瀝青路面多尺度力學(xué)分析方法及模型研究.pdf

1、瀝青路面結(jié)構(gòu)的破損行為是道路工程領(lǐng)域最為重要和熱點(diǎn)的問(wèn)題，為能夠合理、準(zhǔn)確地分析瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)的破壞行為，需要借助力學(xué)理論方法對(duì)路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)行為分析，并利用完善的多尺度破壞理論來(lái)判斷瀝青材料破壞行為的始末。本論文圍繞上述問(wèn)題開(kāi)展了路面結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)力學(xué)參數(shù)理論分析和確定、瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的研究和瀝青混凝土材料多尺度破壞行為的研究。研究的主要內(nèi)容如下：
　　利用復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)理論推導(dǎo)了瀝青混凝土動(dòng)態(tài)模量的解析方

2、法，比較了自洽方法與廣義自洽方法在求解瀝青混凝土材料動(dòng)態(tài)模量時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)廣義自洽方法更適于計(jì)算瀝青混凝土動(dòng)態(tài)模量。提出并推導(dǎo)得到了一種考慮瀝青混合料級(jí)配特性的動(dòng)態(tài)模量求解方法，并與試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證了此模型的精度，發(fā)現(xiàn)其在趨勢(shì)上與試驗(yàn)結(jié)果很接近，但是在數(shù)值結(jié)果上存在較大誤差。進(jìn)而提出一種修正的能夠考慮級(jí)配特性的Hashion模型來(lái)計(jì)算瀝青混凝土的動(dòng)態(tài)模量，發(fā)現(xiàn)這一方法具有較好的預(yù)測(cè)精度?；谏鲜龇椒▽r青混凝土中的空隙采用裂紋廣義自洽方法

3、進(jìn)行模擬，計(jì)算結(jié)果整體上略大于試驗(yàn)值。但是上述兩種方法為解析求解瀝青混凝土動(dòng)態(tài)模量提供了近似的上下限。
　　基于MATLAB軟件平臺(tái)，結(jié)合ABAQUS、ANSYS、PYTHON和FORTRAN建立了瀝青混凝土幾何建模-有限元網(wǎng)格劃分-動(dòng)態(tài)模量求解-后處理分析統(tǒng)計(jì)等一體化程序。利用這一程序研究不同骨料空間組成的瀝青混凝土材料動(dòng)態(tài)模量數(shù)值，發(fā)現(xiàn)計(jì)算的結(jié)果涵蓋的區(qū)間與試驗(yàn)結(jié)果接近，從而證明了瀝青混凝土動(dòng)態(tài)模量為一個(gè)統(tǒng)計(jì)參量，其具有均值和

4、方差特征。建立了不同尺寸下瀝青混凝土動(dòng)態(tài)模量求解的有限元模型，并通過(guò)近50000次的計(jì)算得到了瀝青混凝土動(dòng)態(tài)模量均值與方差變化特征與瀝青混凝土動(dòng)態(tài)模量試件尺寸之間的關(guān)系，并基于上述分析建立了瀝青混凝土動(dòng)態(tài)模量統(tǒng)計(jì)學(xué)模型。
　　利用有限元方法建立不同種類(lèi)（全鋼性和半鋼性）與不同花紋類(lèi)型的輪胎三維有限元模型，并分析了輪胎接地壓力的分布情況，為了解與輪胎直接作用部分的路面結(jié)構(gòu)力學(xué)行為提供了借鑒。此外在分析中發(fā)現(xiàn)全鋼性子午線(xiàn)輪胎模型的接地

5、壓力在載荷等級(jí)達(dá)到一定程度后會(huì)隨著載荷等級(jí)的增加而只增加縱向接觸長(zhǎng)度。
　　給出了一種路面平整度隨機(jī)生成和建模的程序，利用其實(shí)現(xiàn)路面在含平整度激勵(lì)的剛性路面上輪胎滾動(dòng)過(guò)程模擬，計(jì)算得到了輪胎中心位置的豎向位移時(shí)程變化曲線(xiàn)。基于顯式與隱式交互插值技術(shù)完成了輪胎-路面耦合動(dòng)力學(xué)模型，并用此模型分析和計(jì)算了路面結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。此外為節(jié)省計(jì)算成本，本文還開(kāi)發(fā)了一種路面結(jié)構(gòu)過(guò)渡網(wǎng)格基元來(lái)完成路面的三維有限元建模。基于Hertz接觸理論建立

6、了車(chē)輛-輪胎-路面耦合分析動(dòng)力學(xué)模型并用試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，取得了非常理想的結(jié)果。利用子模型計(jì)算完成了路面多尺度動(dòng)力響應(yīng)分析，并對(duì)瀝青混凝土材料為瀝青膠漿和石料兩相材料時(shí)的情況進(jìn)行了多極化分析。
　　基于面積加權(quán)非局部化理論和塑性損傷耦合理論建立了能夠描述非局部化變形帶的本構(gòu)模型。該模型避免網(wǎng)格敏感?；诟唠A梯度理論模擬了瀝青混凝土材料可能存在的尺寸效應(yīng)，并初步解釋了瀝青內(nèi)部夾雜石料情況下可能出現(xiàn)的尺寸硬化現(xiàn)象?；跀U(kuò)展有限元方法分析了