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文檔簡介
1、隨著我國社會經(jīng)濟的不斷進步,公路交通基礎設施建設得到了前所未有的發(fā)展。然而由于我國公路建設起步較晚,路面設計和分析技術薄弱,導致瀝青路面出現(xiàn)了嚴重的車轍、裂縫和水損壞等病害現(xiàn)象,這不僅對社會產(chǎn)生了不良影響,在經(jīng)濟上也造成了巨大損失。瀝青材料具有復雜的與時間依賴性力學行為,通過非線性固體力學理論對瀝青路面行為進行建模和預估已成為道路工程研究領域的重點和難點。本文通過引入粘彈-粘塑性理論,建立反映與時間依賴性的瀝青混合料本構模型,實現(xiàn)基于粘
2、彈-粘塑性本構模型的有限元計算,進而對瀝青路面力學行為進行數(shù)值模擬和預估模型建立。本文的研究工作促進了力學模型在路面結構分析和壽命預估中的分析應用,具有較高的理論意義和工程應用價值。本論文開展了如下工作:
(1)在廣泛收集國內(nèi)外相關研究文獻的基礎上,分析瀝青路面與時間相關力學行為的規(guī)律,建立了基于廣義Maxwell模型和粘塑性理論的串聯(lián)型粘彈-粘塑性本構方程,利用彈簧、阻尼和滑塊等元件進行描述,將瀝青混合料可恢復變形和不可
3、恢復變形有機地結合起來,同時根據(jù)模型組成特性,對模型參數(shù)的敏感性進行了分析和研究。
(2)選定粘彈性粘性應變、粘塑性應變、運動硬化和等向硬化量作為材料系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)變量,構建包含材料內(nèi)變量的Helmholtz自由能函數(shù)和反映系統(tǒng)耗散的耗散勢函數(shù),依據(jù)模型構建的串聯(lián)特性,通過Ziegler正交法則、熱力學勢函數(shù)的正交理論和勒讓德變換,推導了三維粘彈-粘塑性本構模型的流動方程以及內(nèi)變量演化方程,構建了粘彈-粘塑性本構模型的熱力
4、學理論框架。
(3)利用廣義Maxwell模型粘彈性時域和頻域力學參數(shù)的互換關系式,采用參數(shù)配置法獲取粘彈性松弛模量的Prony材料參數(shù),提出了基于Tikhonov正則化方法解決松弛模量和蠕變?nèi)岫然Q關系式的數(shù)值解法。結合室內(nèi)蠕變試驗和粘彈性計算蠕變?nèi)岫鹊贸稣乘苄宰冃危谜乘苄员緲嫹匠痰碾[式構成特點,運用NDF法和多維單純形法解決了粘塑性力學模型參數(shù)擬合問題。本文提出的粘塑性模型能較好地反映粘塑性永久應變率的演化規(guī)律,擬
5、合曲線與試驗數(shù)據(jù)結果曲線有很好的一致性,且參數(shù)特性明確,參數(shù)獲取方法有效且穩(wěn)定。
(4)將三維廣義Maxwell粘彈性本構方程利用卷積方程進行表示,采用經(jīng)典的梯形方法對粘彈性本構方程進行數(shù)值積分展開。在數(shù)值積分過程中利用Prony級數(shù)的特性,推導出卷積方程的遞推公式,結合彈性材料本構方程表達方式,建立已知應變增量條件下的更新應力張量表達式,并推導出整體迭代過程中所需的粘彈性剛度矩陣。利用增量應變條件下計算嘗試應力判斷材料是
6、否進入屈服狀態(tài),基于徑向回退算法的全隱式積分方法計算子步條件下相應的增量變量,推導出粘塑性增量應變、屈服應力增量和運動硬化增量,更新增量步的應力狀態(tài)變量。依據(jù)理論公式編制了能夠在ABAQUS有限元軟件中調(diào)用的粘彈-粘塑性模型UMAT子程序,并進行相關驗證。
(5)利用本文開發(fā)的材料子程序,進行瀝青路面力學行為的有限元模擬和分析。根據(jù)重載交通調(diào)查分析,進行重載瀝青路面永久變形計算分析,同時依據(jù)輪胎荷載的非均勻性,對非均布荷載
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