的凍粘中，因?yàn)闉r青表面粗糙不平，有一定的構(gòu)造深度，故機(jī)械作用力影響力更大。此外，冰的形成過程也是影響強(qiáng)度的重要一環(huán)。冰體材料在不同溫度下晶格及強(qiáng)度變化很大，在更低溫度時(shí)，晶格就越堅(jiān)固。從結(jié)冰的微觀結(jié)構(gòu)分析，當(dāng)水溫低于0℃后，這種狀態(tài)的水稱為過冷水，結(jié)冰過程分三個(gè)階段，成核─核長(zhǎng)大─結(jié)冰，溫度變化是影響冰核轉(zhuǎn)化的重要因素。通常認(rèn)為，冰層厚度與冰粘結(jié)強(qiáng)度成正比，冰層厚度越厚，則冰粘結(jié)強(qiáng)度越大。冰層凍結(jié)是依照先內(nèi)部?jī)鼋Y(jié)后外部?jī)鼋Y(jié)的順序，先凍結(jié)的冰分子結(jié)合時(shí)間長(zhǎng)，相互緊密，距離近，分子間作用力大，后凍結(jié)的冰分子結(jié)合時(shí)間短，距離遠(yuǎn)，分子間作用力小。

3、有限元分析可以劃分為三步，前處理、計(jì)算、后處理。前處理是建立模型、定義材料、定義約束、劃分網(wǎng)格。后處理為提交作業(yè)、結(jié)果輸出、提供動(dòng)畫、云圖及某一結(jié)點(diǎn)處結(jié)果等。一般采用以下步驟進(jìn)行求解：(1)確定問題及求解域。根據(jù)模擬的實(shí)際物體確定求解域的幾何尺寸及物理特性。(2)連續(xù)求解域離散化。一般來(lái)說，求解域是由不同形狀大小但彼此相連的有限個(gè)單元的離散域組成，離散化的過程稱為網(wǎng)格劃分。單元越小，則離散域的相似程度越大，計(jì)算精度越細(xì)，但計(jì)算量隨之增大。(3)確定邊界條件及控制方法。將實(shí)際問題轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌牧蠀?shù)、狀態(tài)變量、邊界條件的微分方程式，是有限元軟件的基礎(chǔ)，微分方程利用等價(jià)的泛函形式表達(dá)。(4)建立單元?jiǎng)偠染仃?。?duì)單元構(gòu)建近似解，以特定方法給出各狀態(tài)變量的離散關(guān)系，建立單元?jiǎng)偠染仃嚒?5)總裝求解。根據(jù)靜力等效原則，形成離散域的總剛度矩陣，使連續(xù)性滿足規(guī)定條件。(6)平衡方程組的建立及求解。聯(lián)立方程組，可得單元結(jié)點(diǎn)處狀態(tài)變量的結(jié)果。有限元方法實(shí)現(xiàn)多采用abaqus軟件，abaqus軟件可解決簡(jiǎn)單的線性分析，也可針對(duì)非線性問題進(jìn)行模擬，包含豐富數(shù)據(jù)單元庫(kù)(可模擬任何幾何形狀)。

4、由于abaqus軟件計(jì)算分析速度快及處理復(fù)雜系統(tǒng)有一定可靠性，廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域。近些年，abaqus軟件成功引用到了瀝青混凝土研究中。對(duì)抑冰材料在冰-路面層間接觸的力學(xué)進(jìn)行模擬，可對(duì)冰-路面層間結(jié)構(gòu)變化做出準(zhǔn)確判斷，一定程度上提升抑冰效率，也可用于抑冰路面研究的多種形式和方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種抑冰材料在冰-路面層間接觸的力學(xué)模擬方法，對(duì)冰-路面層間結(jié)構(gòu)變化做出準(zhǔn)確判斷，確定最佳結(jié)冰強(qiáng)度參數(shù)值，提升抑冰效率。

2、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題采用以下的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

3、一種抑冰材料在冰-路面層間接觸的力學(xué)模擬方法，運(yùn)用abaqus軟件建立冰-路面組合結(jié)構(gòu)的二維擴(kuò)展有限元模型，模型參數(shù)包括假設(shè)基礎(chǔ)、初始外力、模型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格類型、網(wǎng)格密度、材料屬性、位移邊界條件和接觸類型；并分析路面宏觀紋理(骨料出露高度、骨料間隙)、冰形成過程(冰層厚度、環(huán)境溫度)等情況下對(duì)結(jié)冰強(qiáng)度的數(shù)值影響，確定最佳結(jié)冰強(qiáng)度值，提升抑冰效率。

4、為便于對(duì)路面抑冰力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算分析，所述假設(shè)基礎(chǔ)具體為：

5、①瀝青膠漿、骨料、冰層皆為連續(xù)、各向同性的線彈性材料，受力變形均在彈性范圍內(nèi)，其彈性參數(shù)以彈性模量e和泊松比μ表征，力學(xué)性能遵從胡克定律。

6、胡克定律為在外力作用下，物體所受應(yīng)力不大于屈服破壞應(yīng)力σ0時(shí)，應(yīng)力σ1與應(yīng)變?chǔ)?呈正相關(guān)線性關(guān)系。

7、σ1＝eε1

8、其中，e為彈性模量(或?yàn)闂钍夏Ａ?。

9、②骨料與瀝青膠漿的固定接觸方式為完全連續(xù)。

10、③冰面與路面在接觸時(shí)不會(huì)相互侵入，層間保持接觸無(wú)間隙。

11、④忽略汽車橫向力和沖擊力等次要因素，重點(diǎn)考慮豎向荷載和水平荷載。

12、所述初始外力分為豎向荷載與水平荷載。豎向荷載按照標(biāo)準(zhǔn)單軸雙輪均布荷載作用于路面，方向豎直向下；水平荷載由結(jié)冰時(shí)路表摩擦系數(shù)決定，按公式q＝fp得到水平壓強(qiáng)。

13、所述模型結(jié)構(gòu)為分層的層狀結(jié)構(gòu)，從上到下依次是薄冰層和瀝青面層。

14、所述網(wǎng)格類型為八結(jié)點(diǎn)二次平面應(yīng)變減縮積分單元。

15、所述網(wǎng)格密度視骨料、冰層與瀝青面的接觸位置確定，采用非均質(zhì)網(wǎng)格自由劃分，在骨料處劃分較密，其余位置逐漸變疏。

16、所述模型材料屬性為骨料參數(shù)、瀝青混合料及冰層參數(shù)。

17、所述位移邊界條件為模型底部x、y方向無(wú)位移，完全約束；模型兩側(cè)x方向無(wú)位移，完全約束。

18、所述接觸類型采取允許“粘結(jié)”狀態(tài)表面有相對(duì)滑動(dòng)(稱為彈性滑動(dòng))的罰摩擦公式模擬接觸面，保證接觸面上的位移和豎向應(yīng)力能夠連續(xù)傳遞，采用庫(kù)倫摩擦模擬接觸面間的切向作用，摩擦系數(shù)μ定義接觸狀態(tài)。摩擦系數(shù)μ＝∞，表征未噴灑抑冰材料，冰層嵌入路面中為緊密連接狀態(tài)，層間為連續(xù)狀態(tài)。摩擦系數(shù)μ＝0，冰與路面間近似自由滑動(dòng)的狀態(tài)，處于兩種理想狀態(tài)中的其它接觸狀態(tài)采用摩擦系數(shù)μ變參進(jìn)行模擬。

19、本發(fā)明的有益效果是：

20、1、本發(fā)明采用力學(xué)模擬的角度更本質(zhì)地解釋層間接觸對(duì)冰粘結(jié)強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)相互作用，更直觀地對(duì)冰-路面層間接觸結(jié)構(gòu)變化做出準(zhǔn)確判斷，克服傳統(tǒng)試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法誤差大、成本高以及一定程度上造成資源浪費(fèi)的缺點(diǎn)。

21、2、本發(fā)明可通過設(shè)置不同骨料出料高度、骨料間隙、環(huán)境溫度、結(jié)冰厚度，為抑冰材料在冰-路面層間接觸確定最佳結(jié)冰強(qiáng)度值提供參考，提高抑冰效率。

22、3、通過本發(fā)明所提供的方法可對(duì)抑冰路面研究提供多種形式和方法。

技術(shù)特征：

1.一種抑冰材料在冰-路面層間接觸的力學(xué)模擬方法，其特征在于：運(yùn)用abaqus軟件建立冰-路面組合結(jié)構(gòu)的二維擴(kuò)展有限元模型，模型參數(shù)包括假設(shè)基礎(chǔ)、初始外力、模型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格類型、網(wǎng)格密度、材料屬性、位移邊界條件和接觸類型；并分析路面宏觀紋理、冰形成過程對(duì)結(jié)冰強(qiáng)度的數(shù)值影響，確定最佳結(jié)冰強(qiáng)度值，提升抑冰效率。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑冰材料在冰-路面層間接觸的力學(xué)模擬方法，其特征在于，所述假設(shè)基礎(chǔ)具體為：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑冰材料在冰-路面層間接觸的力學(xué)模擬方法，其特征在于：所述初始外力分為豎向荷載與水平荷載；豎向荷載按照標(biāo)準(zhǔn)單軸雙輪均布荷載作用于路面，方向豎直向下；水平荷載由結(jié)冰時(shí)路表摩擦系數(shù)決定，按公式q＝fp得到水平壓強(qiáng)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑冰材料在冰-路面層間接觸的力學(xué)模擬方法，其特征在于：所述模型結(jié)構(gòu)為分層的層狀結(jié)構(gòu)，從上到下依次是薄冰層和瀝青面層。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑冰材料在冰-路面層間接觸的力學(xué)模擬方法，其特征在于：所述網(wǎng)格類型為八結(jié)點(diǎn)二次平面應(yīng)變減縮積分單元。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑冰材料在冰-路面層間接觸的力學(xué)模擬方法，其特征在于：所述網(wǎng)格密度視骨料、冰層與瀝青面的接觸位置確定，采用非均質(zhì)網(wǎng)格自由劃分，在骨料處劃分較密，其余位置逐漸變疏。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑冰材料在冰-路面層間接觸的力學(xué)模擬方法，其特征在于：所述材料屬性為骨料參數(shù)、瀝青混合料及冰層參數(shù)。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑冰材料在冰-路面層間接觸的力學(xué)模擬方法，其特征在于：所述位移邊界條件為模型底部x、y方向無(wú)位移，完全約束；模型兩側(cè)x方向無(wú)位移，完全約束。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑冰材料在冰-路面層間接觸的力學(xué)模擬方法，其特征在于：所述接觸類型采取允許“粘結(jié)”狀態(tài)表面有相對(duì)滑動(dòng)的罰摩擦公式模擬接觸面，保證接觸面上的位移和豎向應(yīng)力能夠連續(xù)傳遞，采用庫(kù)倫摩擦模擬接觸面間的切向作用，摩擦系數(shù)μ定義接觸狀態(tài)。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的抑冰材料在冰-路面層間接觸的力學(xué)模擬方法，其特征在于：所述摩擦系數(shù)μ＝∞，表征未噴灑抑冰材料，冰層嵌入路面中為緊密連接狀態(tài)，層間為連續(xù)狀態(tài)；所述摩擦系數(shù)μ＝0，冰與路面間近似自由滑動(dòng)的狀態(tài)，處于兩種理想狀態(tài)中的其它接觸狀態(tài)采用摩擦系數(shù)μ變參進(jìn)行模擬。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種抑冰材料在冰?路面層間接觸的力學(xué)模擬方法，涉及道路工程技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明運(yùn)用ABAQUS軟件建立冰?路面組合結(jié)構(gòu)的二維擴(kuò)展有限元模型，模型參數(shù)包括假設(shè)基礎(chǔ)、初始外力、模型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格類型、網(wǎng)格密度、材料屬性、位移邊界條件和接觸類型；并分析路面宏觀紋理(骨料出露高度、骨料間隙)、冰形成過程(冰層厚度、環(huán)境溫度)等情況下對(duì)結(jié)冰強(qiáng)度的數(shù)值影響，確定最佳結(jié)冰強(qiáng)度值，提升抑冰效率。

技術(shù)研發(fā)人員：王治強(qiáng),王建峰,姜堯,紀(jì)淑貞
受保護(hù)的技術(shù)使用者：上海群康瀝青科技股份有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19