垂直振动压路机的压实仿真与路基压实状态分析

摘要：基于对垂直振动压实技术的特点的分析，阐述了垂直振动压实仿真的理论原理，利用虚拟样机技术模拟垂直振动压路机的振动压实试验，测量振动轮在碾压代表不同压实度路基模型时的垂直振动加速度幅值，为建立振动轮动态响应和路基压实度之间的关系提供了一种仿真方法。

关键词：垂直振动压实；仿真；模拟

中图分类号：U415.52+1 文献标识码：A 文章编号：

根据对目前压实度检测系统的研究，要实现振动压路机对压实度的实时检测技术一般需要利用压路机振动轮的某一动态响应值来间接反映路基压实度的变化。此次仿真研究的目的就是利用虚拟样机技术模拟垂直振动压路机的振动压实试验，测量振动轮在碾压代表不同压实度路基模型时的垂直振动加速度幅值，为建立路基压实度和振动轮加速度幅值之间的对应关系提供数据支持。

1 垂直振动压实技术的特点

（1）垂直振动压路机的振动轮在激振机构的带动下产生的垂直方向上的定向振动，对被压实材料不会产生水平方向上的干扰力。垂直振动压路机施工过程中不会在振动轮的行驶方向上产出拥土，道路的表面没有松散层和裂纹出现，因此避免了传统振动压实之后还需要使用静碾压路机进行碾压的施工环节，施工效率在同等条件下提高了 3 倍。

（2）垂直振动压实之后，得到的铺层材料压实度均匀，质量稳定，密封性好。垂直振动还能够确保沥青和骨料混合物具有更好的均匀性和良好的道路表面粗糙度。

（3）垂直振动压路机适用于各种压实材料及工况，广泛应用于砂土、土石填方、沥青混合料以及水泥混凝土的混合料，其作业时的击实能量沿道路的表面垂直向下传递，具有很小的道路表面波动，因此施工过程中对周围的环境影响较小，具有一定的环保意义。

2垂直振动压实仿真的理论分析

垂直振动压路机压实路基数学模型的建立是基于以下假设的：

（1）振动压路机的减振系统和随振的压实材料被认为是弹簧—阻尼单元，而且弹簧--阻尼认为是没有质量的；

（2）假设垂直振动压路机的振动轮和所有相关的机架均为刚性体，而且将它们看成是具有一定质量的集中质量块；

垂直振动压路机在高频低幅或者低频高幅下进行工作时，其它机械参数是不变的，只有路基材料的结构和物理性质发生变化，从振动轮垂直振动加速度的推导结果也可以看出压路机在工作时振动轮的垂直加速度和代表压实材料的刚度和阻尼有关。

振动轮在压实过程中的动力学响应与被压实材料的压实度有着紧密的联系，振动轮在垂直方向的振动加速度响应和压实材料的刚度正相关，与阻尼负相关。随着压实度的增加，代表压实材料的刚度增大，阻尼减小，因此垂直振动压路机振动轮的垂直振动加速度和压实度是正相关的，而且这种规律具有普遍性不因为被压实材料的改变而不同。因此，在ADAMS 利用虚拟样机模拟振动压实试验，以测量振动轮垂直振动加速度的基频幅值来反映压实材料的压实度是可行的。

3垂直振动压路机的压实仿真模拟

在垂直振动压路机的施工过程中，压实材料的物理特性是不断变化的，而在仿真环境下压实材料的这种变化是通过材料本构模型物理参数的改变来描述的。振动压实系统动力学模型中的刚度和阻尼只是压实材料的模拟参数，其数值是大都是通过经验来确定，不能通过土工试验来测定，在描述压实材料的物理性能上存在很多的不足。而在 ANSYS 中以本构模型为理论基础建立起的路基仿真模型更接近于路基真实的物理性能。

通过改变路基材料在不同压实度下本构模型中物理参数的值建立起同种路基材料的不同仿真模型，构成多组振动压实仿真模型模拟实际的振动压实试验。每一组模型完成一次仿真之后即可获得在不同压实度下的振动轮垂直振动加速度，通过幅频变换得到其在基频下的加速度幅值。垂直振动压路机的虚拟样机工作参数为振幅 2mm，激振频率为 29Hz，行走速度为 3km/s。某路基材料不同压实度下本构模型的基本物理参数如表 1 所示。

表1 路基材料的基本物理参数

利用 ADAMS/View 的后处理模块采集垂直振动压路机的虚拟样机在碾压压实度为67%的路基模型时振动轮的垂直振动加速度信号波形如图 1~图 2 所示。

图 1 碾压压实度为 67%的路基模型时振动轮垂直振动加速度信号

图 2振动轮垂直振动加速度信号的频谱图

从振动轮加速度信号的波形图可以看出：随着路基模型压实度的不断增加，振动轮的垂直振动加速度信号的幅值也在不断增大，这与理论分析和相关文献的论述是相符合的；从图 5-8 振动轮垂直振动加速度信号的频谱图可知读取振动轮振动的基频为 29Hz，这与振动轮的激振频率是一致的，说明 ADAMS/View的后处理模块能对虚拟振动压实的振动信号进行准确的采集，所建立的仿真系统也是可行的，采集的仿真数据具有一定的研究价值。

4 垂直振动压路机的路基压实状态分析

垂直振动压路机在代表不同压实度的路基模型上进行振动碾压时其振动轮将会有不同垂直振动加速度响应。表2为垂直振动压路机虚拟样机在碾压不同压实度路基模型时获取的振动轮垂直振动加速度信号在基频下的响应幅值。利用基频下振动轮垂直振动加速度的幅值对路基模型的压实度进行标定50，从而实现利用振动轮的动态响应来反推路基压实度的目的。

表2 不同压实度下振动轮垂直振动加速度的幅值

图6 为振动轮的垂直振动加速度和路基压实度之间的对应关系，振动轮垂直振动加速度在基频下的幅值和路基压实度之间通过数据拟合建立起的线性关系式为：

Y=2.617x-65.821；R2=0.9731 （1）

式中：y—路基压实度；x—振动轮垂直振动加速度幅值；R—相关系数。

这种检测方法实现了对路基压实度更全面的检测，能够更好的控制施工质量，随时发现被压实路段存在的缺陷，避免了人工检测工作量大和测点不足容易出现漏检的问题。

5结束语

论文实现了垂直振动压路机压实路基的仿真过程，测得了振动压路机的振动轮在碾压不同压实度的路基模型时在垂直方向上的振动加速度，并根据数学模型计算的结论建立起了振动轮垂直振动加速度和路基模型压实度之间的线性关系式，为建立振动轮动态响应和路基压实度之间的关系提供了一种仿真方法。

参考文献

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