基于内聚力模型和三维离散元法沥青混合料劈裂试验研究

发布时间：2017-09-15 16:29

  本文关键词：基于内聚力模型和三维离散元法沥青混合料劈裂试验研究

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【摘要】：沥青混合料劈裂试验,作为路面结构设计、沥青混合料设计的内容之一,同时,也是研究沥青混合料破损机理的手段之一。劈裂试验因其操作简单,且在加载时,位于试件中部的应力状态,较路面在受荷时的应力状态相类似,因此,劈裂试验在沥青混合料力学性能研究中得到了广泛的应用。离散单元法(DEM)作为数值模拟方法的一种,更适于模拟颗粒组合体的细观力学表现行为,在进行非连续介质材料数值模拟时,DEM具有显著的优势。沥青混合料作为非连续介质材料的一种,其不连续性主要体现在三个方面：集料和沥青胶浆界面处材料性能的不连续性,相邻集料颗粒间的不连续性,以及相邻孔隙间的不连续性。通过离散单元法建立沥青混合料微观结构模型更为直观,并且离散单元法在描述沥青混合料细观裂纹扩展及断裂过程中得到了大量应用。内聚力模型(CZM)在研究沥青混合料裂纹扩展中有着显著的优势,如内聚力模型可以较好的模拟沥青混合料裂纹扩展的全过程,以及开裂过程中力学性能的变化,使得内聚力模型在沥青混合料力学性能研究中得到了广泛关注。本文依托沥青混合料劈裂室内试验,借由万能压力试验机,输出劈裂试验过程中的竖向荷载-位移全曲线,结合CT扫描技术、数字图像处理技术及三维离散单元法,基于内聚力模型选用材料参数,进行沥青混合料劈裂试验三维离散元数值模拟研究。在沥青混合料劈裂试验三维离散元模型重构过程中,集料采用cluster型,并使用实际边界信息,为离散单元基本元素赋予接触粘结模型,分别以加载速率、模型参数、温度、油石比为影响因素进行三维离散元模拟,研究各影响因素的影响效应。研究结果表明：将CT扫描技术,数字图像处理技术相结合,利用三维离散单元法,能够直观的构建劈裂试验的数值模型；将内聚力模型用于劈裂试验三维离散元模拟,能够研究沥青混合料在劈裂试验过程中的微观力学性能,但由于数值模拟与室内试验在加载速率与加载形式上存在较大差距,需通过参数调整,以进一步将内聚力模型应用在三维离散元模拟中。
【关键词】：道路工程 劈裂试验 CT技术 数字图像处理 内聚力模型 三维离散元 加载速率 模型参数 温度 油石比
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U414
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 1 绪论9-20
• 1.1 研究背景和意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-18
• 1.2.1 国内研究现状10-14
• 1.2.2 国外研究现状14-18
• 1.3 主要研究思路18
• 1.4 主要研究内容18-20
• 2 沥青混合料CT图像处理20-26
• 2.1 CT技术简介20-21
• 2.2 CT图像处理21-25
• 2.2.1 图像数字化22-23
• 2.2.2 图像分割23-24
• 2.2.3 边界检测24-25
• 2.2.4 信息输出25
• 2.3 本章小结25-26
• 3 沥青混合料离散单元法概述26-41
• 3.1 DEM模型在沥青混合料研究中的发展和应用26-30
• 3.2 离散元/有限元模型在沥青混合料研究中的应用30-33
• 3.3 PFC2D/3D在沥青混合料模拟中的应用33-40
• 3.3.1 使用PFC2D/3D模拟沥青混合料33-34
• 3.3.2 使用PFC2D/3D重构沥青混合料几何结构34-35
• 3.3.3 沥青混合料离散元力学模型35-36
• 3.3.4 模型参数与材料物理性质之间的联系36-38
• 3.3.5 边界条件与荷载条件38
• 3.3.6 数值模拟和结果分析38-40
• 3.4 本章小结40-41
• 4 沥青混合料劈裂试验及其三维离散元模拟41-61
• 4.1 沥青混合料劈裂试验概述41-45
• 4.2 内聚力本构模型45-54
• 4.2.1 内聚力概念45-46
• 4.2.2 内聚力的一般性质46-47
• 4.2.3 粘聚软化本构关系47
• 4.2.4 断裂能的确定47-48
• 4.2.5 内聚力模型的离散元实现48-54
• 4.3 劈裂试验三维离散元模拟54-60
• 4.3.1 劈裂试验几何模型构建55-56
• 4.3.2 初始宏观材料参数确定56-58
• 4.3.3 劈裂试验荷载与边界条件设置58-59
• 4.3.4 劈裂试验模拟结果输出和分析59-60
• 4.4 本章小结60-61
• 5 沥青混合料劈裂试验三维离散元模拟影响因素分析61-92
• 5.1 不同加载速率的影响分析61-63
• 5.2 模型参数的影响分析63-70
• 5.2.1 刚度参数影响分析63-66
• 5.2.2 粘结强度参数影响分析66-68
• 5.2.3 参数调整68-70
• 5.3 试验温度影响分析70-81
• 5.3.1 试验温度影响效应数值模拟70-77
• 5.3.2 试验验证77-81
• 5.4 不同油石比的影响分析81-86
• 5.4.1 油石比影响效应数值模拟81-84
• 5.4.2 试验验证84-86
• 5.5 不同加载速率影响分析86-91
• 5.5.1 加载速率影响效应数值模拟86-89
• 5.5.2 试验验证89-91
• 5.6 本章小结91-92
• 6 结论与展望92-94
• 6.1 主要结论92-93
• 6.2 展望93-94
• 参考文献94-99
• 作者简历及在学期间所取得的科研成果99

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