基于非定常数伯格斯模型的沥青路面车辙预估

摘要

随着车辆的不断增加和超载现象的加剧，车辙已成为沥青路面破坏的主要形式之一，严重的影响了道路行车舒适性和道路安全性。因此有必要对沥青路面的车辙进行合理的预估，本文有针对性的研究了动荷载、荷载作用次数、车速、超载等因素对路面车辙的影响。
　　在粘弹塑性力学的理论基础上阐述了沥青混合料的力学性能，分析比较了当今国内外学者提出的沥青混合料的本构模型。结合蠕变试验数据，拟合Burgers模型的参数，将粘弹性参数转化为Prony级数，利用通用有限元软件ANSYS模拟蠕变试验，比较拟合数据、试验数据和ANSYS计算结果之间的误差及分析产生误差的原因;建立了车辆以80km/h的速度在沥青路面上行驶的三维有限元模型，分析移动荷载下沥青路面面层、基层的车辙变形、动应力、动应变的规律及在不同的行车速度下面层、基层内各个内力指标的变化规律;建立二维的沥青路面有限元模型，将行车动荷载等效为静态荷载，分别研究轴载次数、行车速度及超载对沥青路面车辙的影响，分析了在不同轴载次数、行车速度及超载情况下沥青路面车辙的变形规律。研究表明:利用Prony级数方法在ANSYS中计算的结果与理论解误差不大于2％，说明Prony级数转化公式的准确性;在动荷载作用下，随着行车速度的提高，面层内压应力、横向拉应力和水平拉应力随着行车速度的增加而逐渐减小，车速从60km/h增加到140km/h，压应力减小幅度约8％，横向拉应力和水平拉应力减小幅值约9.2％;在相同的轮压下，随着轴载次数的增加，沥青路面的车辙量也随之增加，但改性沥青路面增长的速率明显比基质沥青路面增长的慢，使用改性沥青路面比基质沥青路面的抗车辙性能提高了约37％。有限元分析计算的竖向变形结果与实际路面车辙变形大小非常接近，这为沥青路面车辙预估提供了一种新的思路与研究途径。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题的背景和意义

1．2 车辙的成因

1．3 国内外研究现状

1．3．1 国外研究状况

1．3．2 国内研究状况

1．4 论文研究技术路线及内容

1．4．1 研究内容

1．4．2 技术路线

第二章 粘弹塑性本构理论

2．1 经典粘弹性模型

2．1．1 Maxwell模型

2．1．2 Kelvin模型

2．1．3 三参数固体模型

2．1．4 四参量Burgers模型

2．1．5 广义Kelvin模型

2．2 弹塑性本构方程

2．2．1 米塞斯屈服准则

2．2．2 Prandtl-Reuss塑性流动增量理论

2．2．3 增量形式的本构关系

2．3 弹粘塑性本构理论

第三章 沥青混合料蠕变试验研究

3．1 沥青混合料蠕变性能试验方法

3．1．1 单轴静态蠕变试验

3．1．2 单轴动态蠕变试验

3．1．3 三轴试验

3．2 试验方案设计

3．2．1 试验材料

3．2．2 试件的成型

3．2．3 试验方法及方案

3．3 试验数据分析

3．3．1 20℃温度下沥青混合料在不同荷载情况下的应变曲线

3．3．2 40℃温度下沥青混合料在不同荷载情况下的应变曲线

3．3．3 60℃温度下沥青混合料在不同荷载情况下的应变曲线

3．4 本章小结

第四章 沥青路面车辙计算理论

4．1 沥青路面车辙计算的层状理论体系

4．2 沥青混合料的本构模型

4．3 沥青路面结构的非线性有限元分析

4．3．1 路面结构非线性的分析方法

4．3．2 非线性分析

4．4 有限元中的沥青路面蠕变行为的计算理论

4．4．1 稳态蠕变分析的有限元方程

4．4．2 非线性蠕变方程的迭代求解方案

4．4．3 刚度矩阵的数值积分方案

4．5 沥青路面车辙计算的ANSYS分析方法

4．6 本章小结

第五章 基于四参数模型的沥青路面的数值模拟

5．1 有限元分析基本概念

5．1．2 有限元分析基本思想

5．1．2 有限元法用于路面结构分析的概况

5．2 四参量模型参数的拟合及在ANSYS中的实现

5．2．1 ANSYS中粘弹性计算方法

5．2．2 蠕变试验与试验曲线的拟合

5．2．3 Burgers模型参数及拟合结果

5．3 蠕变试验的数值模拟

5．3．1 模型建立

5．3．2 ANSYS计算结果与蠕变试验结果对比分析

5．4 移动荷载下沥青路面的动力响应分析

5．4．1 动力学理论

5．4．2 模型单元尺寸及材料参数

5．4．3 移动荷载的施加及车轮与路面接触印迹的确定

5．4．4 有限元计算模型

5．4．5 移动荷载下路面结构的力学变化分析

5．4．6 沥青路面在不同速度下的动力响应

4．5 本章小结

第六章 基于粘弹塑性本构模型的车辙预估

6．1 路面结构层的尺寸和二维平面单元的选择

6．1．1 沥青路面结构的选取

6．1．2 沥青混凝土的材料性质及参数

6．1．2 建立沥青路面有限元模型

6．2 荷载参数

6．2．1 荷载模型的简化

6．2．2 荷载作用时间的简化

6．3 输入材料参数的ANSYS命令流

6．4 沥青路面结构层的车辙变形分析

6．4．1 荷载作用次数的对路面车辙变形的影响

6．4．2 不同行车速度对路面车辙变形的影响

6．4．3 超载对沥青路面车辙变形的影响

6．5 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间主要的工作及发表著作