瀝青混合料非連續(xù)力學(xué)計(jì)算模型的研究.pdf

1、近年來，車轍、水損壞和開裂為代表的早期損壞現(xiàn)象由于嚴(yán)重影響到瀝青路面的使用性能而備受關(guān)注。研究表明，這些早期損壞總是在局部區(qū)域首先發(fā)生，然后擴(kuò)展到其他區(qū)域的。為了減少和避免早期損害的發(fā)生，獲得局部區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)是非常必要的。雖然試驗(yàn)方法可以準(zhǔn)確的得出結(jié)果，但由于測(cè)量手段的局限性和影響因素的多樣性，很難得到各種組合情況下的應(yīng)力分布；而連續(xù)力學(xué)方法由于不考慮瀝青混合料的不連續(xù)狀態(tài)，也很難得到細(xì)觀下瀝青膠漿的應(yīng)力分布。非連續(xù)計(jì)算方法正是為了彌

2、補(bǔ)這些方法的不足而提出的。 非連續(xù)計(jì)算方法主要有離散單元法、DDA法以及數(shù)值流形法。文中分析了每種方法的基本原理和優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)考慮到瀝青混合料空隙發(fā)達(dá)、多種材料耦合、顆粒松散、以及大變形等特點(diǎn)，通過比較認(rèn)為：數(shù)值流形法能夠滿足這種計(jì)算的需要。不過基于規(guī)則網(wǎng)格的數(shù)值流形法由于受到網(wǎng)格的限制，在處理材料交界面處的位移協(xié)調(diào)以及特大變形時(shí)還面臨很多困難。為了改進(jìn)這種方法，文中采用Galerkin型無網(wǎng)格法與數(shù)值流形法相結(jié)合來求解瀝青混合

3、料的力學(xué)問題，得到了很好的效果。 文中首先詳細(xì)討論了非連續(xù)計(jì)算面臨的三個(gè)關(guān)鍵性技術(shù)：計(jì)算模型的生成、接觸的判斷與施加，以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式和求解方案。 鑒于無網(wǎng)格和流形法的計(jì)算特點(diǎn)，文中提出了“級(jí)配-基球-預(yù)壓”的瀝青混合料非連續(xù)模型生成方法。并討論了顆粒級(jí)配的控制、顆粒的嵌擠壓密、多面體模型的投放、以及瀝青膠漿的生成等問題。 對(duì)于接觸點(diǎn)的搜索，計(jì)算證明：采用分格檢索和公共平面結(jié)合的方法可以大大提高搜索的效率。另外

4、，為了將無網(wǎng)法融合到數(shù)值流形法中，重新推導(dǎo)了數(shù)值流形法中接觸子陣的形式，并實(shí)現(xiàn)了不同計(jì)算節(jié)點(diǎn)采用不同影響節(jié)點(diǎn)的計(jì)算格式。 通過分析非連續(xù)計(jì)算的剛度矩陣特點(diǎn)，認(rèn)為采用動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)壓縮格式有利于提高剛度子陣的裝配效率和減少數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量。同時(shí)，經(jīng)過計(jì)算表明，當(dāng)方程的階數(shù)不是特別高時(shí)，采用直接求解方法可以保證計(jì)算的精度和速度，當(dāng)階數(shù)很高時(shí)，建議采用帶預(yù)處理的迭代方法。 其次，文中重點(diǎn)探討了無網(wǎng)格流形法的建立和實(shí)現(xiàn)方法，其中包括近似

5、方案的構(gòu)造、離散格式的形成、本質(zhì)邊界的處理和各種子陣的計(jì)算格式等問題。針對(duì)上述形成的瀝青混合料非連續(xù)模型，給出了材料交界面位移協(xié)調(diào)、瀝青膠漿的連接、影響節(jié)點(diǎn)的搜索以及接觸塊體的構(gòu)造等內(nèi)容的處理方法。同時(shí)，通過與有限元的對(duì)比，還討論了無網(wǎng)格流形方法的精度問題。 文章最后對(duì)無網(wǎng)格流形法在瀝青混合料細(xì)觀應(yīng)力分布和空隙水壓力影響等方面的應(yīng)用做了探討。為了和連續(xù)力學(xué)方法方法對(duì)比，還介紹了采用有限元方法進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算的方法。雖然文中的算例較為

6、簡(jiǎn)單，但還是能得出很多有意義的結(jié)論： (1)瀝青混合料的應(yīng)力分布是與骨料和瀝青膠漿的模量的比率密切相關(guān)的。比值越大，骨料的應(yīng)力越集中，而比值越小，骨料和瀝青的應(yīng)力分布越均勻。因此可以通過調(diào)整模量比值促使骨料和瀝青膠漿共同協(xié)調(diào)受力，以最大程度地發(fā)揮它們各自的極限強(qiáng)度。模量比值的減小雖然可以使顆粒內(nèi)受力均勻，但往往會(huì)導(dǎo)致顆粒與顆粒間的應(yīng)力的不均勻分布。 (2)歐拉方程耦合計(jì)算方法中，水是作為固體的附加質(zhì)量參與到受力體系中來的