以能量方法评价快速路面车辆通过性_范华林

关系。 图中的 4 条直线段表示不同水平系留力时的 临界状态, 即挂钩牵引力功为零。在直线的上方部分 挂钩牵引力功大于零, 车辆可以通行。在直线的下方 部分挂钩牵引力功小于零, 车辆不可以通行, 其原因
是沉陷量太大或者附着系数过小。
驱动力。车轮跨过单元梁板时摩擦力作功为驱动功, 有
5 = ΛW L
(12)
L0
y ～～
2 2= L ky dy + dx k y d y
车辆在快速路面上不能通过。 根据式 (19) 可以初步
给出沉陷与路面结构附着系数之间的对应关系。
附着系数与沉陷量对应关系及对通过性的定性
影 响关系如图 7 所示。 假定 k = 300 kN m 3, L = 014 m , b= 3 m ,W = 100 kN 。 图 7 分别给出了水平 系留力为 0 kN、5 kN、10 kN 和 20 kN 时在不同附 着系数和沉陷量条件下对挂钩牵引力功状态的判断
图 1 铰接梁式结构示意图 F ig. 1 Schem a tic diagram of p in2jo in ted beam structu res
113 铰接板结构 铰接板结构与铰接梁式结构区别在于单模块为
相对于车轮直径尺寸比较大的刚性板单元或者箱体 单元, 如图 2 所示。这种结构一般依靠单模块分担荷 载。 单模块的结构承载能力要求比较高。 当模块间 采用铰接时, 可能造成的不利现象是, 当荷载跨越相 邻的板块时, 由于力集中作用于板块边缘, 会使相邻 板块翘起呈 V 形, 造成沉陷变大, 增大了车辆行驶 阻力。
轮胎与路面板梁接触摩擦力提供了车辆前进的
求得 2 =
1 2
k
z
20bL
(17)
式中 L 0 ——计算路面长度 y ——沉陷变化量
图 6 给出了车辆跨过一块板时的路面沉陷变化
情况。
图 6 路面通过性计算模型 F ig. 6 D iagram of the terram echan ics m odel fo r
图 3 六角折叠路面结构示意图 F ig. 3 Schem a tic diagram of p in2jo in ted
hexagon structu res
2 快速路面的车辆通过性模型
快速路面的通过性首先要考虑在荷载作用下路 面结构与土壤的相互作用机理, 再计算轮胎与路面
图 5 梁板受力分析计算模型
3 路面器材的车辆通过性评判方法
311 能量原理 在车辆通过性研究中, 确定车辆通过性的主要
方法是比较车辆的行驶阻力和车辆附着力大小。 由 于车轮与器材之间的接触变形比较复杂, 为了简化 计算, 不具体考虑轮胎与路面器材的变形状况。依据 车轮跨过每一块铰接板梁时的摩擦力作功和路面器 材沉降克服土壤变形作功情况评价快速路面的车辆 通过性。 轮胎与路面板梁接触摩擦力提供了车辆前 进的驱动力, 而车轮荷载迫使路面沉降克服土壤变 形而作的功提供了车辆的行驶阻力, 即以功的概念 代替力的概念来研究快速路面上车辆通过性评判问 题。 312 车辆通过性计算方法
膜结构是一种比较常见的简易式结构, 土工布 是一种常见的膜结构。其主要作用在于隔泥不隔水, 阻止泥浆的流失, 有利于土壤的固结。由于不具备抗 弯刚度, 膜结构依靠膜内张力来分担外荷载作用, 因 此结构的限位固定很重要。 112 铰接梁结构
铰接梁结构是将梁横向铰接形成, 如图 1 所示。
收稿日期: 2006- 03- 23 3 解放军理工大学理学院青年科研基金资助项目和中国博士后科学基金资助项目 (项目编号: 20060400465) 范华林 解放军理工大学理学院 讲师 博士后 (清华大学) , 210007 南京市 屠义强 解放军理工大学工程兵工程学院 讲师
2007年9月
农业机械学报
第 38 卷 第 9 期
以能量方法评价快速路面车辆通过性3
范华林 屠义强
【摘要】 为了评价松软地基上快速路面的车辆通过性, 分析了快速路面的主要结构形式和受力特点, 探讨了
铰接路面体系与土壤相互作用模型。 在沉陷量计算的基础上提出了快速路面车辆通过性评判的能量方法, 定性得
式中 W ——车辆荷载 b——路面宽度
L ——路面板宽度
由 式 (11) 可求得 z 0 数值, 在 z 0 数值已知的情
况下得到链式体系的沉陷曲线。
计算沉陷的目的在于确定轮胎与路面板之间的
位置关系。 由于沉陷的存在, 轮胎行进中会遇到阻 力, 而车辆前进的驱动力来自于轮胎与路面板之间 的摩擦作用。根据两者之间的比较, 确定汽车在路面 器材上的挂钩牵引力, 判断车辆通过性。
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第 9 期
范华林 等: 以能量方法评价快速路面车辆通过性
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梁的宽度小, 因此这种结构沿道路纵向可以简化为 一维膜结构。与轮胎直接作用的 1～ 3 块板梁承担了 主要荷载。 铰接梁式路面比较大的缺陷是梁间缝隙 的存在使得路面下土壤不断翻浆涌出分布在器材表 面, 可能导致路面的附着系数大幅度降低, 在沉陷不 大时也可能造成车辆打滑。
A b stra c t
Exp ress road st ructu res a re im po rtan t fo r veh icles runn ing on sludgy so ils. T he m a in st ruc2 tu res of exp ress road s and the co rrespond ing terram echan ics behavio r w ere d iscu ssed in th is p a2 p er. T he energy m ethod u sed to eva lua te the m ob ility of d ifferen t exp ress road s w a s suggested, and the terram echan ics of p in2jo in ted beam 2typ e road s w a s ana lyzed. T he influence of the t ract ive coefficien t and the sinkage on the m ob ility of exp ress road s w a s d iscu ssed. T he m ethod and re2 su lt s in th is p ap er a re u sefu l to eng ineering app lica t ion s fo r o ther st ructu res.
H
d2z dx 2
+
k (z 0-
z)= 0
(5)
令m 2= H
～
(k
z
2 0
)
,
x
=
x
～
z 0, z 0=
·
z
z 0, 得到
～
m
2
d2z dx 2
+
(1-
～
z)=
0
(6)
～
～
～
z = c1exp (x m ) + c2exp (- x m ) + 1 (7)
式中 c1、c2 ——待定系数
图 4 铰接梁式路面结构力学计算模型 F ig. 4 Structu re m odel fo r p in2jo in ted beam s
F ig. 5 Equ ilib rium of fo rces of the beam un it
根据边界条件, lim z = x →∞
z
0,
lim
x →∞
dz dx
=
0, 得到, c1=
0, c2= - 1, 有
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ta n Α=
dz dx
=
V H
(1)
dH = 0
(2)
dV + p dx = 0
(3)
p = k (z 0- z )
(4)
式中 p ——压力
H ——水平系留力, 膜力 T 的水平分量
V ——膜力 T 的竖向分量
x、z ——水平和竖向坐标
Α—— 膜与水平方向夹角
k ——沙土变形模量 z 0 ——结构沉陷量
p in2jo in ted beam s
等同于挂钩牵引力的概念, 定义挂钩牵引力功 0 为驱动功 5 和阻力功 2 之差。
0= 5- 2
(18)
整理得
0 = kbL
Λ(z 0L
+
2m
z
2 0
)
-
z
2 0
2
(19)
当挂钩牵引力功大于零时, 表明车辆在快速路
面上的通过性良好; 当挂钩牵引力功小于零时, 表明
Key words Exp ress road equ ipm en t s, T erram echan ics, Energy p rincip le
引言
车辆通过性主要研究各种地形条件下车辆能否 顺利通过以及可通行次数。 力学上涉及土壤的力学 特征, 包括承载能力、变形模量和抗剪能力, 同时关 心轮胎与土壤的相互作用。B ekker 学派基于半经验 半理论方法研究车辆通过性问题, 并发展了贝克承 压仪和贝克剪切仪等原位测试仪器;W ES 则基于大 量实验数据, 利用经验公式方法研究车辆通过性问 题, 发展了工兵圆锥仪和相应的评判公式。 20 世纪 90 年代国内对滩涂车辆、圆锥指数和沙漠地带车辆 通过性问题方面展开了研究[1～ 7 ]。