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(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)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(guó)公路建設(shè)起步較晚，路面設(shè)計(jì)和分析技術(shù)薄弱，導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)了嚴(yán)重的車轍、裂縫和水損壞等病害現(xiàn)象，這不僅對(duì)社會(huì)產(chǎn)生了不良影響，在經(jīng)濟(jì)上也造成了巨大損失。瀝青材料具有復(fù)雜的與時(shí)間依賴性力學(xué)行為，通過(guò)非線性固體力學(xué)理論對(duì)瀝青路面行為進(jìn)行建模和預(yù)估已成為道路工程研究領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文通過(guò)引入粘彈-粘塑性理論，建立反映與時(shí)間依賴性的瀝青混合料本構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)基于粘

2、彈-粘塑性本構(gòu)模型的有限元計(jì)算，進(jìn)而對(duì)瀝青路面力學(xué)行為進(jìn)行數(shù)值模擬和預(yù)估模型建立。本文的研究工作促進(jìn)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(jià)值。本論文開展了如下工作:
　　 (1)在廣泛收集國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，分析瀝青路面與時(shí)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(jìn)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(jī)地結(jié)合起來(lái)，同時(shí)根據(jù)模型組成特性，對(duì)模型參數(shù)的敏感性進(jìn)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(yùn)動(dòng)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(shì)函數(shù)，依據(jù)模型構(gòu)建的串聯(lián)特性，通過(guò)Ziegler正交法則、熱力學(xué)勢(shì)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(dòng)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(shí)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?cè)囼?yàn)和粘彈性計(jì)算蠕變?nèi)岫鹊贸稣乘苄宰冃危谜乘苄员緲?gòu)方程的隱式構(gòu)成特點(diǎn)，運(yùn)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(wèn)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(yàn)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(jìn)行表示，采用經(jīng)典的梯形方法對(duì)粘彈性本構(gòu)方程進(jìn)行數(shù)值積分展開。在數(shù)值積分過(guò)程中利用Prony級(jí)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(dá)方式，建立已知應(yīng)變?cè)隽織l件下的更新應(yīng)力張量表達(dá)式，并推導(dǎo)出整體迭代過(guò)程中所需的粘彈性剛度矩陣。利用增量應(yīng)變條件下計(jì)算嘗試應(yīng)力判斷材料是

6、否進(jìn)入屈服狀態(tài)，基于徑向回退算法的全隱式積分方法計(jì)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(yùn)動(dòng)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(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證。
　　 (5)利用本文開發(fā)的材料子程序，進(jìn)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(jìn)行重載瀝青路面永久變形計(jì)算分析，同時(shí)依據(jù)輪胎荷載的非均勻性，對(duì)非均布荷載