基于粘彈—粘塑性理論的瀝青路面力學(xué)行為研究.pdf

1、隨著我國社會經(jīng)濟的不斷進步，公路交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)得到了前所未有的發(fā)展。然而由于我國公路建設(shè)起步較晚，路面設(shè)計和分析技術(shù)薄弱，導(dǎo)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(fù)雜的與時間依賴性力學(xué)行為，通過非線性固體力學(xué)理論對瀝青路面行為進行建模和預(yù)估已成為道路工程研究領(lǐng)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(gòu)模型，實現(xiàn)基于粘

2、彈-粘塑性本構(gòu)模型的有限元計算，進而對瀝青路面力學(xué)行為進行數(shù)值模擬和預(yù)估模型建立。本文的研究工作促進了力學(xué)模型在路面結(jié)構(gòu)分析和壽命預(yù)估中的分析應(yīng)用，具有較高的理論意義和工程應(yīng)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(guān)研究文獻的基礎(chǔ)上，分析瀝青路面與時間相關(guān)力學(xué)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(gòu)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(fù)變形和不可

3、恢復(fù)變形有機地結(jié)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(yīng)變、粘塑性應(yīng)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(gòu)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(gòu)建的串聯(lián)特性，通過Ziegler正交法則、熱力學(xué)勢函數(shù)的正交理論和勒讓德變換，推導(dǎo)了三維粘彈-粘塑性本構(gòu)模型的流動方程以及內(nèi)變量演化方程，構(gòu)建了粘彈-粘塑性本構(gòu)模型的熱力

4、學(xué)理論框架。
　　 (3)利用廣義Maxwell模型粘彈性時域和頻域力學(xué)參數(shù)的互換關(guān)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(guān)系式的數(shù)值解法。結(jié)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?，利用粘塑性本?gòu)方程的隱式構(gòu)成特點，運用NDF法和多維單純形法解決了粘塑性力學(xué)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(yīng)變率的演化規(guī)律，擬

5、合曲線與試驗數(shù)據(jù)結(jié)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(gòu)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(gòu)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(dǎo)出卷積方程的遞推公式，結(jié)合彈性材料本構(gòu)方程表達方式，建立已知應(yīng)變增量條件下的更新應(yīng)力張量表達式，并推導(dǎo)出整體迭代過程中所需的粘彈性剛度矩陣。利用增量應(yīng)變條件下計算嘗試應(yīng)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(yīng)的增量變量，推導(dǎo)出粘塑性增量應(yīng)變、屈服應(yīng)力增量和運動硬化增量，更新增量步的應(yīng)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(guān)驗證。
　　 (5)利用本文開發(fā)的材料子程序，進行瀝青路面力學(xué)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