一种新型声子晶体减速路面结构

1.本发明涉及道路工程领域，尤其是涉及一种新型声子晶体减速路面结构。


背景技术：

2.受地形、地质、水文等条件制约，山区高速公路普遍存在长大纵坡、急弯、连续隧道等危险路段。为保证行车安全，驾驶员会经常制动以降低行驶速度，同时也带来了制动毂温度升高，刹车系统可能失灵的问题。上述路段交通事故率高于平均水平，且重、特大交通事故多发，给公众生命财产安全造成严重危害。
3.现有的避险车道采用松散的砂石材料，该材料主要存在以下问题：易受破坏，车辆陷入后无法自行驶出；对轮胎磨损较大；阻力系数不够大，对避险车道长度有很大要求。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种新型声子晶体减速路面结构，该路面结构采用基板和声子晶体薄板交替叠加组成，基于声子晶体的带隙减振特性，可以有效解决砂石减速路面对车辆的损害问题，并对避险车辆进行有效的制动。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种新型声子晶体减速路面结构，包括基板，所述新型声子晶体减速路面结构还包括声子晶体薄板，所述基板与声子晶体薄板交替叠加，所述新型声子晶体减速路面结构的两侧均为基板，所述新型声子晶体减速路面结构用于安装在地面上，一侧的基板用于供车辆行驶。
7.进一步地，所述基板的数量为5块，所述声子晶体薄板的数量为4块。
8.进一步地，各个所述基板均为实心橡胶板，且厚度相同，均在18
‑
22mm范围以内。
9.进一步地，各个所述基板的硬度、弹性模量和泊松比均相同，基板的弹性模量均在1.7
‑
1.8mpa范围以内，基板的泊松比均在0.18
‑
0.22范围以内。
10.进一步地，所述声子晶体薄板为橡胶板，且厚度相同，均在18
‑
22mm范围以内。
11.进一步地，所述声子晶体薄板上按规律排布有多个柱状空心小孔。
12.进一步地，所述所述柱状空心小孔为圆柱体空心小孔，该圆柱体空心小孔的直径在35
‑
45mm范围以内，相邻两个圆柱体空心小孔的圆心距在45
‑
55mm范围以内。
13.进一步地，各个所述声子晶体薄板的硬度和柱状空心小孔的排布方式均相同。
14.进一步地，各个所述声子晶体薄板的弹性模量和泊松比均相同，声子晶体薄板的弹性模量均在1.7
‑
1.8mpa范围以内，声子晶体薄板的泊松比均在0.18
‑
0.22范围以内。
15.进一步地，5块基板和4块声子晶体薄板的硬度均相同。
16.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
17.(1)利用声子晶体结构的带隙特性对行驶车辆进行减振消能，能够对在其上行驶的避险车辆起到有效的制动作用。
18.(2)与使用砂石材料的避险车道相比，本发明的声子晶体减速路面表面平整，对轮
胎磨损较小，且能够把对车辆的损害降到最低。
19.(3)本发明的声子晶体减速路面结构平整，保证了整个路面的稳定性，从而提高了驾驶员及乘客的舒适性。
附图说明
20.图1为本发明实施例中提供的一种新型声子晶体减速路面结构示意图；
21.图2为图1中的基板示意图；
22.图3为图1中的声子晶体薄板示意图；
23.图4为本发明实施例中的新型声子晶体减速路面结构数值模拟示意图；
24.图5为本发明实施例中使用基板代替声子晶体薄板的普通路面结构数值模拟示意图；
25.图6为数值模拟用钢球示意图；
26.图7为网格划分模型示意图；
27.图8为钢球运动过程示意图；
28.图9为声子晶体减速路面结构和普通路面结构上的钢球运动速度示意图。
具体实施方式
29.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
30.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
32.实施例1
33.声子晶体是体弹模量和质量密度周期性调制的人工结构复合材料，它由阻抗失配较大的背景材料和周期性单元共同构成，由于周期性的布拉格散射以及局域性的单体米氏散射，弹性波经周期性介质散射后，某些频率的弹性波会因为破坏性干涉而呈指数衰减，无法在系统内传播，于是在频谱上形成带隙，通常称为声子频率带隙。根据声子晶体带隙的基本性质——当声波(弹性波)的频率处于禁带范围内时，声波(弹性波)及振动是不允许通过的，根据这些性质，可以设计和制造出一种基于这种新理论的隔振消能材料。
34.如图1
‑
3所示，本实施例提供一种新型声子晶体减速路面结构，包括基板1，新型声子晶体减速路面结构还包括声子晶体薄板2，基板1与声子晶体薄板2交替叠加，新型声子晶体减速路面结构的两侧均为基板1，新型声子晶体减速路面结构用于安装在地面上，一侧的基板1用于供车辆行驶。
35.本实施例提供了一种最优配置的新型声子晶体减速路面结构，由5块基板1和4块
声子晶体薄板2依次叠加组成，厚度为180mm。
36.5块基板1均为实心橡胶板，厚度均为20mm，且具有相同的硬度，弹性模量均为1.712mpa，泊松比均为0.2。
37.4块声子晶体薄板2均为橡胶板，厚度均为20mm。声子晶体薄板2上规律排布直径为40mm的圆柱体空心小孔201，相邻两个小孔的圆心距为50mm，本实施例中各圆柱体空心小孔201按方阵式布置。4块声子晶体薄板2硬度及圆柱体空心小孔201排布方式均相同，4块声子晶体薄板2的弹性模量均为1.712mpa，泊松比均为0.2。
38.为了比较本发明的声子晶体减速路面结构与普通路面结构的减速效果，对两种路面的减速情况进行数值模拟。两种路面的模型建立如图4和图5所示。声子晶体减速路面结构由5块基板与4块声子晶体薄板依次叠加组成，而普通路面结构由9块基板叠加组成，基板和声子晶体薄板的材料参数完全相同。
39.使用钢球作为简化模拟车辆在路面上的行驶情况，钢球建模如图6所示。仿真所用钢球的弹性模量和泊松比分别为210gpa和0.3，重量为5kg。由于本次的分析对象为路面结构，所以在模拟过程中只对钢球的运动状态进行分析，而无需考虑其内部的应力应变状态，故通过rigid body约束将钢球设置为刚性体，其球心作为参考点；为了更好地模拟实际情况，在模型中路面结构层与层之间采用“tie”绑定约束，绑定区域不发生相对运动和变形，即层间应力应变均连续；为模拟钢球在路面结构表面的滚动，将钢球与路的上表面间设置为“面
‑
面”接触，接触算法为罚函数算法，选用罚函数摩擦模型，摩擦系数依据材料属性设为0.5。
40.采用四面体单元对小球和路面结构进行自由网格划分，划分后的小球和路面结构的模型如图7所示。
41.钢球运动过程如图8所示。在本模型中钢球为自由滚动状态，没有外力荷载的作用，因此在分析过程中仅给钢球施加了竖直方向上的重力加速度(10m/s2)。在减速材料底部设置全自由度约束，四周为自由边界状态；在模拟过程中设置了两个分析步，其中step
‑
1设置为0.2s，在此过程中给钢球施加速度边界条件，使其做0.5m/s的匀速运动。在step
‑
2中撤去钢球的速度边界条件，使其进入自由滚动状态，模拟钢球在减速段上的减速过程。
42.在普通路面结构和声子晶体减速路面结构上钢球运动时的质心水平运动速度
‑
时间函数如图9所示。可以看出，钢球在声子晶体结构上运动时水平方向速度降低幅度明显，从起初的0.5m/s降低至0.42m/s，而在普通减速材料上运动时速度只降低至0.47m/s。对两条曲线分别进行积分，计算钢球在两种路面上以0.5m/s的初速度运动时2s内的运动距离。结果显示，钢球在声子晶体减速路面上的减速距离为0.87m，而在普通路面上的减速距离为0.97m。根据数值模拟的结果，本实施例的新型声子晶体减速路面结构比普通路面结构的减速效果提升了10％。
43.对本实施例的新型声子晶体减速路面结构与普通路面结构的减速效果进行了实验，将重5kg钢球从0.3米高处的滑轨落下，进入1.2米的减速路面段范围内。最终实验结果显示，钢球在普通路面的减速距离为1.0m，而在本发明提出的声子晶体路面结构上的减速距离为0.91m，这也与数值模拟的结果吻合。由此可得，该发明的新型声子晶体减速路面结构比普通路面结构的减速效果提升了约10％。
44.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无
需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。