瀝青混合料損傷本構(gòu)模型與損傷斷裂行為數(shù)值模擬.pdf

1、瀝青混合料是由粗、細(xì)骨料和瀝青膠漿等組成的多相異質(zhì)復(fù)合材料，組成成分力學(xué)性質(zhì)差別大，細(xì)觀結(jié)構(gòu)也非常復(fù)雜，對材料宏觀力學(xué)性能有重要影響。因此，建立瀝青混合料包含組成成分和細(xì)觀結(jié)構(gòu)信息的計算模型，研究包含損傷發(fā)生發(fā)展、裂紋萌生和擴展的斷裂行為和規(guī)律，為路面材料優(yōu)化和結(jié)構(gòu)設(shè)計提供指導(dǎo)和參考，具有重要的理論和工程實際意義。論文將瀝青混合料看作瀝青砂和粗骨料構(gòu)成的兩相復(fù)合材料，在實驗研究基礎(chǔ)上建立了瀝青砂在不同載荷和溫度條件下的損傷本構(gòu)模型，采用

2、隨機投放算法建立了瀝青混合料兩相異質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，數(shù)值模擬了三點彎曲試件、半圓彎曲試件和直接拉伸試件中損傷發(fā)生發(fā)展和裂紋擴展過程，討論了影響裂紋擴展的一些主要因素，分析了損傷斷裂的內(nèi)在機制。主要的創(chuàng)新性研究工作包括：
　?。?）在Burgers模型中引入粘塑性模型和損傷參數(shù)，建立了適合描述瀝青砂高溫蠕變的粘彈塑性損傷本構(gòu)模型。模型參數(shù)為加載應(yīng)力、溫度的函數(shù)，由不同溫度和應(yīng)力下的蠕變實驗確定，經(jīng)過預(yù)測值和實驗值的對比，驗證了模型的合理性

3、。進(jìn)一步分析了瀝青砂變形和損傷演化過程，發(fā)現(xiàn)隨著溫度和應(yīng)力的增加，永久變形和損傷的增長表現(xiàn)為先慢后快，而且主要集中在蠕變第三階段。提出了適合描述瀝青混合料低溫?fù)p傷破壞的彈脆性損傷本構(gòu)模型和損傷演化模型，設(shè)計了瀝青砂單軸拉伸實驗，利用聲發(fā)射技術(shù)測定了與材料損傷程度對應(yīng)的事件數(shù)，得到了損傷演化模型參數(shù)。編制了損傷的有限元數(shù)值迭代計算格式。分別采用最大損傷和最大損傷梯度建立了斷裂準(zhǔn)則和裂紋擴展方向判據(jù)。
　?。?）借助骨料隨機生成和投放

4、的參數(shù)化建模方法，創(chuàng)建了能反映組分和細(xì)觀結(jié)構(gòu)特點的瀝青混合料二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，提出了低溫下瀝青混合料損傷演化和斷裂行為的異質(zhì)細(xì)觀斷裂模擬框架。分析了三種不同位置預(yù)切口三點彎曲梁的損傷破壞行為，得到了載荷位移曲線、斷裂路徑和裂紋尖端損傷分布，比較了計算結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)，證明了計算模型和方法的可行性。考察了預(yù)切口位置與骨料分布對整體損傷斷裂行為的影響，發(fā)現(xiàn)預(yù)切口位置是主要影響因素，決定著斷裂路徑整體走向，骨料分布也有一定的影響，可以改變斷裂路

5、徑的局部走向。
　　（3）建立了瀝青混合料半圓彎曲試件的異質(zhì)細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型，模擬了不同角度預(yù)切口半圓彎曲試件的損傷斷裂行為。通過將計算得到的裂紋擴展路徑和載荷位移曲線與半圓彎曲實驗結(jié)果進(jìn)行比較，驗證了計算模型和方法的可靠性。分析了預(yù)切口角度與骨料分布對瀝青混合料開裂路徑和損傷分布的影響，結(jié)果表明預(yù)切口角度越大，高損傷區(qū)域的損傷梯度方向與中心線夾角越大，裂紋初始擴展路徑的彎折程度越大，載荷位移曲線的載荷峰值也越大。因此，和骨料分布相比

6、，預(yù)切口角度是更重要的影響因素。
　?。?）建立了瀝青混合料直接拉伸試件的異質(zhì)細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型，模擬了直接拉伸載荷作用下試件的損傷斷裂行為。將計算得到的載荷位移曲線與直接拉伸實驗結(jié)果進(jìn)行了對比，證明了模型和方法的可靠性。考察了主裂紋形成的形態(tài)以及骨料分布對混合料直接拉伸損傷破壞行為的影響。研究發(fā)現(xiàn)，直接拉伸試件斷裂的主裂紋形態(tài)有兩種，一種為單主裂紋形態(tài)，另一種為雙主裂紋形態(tài)。與單主裂紋形態(tài)相比較，雙主裂紋形態(tài)的高損傷區(qū)域面積更大，消耗