Статья 'Моделирование работы и оптимизация параметров жестких дорожных одежд' - журнал 'Кибернетика и программирование' - NotaBene.ru
по
Journal Menu
> Issues > Rubrics > About journal > Authors > About the Journal > Requirements for publication > Council of Editors > Peer-review process > Policy of publication. Aims & Scope. > Article retraction > Ethics > Online First Pre-Publication > Copyright & Licensing Policy > Digital archiving policy > Open Access Policy > Article Processing Charge > Article Identification Policy > Plagiarism check policy
Journals in science databases
About the Journal

MAIN PAGE > Back to contents
Cybernetics and programming
Reference:

Simulation and Optimization of Rigid Pavement Parameters

Kolesnikov Aleksandr Georgievich

PhD in Technical Science

Associate Professor, Department of Urban, Road Construction and Structural Mechanics, Southwestern State University

305054, Russia, Kurskaya Oblast' oblast', g. Kursk, ul. 50 Let Oktyabrya, 94

ag-kolesnikov@mail.ru
Other publications by this author
 

 

DOI:

10.25136/2644-5522.2017.5.24448

Received:

16-10-2017


Published:

30-10-2017


Abstract: The subject of the research is the simulation model of pavements in the form of multilayered construction on the rigid (elastic) base. In his research Kolesnikov pays special attention to the simulation of rigid pavement physical behavior as a set of equations that reflect changes in stress-deformed state of such constructions. The equation system takes into account geometric nonlinearity of the construction material and gives an opportunity to analyse the influence of various parameters on the stress and displacement indicators. Boundary conditions have been chosen to satisfy various types of description. The author has shown an opportunity to optimize geometrical parameters of the constructino and to achieve minimization of weight and volume of consumable material. Nonlinear equations that model the construction behavior were solved using the Bubnov-Galerkin method. The author has used such optimization criteria as the construction shape and thickness and features of the elastic base. The novelty of the research is caused by the fact that the author offers a simulation of the rigid pavement surface formed as a shallow shell on the elastic base with a slight chamber of arch in the middle. This makes the task more compolicated, however, it also allows to consider more real conditions of work. The task to optimize parameters and the solutions offered by the author will allow to significantly minimize the weight and to reduce the stress on the construction. 


Keywords:

construction simulation, optimization, gradient descent, random search, method of , geometric nonlinearity, elastic base, optimal shape, road clothes, objective function

This article written in Russian. You can find original text of the article here .

Введение

Конструкции в виде плит на упругом основании нашли широкое применение в качестве фундаментов зданий и сооружений, а также как конструкции жестких дорожных одежд. Для последних целесообразно использование тонких пологих оболочек, имеющих определенную стрелу подъема в центре. Это позволит обеспечить необходимый поперечный уклон на стадии изготовления, а также снизить затраты материала за счет лучшей работы таких конструкций. Ещё большего эффекта можно достичь, оптимизируя форму пологих оболочек на упругом основании и характеристики самого упругого основания, а учет геометрической нелинейности материала позволит приблизить расчетную модель к реальной работе конструкции.

Моделирование работы жестких дорожных одежд.

Пологая оболочка на прямоугольном плане на упругом основании с любым отношением сторон в плане, загруженная вертикальной нагрузкой, может быть описана системой уравнений [1-3]:

(1)

Где

φ – функция нагрузки, w – функция прогибов.

F = F(x, y) - функция срединной поверхности, Z – функция нагрузки, k – характеристика, определяющая работу упругого основания на сжатие, t - характеристика, определяющая работу упругого основания на сдвиг.

Где

Еосн и νосн- соответственно модуль упругости и коэффициент Пуассона основания, Н – толщина основания, Ψ (z) - функция поперечного распределения перемещений.

Функция поперечного распределения перемещений может быть выбрана следующего вида:

. (2)

Где

γ - коэффициент, характеризующий быстроту затухания осадок в глубине основания.

Несмотря на то, что рассматриваются пологие оболочки, для которых прежде всего характерна потеря устойчивости, целесообразнее рассматривать потерю прочности конструкции, так как это лучше соответствует именно покрытиям жестких дорожных одежд.

Напряжения, возникающие в срединной поверхности покрытия жесткой дорожной одежды σ, могут быть описаны через систему (1) и балочные функции Zx, Zy [4]:

(3)

где

, (4)

(5)

D – жесткость конструкции покрытия дорожной одежды,

ν – коэффициент Пуассона материала покрытия,

g – отношение стрелы подъема конструкции покрытия к меньшему размеру в плане,

B – неизвестное метода Бубнова-Галеркина, получаемое решением уравнения (1).

Запись уравнений в общем виде позволяет исследовать функции напряжений и ставить задачи оптимизации. На рисунках 1 и 2 показаны графики изменения напряжений в срединной поверхности оболочки от параметров конструкции.

Рисунок 1 - Изменение напряжений в центре оболочки на упругом основании в зависимости от параметра формы

Рисунок 2 - Изменение напряжений в центре оболочки на упругом основании в зависимости от относительной толщины h

Можно проследить закономерности изменения функции напряжений от основных параметров – параметра формы (рис.1) и относительной толщины h (рис. 2) при любых типах опирания. Графики показывают, что существуют такие сочетания параметров h и , при которых можно отыскать оптимальное соотношение напряжений и объема (веса) конструкции [5, 6].

Оптимизация параметров жестких дорожных одежд.

Имея выражение для нахождения напряжений в срединной поверхности покрытия и его объема, можно поставить задачу определения оптимальной формы срединной поверхности и толщины для минимизации объема материала [7, 8] с ограничениями значений напряжений:

(6)

или минимизации напряжений в срединной поверхности конструкции:

(7)

Для решения задач оптимизации использовался алгоритм, основанный на модификации одного из методов случайного поиска, включающего в себя комбинацию градиентного и случайного поиска, а так же метод "оврагов" [9 - 11].

В задачах оптимизации формы покрытий жестких дорожных одежд минимального объема при заданном значении напряжений, экономия объема (веса) составляет до 20% по сравнению с плоскими конструкциями.

В задачах оптимизации формы покрытий жестких дорожных одежд, имеющих минимальные напряжения при заданной величине объема, уменьшение напряжений составляет до 15%.

Заключение

Разработанная методика моделирования конструкции жесткой дорожной одежды в виде пологой оболочки на упругом основании позволяет проводить расчет таких конструкций, а также исследовать закономерности изменения напряженно-деформированного состояния от различных факторов. Применение алгоритма оптимизации параметров дает возможность выявить экономию материала конструкции или резервы несущей способности.

Работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ № МК-9203.2016.8

References
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
Link to this article

You can simply select and copy link from below text field.


Other our sites:
Official Website of NOTA BENE / Aurora Group s.r.o.