考虑应变率和界面效应的沥青混凝土动态粘弹性特征

发布时间：2017-06-11 08:10

  本文关键词：考虑应变率和界面效应的沥青混凝土动态粘弹性特征，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：现行的路面设计以多层弹性体系的静力学分析为基础,路面结构的动态响应与静态分析较大差异,且沥青材料具有明显的应变率效应,因此,考虑应变率和界面效应的路面结构动力响应研究具有实际意义,可为路面设计提供依据。首先,基于Abaqus用户材料子程序,编写了沥青混凝土粘弹性本构模型的VUMAT,并使用Abaqus自带的Prony级数对其正确性进行了验证。其次,提出一种试件围压试验方法,使室内试验获取的参数能适用于实际结构分析。通过调整试件底面和四周弹簧刚度以及板-试件间的摩擦系数,使室内试件的顶面竖向变形值接近无限元边界试件的计算结果。两组标准马歇尔试件在0.2kN/s、0.5 kN/s和1kN/s加载速率下进行单轴压缩试验,数据显示应力应变曲线存在应变率效应,并根据趋势验证了围压体系对应变率效应的适用性。通过与新旧路基拼接工况的比较,验证了围压体系模拟差异支撑的可行性。再次,为了研究加载速率对沥青混凝土的影响,建立率相关粘弹性参数公式并分析了其在道路工程中的应用。通过不同加载速率下新旧沥青混凝土的应力松弛试验,得到率相关的Burgers粘弹性参数公式,并对其通用性进行了验证。基于Abaqus/VUMAT,编写得到率相关粘弹性动态本构模型用户材料子程序。在新建和已使用5年的沥青路面上分别进行现场承载板加载试验,得到新建路面和旧路面不同病害处的动态回弹弯沉数据。建立了轮胎-路面耦合作用的有限元模型,分析了不同车速下考虑率相关效应沥青路面的动态响应。最后,使用便携式落锤弯沉仪分别在土基、水泥混凝土基层和沥青混凝土面层顶面进行击实试验。结合现场实测的竖向动态弯沉数据和有限元软件,反算出各层材料的动态弹性模量。建立二维有限元模型分析界面效应对不同道路材料问能量传播的影响,研究不同荷载入射角度和界面接触属性时应力波的传播特性,分析应力波能量通过界面时的分配特征。
【关键词】：沥青混凝土 道路动力学 应变率效应 界面效应 VUMAT
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U414
【目录】：

• 致谢7-8
• 摘要8-9
• ABSTRACT9-16
• 第一章 绪论16-26
• 1.1 研究背景及意义16
• 1.2 国内外研究现状16-24
• 1.2.1 沥青混合料粘弹性本构16-21
• 1.2.2 路基路面结构层参数反演21-22
• 1.2.3 路面动力响应研究22-23
• 1.2.4 考虑层间效应的路面响应研究23-24
• 1.3 主要研究内容和技术路线24-26
• 1.3.1 主要研究内容24-25
• 1.3.2 技术路线25-26
• 第二章 动态粘弹性数值仿真分析26-35
• 2.1 ABAQUS动力学分析基本原理26-28
• 2.1.1 显示动力学有限元分析26-27
• 2.1.2 显示动力学分析稳定性27-28
• 2.2 粘弹性本构二次开发及验证28-34
• 2.2.1 用户材料子程序介绍28-31
• 2.2.2 三参数模型VUMAT编写及验证31-33
• 2.2.3 Burgers模型VUMAT编写及验证33-34
• 2.3 本章小结34-35
• 第三章 室内围压试验获取实际工况参数的方法35-45
• 3.1 模型分析35-39
• 3.1.1 围压模型建立36
• 3.1.2 无限元分析原理及应用36-39
• 3.1.3 围压弹簧刚度及摩擦系数的作用39
• 3.2 尺寸效应影响评价39-42
• 3.2.1 围压和底面支撑对弹性试件影响39-40
• 3.2.2 围压对粘弹性试件影响40-42
• 3.3 围压体系对应变率效应影响42
• 3.4 拼接路基工况模拟42-44
• 3.4.1 差异支撑围压模型的可行性分析42-43
• 3.4.2 差异支撑的影响43-44
• 3.5 本章小结44-45
• 第四章 考虑应变率效应的沥青混凝土粘弹性分析45-60
• 4.1 沥青混凝土率相关粘弹性参数45-52
• 4.1.1 沥青混凝土的应力松弛试验45-47
• 4.1.2 加载速率对粘弹性参数的影响47-49
• 4.1.3 率相关粘弹性参数公式的验证49-51
• 4.1.4 率相关粘弹性本构模型VUMAT的验证51-52
• 4.2 基于粘弹性参数的路面健康状态识别52-56
• 4.2.1 现场承载板试验中粘弹性参数的应用52-55
• 4.2.2 沥青路面病害的粘弹性参数识别55-56
• 4.3 考虑率相关粘弹性效应的路面动态响应56-59
• 4.3.1 轮胎-路面耦合模型的建立56-58
• 4.3.2 不同车辆行驶速度下的路面动力响应58-59
• 4.4 本章小结59-60
• 第五章 考虑界面效应的沥青混凝土动态响应分析60-72
• 5.1 ABAQUS中的能量平衡60-61
• 5.2 沥青路面材料动态参数的反演61-67
• 5.2.1 加载和采集装置的参数61-63
• 5.2.2 基于分层法反演路面材料的动态弹性模量63-67
• 5.3 层间效应仿真分析67-71
• 5.3.1 不同入射角度的影响67-70
• 5.3.2 不同接触属性的影响70-71
• 5.4 本章小结71-72
• 第六章 总结与展望72-74
• 6.1 主要结论72-73
• 6.2 进一步研究展望73-74
• 参考文献74-79
• 攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况79

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