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、細骨料和瀝青膠漿等組成的多相異質(zhì)復合材料，組成成分力學性質(zhì)差別大，細觀結(jié)構(gòu)也非常復雜，對材料宏觀力學性能有重要影響。因此，建立瀝青混合料包含組成成分和細觀結(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)設計提供指導和參考，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)成的兩相復合材料，在實驗研究基礎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：
　　（1）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)為加載應力、溫度的函數(shù)，由不同溫度和應力下的蠕變實驗確定，經(jīng)過預測值和實驗值的對比，驗證了模型的合理性

3、。進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損傷破壞的彈脆性損傷本構(gòu)模型和損傷演化模型，設計了瀝青砂單軸拉伸實驗，利用聲發(fā)射技術測定了與材料損傷程度對應的事件數(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)細觀斷裂模擬框架。分析了三種不同位置預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?？疾炝祟A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。
　?。?）建立了瀝青混合料半圓彎曲試件的異質(zhì)細觀結(jié)構(gòu)模型，模擬了不同角度預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)果進行比較，驗證了計算模型和方法的可靠性。分析了預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、，預切口角度是更重要的影響因素。
　　（4）建立了瀝青混合料直接拉伸試件的異質(zhì)細觀結(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