基于流变学本构模型和动力有限元分析的沥青路面车辙计算

摘要

沥青路面车辙是我国高等级公路主要的病害之一，严重影响到路面行车的安全性和舒适性，因此研究高等级道路沥青路面车辙预估的计算方法具有重要的社会经济效应。当前应用较多的车辙计算方法是基于层应变法和粘弹性理论，因不能描述在沥青混合料受温度和荷载率的影响下的塑性变形，给车辙预估带来一定程度的误差，因此，要准确预估沥青路面车辙需建立非线形的粘弹塑性本构模型。 本文依托国家自然基金项目(E50678183)《基于行车动力作用的沥青路面车辙计算与预估方法研究》，利用流变学原理和动力有限元技术完成了以下相关工作： 1.阐明沥青路面车辙现象产生的机理，分析沥青路面车辙的主要影响因素和控制指标，分析沥青混合料变形特征，研究各项因素和指标对沥青路面车辙深度发展趋势的影响。 2.通过分析当前流变学的粘弹性本构模型、弹塑性本构模型、粘塑性本构模型在描述沥青混合料应力应变关系中的优缺点，寻找既能描述沥青混合料变形特征，又能方便测定其参数和能够方便实现数值计算的粘弹塑性本构模型。 3.基于Burges粘弹性本构模型的车辙计算：采用动态蠕变试验测定本构模型的参数，研究本构模型转化为ANSYS粘弹性参数的Prony级数计算方法，采用ANSYS瞬态动力学分析理论，分析了轴载作用次数、温度、超载对沥青路面车辙变形的影响。 4.基于Johnson-Cook粘塑性本构模型的车辙计算：采用单轴压缩试验测定JC粘塑性模型的参数，研究模型参数在ANSYS中输入的方法，采用ANSYS瞬态动力学分析理论，分析了轴载作用次数、超载对沥青路面车辙变形的影响。 实验表明，采用基于随机荷载理论的半正弦波车辆动荷载模型和动态实验能够较好的模拟行车动荷载对沥青路面的车辙作用效果，基于Burges粘弹性本构模型和基于Johnson-Cook粘塑性本构模型的车辙计算分析了轴载作用次数、温度、超载对沥青路面车辙变形的影响，符合沥青路面车辙变形实际情况。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1选题的背景与意义

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究概况

1.2.2国内研究概况

1.2.3沥青路面车辙计算方法研究的发展趋势

1.3研究内容与方法

1.3.1研究内容

1.3.2研究方法

第二章沥青路面车辙形成机理与变形特征

2.1沥青路面车辙的形成过程

2.2沥青路面车辙变形的成因

2.3沥青混合料变形基本特征

2.3.1沥青混合料结构与基本强度构成

2.3.2沥青混合料变形的颗粒性

2.3.3沥青混合料变形的粘弹塑性

2.3.4沥青混合料变形的温度效应

2.3.5沥青混合料的动态力学性能

2.4本章小结

第三章沥青混合料的流变学本构模型

3.1弹塑性本构模型

3.1.1广义胡克定律

3.1.2莱维—米泽斯塑性本构模型(M.Levy-Von.Mises本构模型)

3.1.3普朗特—罗伊斯塑性本构模型(L.Prandtl-A.Reuss本构模型)

3.1.4亨奇—伊柳辛塑性本构模型(Hencky-IIyushin本构模型)

3.2粘弹性本构模型

3.2.1 Maxwell模型

3.2.2 Kelvin模型

3.2.3 Jeffreys模型

3.2.4 Van de Poel模型

3.2.5 Lethersich模型

3.2.6伯格斯模型(Burgers模型)

3.2.7四单元五参数元件——修正伯格斯(Burgers)模型

3.2.8广义的Maxwell模型

3.2.9广义的Kelvin模型

3.3沥青混合料的粘弹塑性本构模型理论

3.3.1 ENTPE原理

3.3.2塑性本构关系的基本要素

3.3.3沥青混合料的屈服准则

3.3.4沥青混合料的波兹纳本构模型

3.3.5沥青混合料波兹纳本构方程的求解

3.4沥青路面车辙计算中的两种思路

3.5本章小结

第四章沥青路面的车辙计算原理

4.1沥青路面车辙计算的层状理论体系

4.2沥青混合料的流变学本构模型

4.3车辆动荷载模型

4.4动力有限元在沥青路面车辙计算中的运用

4.4.1结构动力有限元分析的基本方程

4.4.2动力有限元方程的求解

4.4.3收敛性问题和时间步长的选取

4.5沥青路面车辙计算的ANSYS瞬态动力分析方法

4.6本章小结

第五章 基于Burges粘弹性本构模型的沥青路面车辙计算

5.1沥青路面结构及有限元模型仿真

5.2沥青混合料的动态蠕变试验

5.3沥青混合料Burgers本构模型参数的测定

5.4 ANSYS中粘弹性参数的Prony级数转化方法

5.5荷载与交通量的计算

5.6沥青路面结构的车辙变形分析

5.6.1轴载作用次数对沥青路面车辙的影响

5.6.2温度对沥青路面车辙变形的影响

5.6.3胎压对沥青路面车辙变形的影响

5.7本章小结

第六章 基于Johnson-Cook粘塑性模型的沥青路面车辙计算

6.1 Johnson-Cook材料模型

6.2 Johnson-Cook材料模型的参数测定

6.2.1测定JC模型参数的实验方法

6.2.2实验结果及特征分析

6.2.3沥青混合料Johnson-Cook模型的参数拟合

6.2.4 ANSYS/LS-DYNA与Johnson-Cook粘塑性模型

6.2.5 JC粘塑性本构方程参数的有限元验证

6.3粘塑性有限元理论基础

6.3.1材料非线性有限元分析特点

6.3.2沥青混合料的粘塑性有限元计算理论

6.3.3 ANSYS材料非线性的求解方法

6.4基于Johnson-Cook粘塑性本构模型的沥青路面车辙计算

6.4.1建立沥青路面有限元模型

6.4.2施加荷载及瞬态动力学分析

6.5沥青路面车辙变形有限元计算结果分析

6.5.1设计年限内当量轴次作用下沥青路面的车辙变形分析

6.5.2累计当量轴次对路面车辙的影响分析

6.5.3超载对沥青路面车辙的影响分析

6.6两种沥青路面车辙变形计算方法的比较分析

6.7本章小结

第七章结论与展望

7.1主要工作及结论

7.2展望与建议

致 谢

参考文献

在校期间发表的论著及参加的科研活动