基于蠕变试验的沥青路面车辙模拟数值分析

摘要

目前,我国高速公路总里程的95％左右为沥青路面,而车辙病害是其最主要的病害形式。以往的研究主要集中在抗车辙沥青混合料的设计与评价以及抗车辙沥青路面的结构组合设计中。对能够反映沥青混合料整个车辙变形阶段的本构模型研究较少,造成沥青路面的车辙预估效果较差。为此,本论文在总结现有粘弹模型的基础上,基于 ABAQUS软件平台 UMAT二次开发,实现了基于多种粘弹性本构模型的沥青路面车辙变形数值模拟分析。主要工作包括:
　　首先介绍了沥青材料几种基本的粘弹模型,讨论了不同粘弹模型对沥青混合料蠕变变形各个阶段的模拟效果。而后基于ABAQUS软件平台子程序的二次开发技术,编制沥青混合料Burgers模型、六参数模型和七参数模型UMAT代码。基于简单模型的蠕变模拟分析得到竖向应变曲线和蠕变曲线,通过理论解、实测解和有限元模拟结果的对比分析,验证了所开发出的UMAT的准确性。
　　其次采用单轴压缩蠕变试验进行了典型沥青混合料粘弹参数的室内测定,并通过origin软件的非线性拟合获取了典型级配沥青混合料的粘弹参数。建立了能够模拟典型沥青混合料粘弹变形的Burgers模型、D-P模型、修正Burgers模型、六参数模型、七参数模型的粘弹参数数据库。并讨论分析了不同模型在拟合过程中的模型局限性、优势及注意的问题。
　　再次基于UMAT的开发进行典型沥青路面结构车辙数值模拟分析。建立车辆荷载等效换算原则,分析不同荷载大小及作用时间、不同边界条件、不同模型、不同层位和材料等因素对车辙变形的影响规律。
　　最后基于室内结构车辙试验进行车辙预估的室内初步验证。采用依七高速公路试验路段结构与材料,进行45℃下的车辙预估与室内试验结果比对,初步证明了车辙预估方法的可行性。

目录

基于蠕变试验的沥青路面车辙模拟数值分析

NUMERICAL SIMULATION ANALYSIS OF ASPHALT PAVEMENT RUTTING BASED ON CREEP TEST

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景

1.2 研究的目的及意义

1.3 国内外研究现状概述

1.3.1 沥青混合料本构参数

1.3.2 UMAT二次开发

1.3.3 沥青路面的车辙预估

1.3.4 有限元在沥青路面永久变形研究中的应用

1.4 主要研究内容及技术路线

1.4.1 主要研究内容

1.4.2 技术路线

第2章 沥青混合料粘弹模型的UMAT二次开发

2.1 粘弹流变模型理论

2.1.1 基本流变元件

2.1.2 组合模型本构关系及蠕变方程

2.2 UMAT二次开发

2.2.1 UMAT简介

2.2.2 蠕变有限元实现

2.2.3 蠕变方程求解方法

2.2.4 UMAT的编程实现

2.2.5 不同模型的迭代过程

2.3 UMAT有效性验证

2.3.1 七参数 UMAT蠕变分析

2.3.2 理论解的求取

2.3.3 数值解与理论解对比分析

2.4 本章小结

第3章 典型沥青混合料的粘弹参数测定

3.1 沥青混合料粘弹参数的测定—单轴动态蠕变试验

3.1.1 试件的形状及尺寸

3.1.2 试验条件的设定

3.2 模型参数的非线性拟合

3.2.1 Origin软件的非线性拟合简介

3.2.2 不同模型拟合效果评价

3.2.3 不同模型拟合结果汇总

3.2.4 不同模型拟合出的参数结果

3.3 本章小结

第4章 基于UMAT对典型沥青路面结构车辙分析

4.1 引言

4.2 有限元模型建立

4.2.1 模型尺寸

4.2.2 材料属性

4.2.3 分析步

4.2.4 网格划分

4.2.5 荷载

4.3 计算结果

4.4 基于荷载等效的车辙分析

4.4.1 等效作用次数换算

4.4.2 不同模型的车辙预估

4.4.3 车辙大小与作用荷载的关系

4.4.4 不同层位对车辙的贡献

4.4.5 材料变化对车辙影响

4.5 车辙预估及其有效性验证

4.5.1 基于UMAT静载蠕变分析的车辙预估

4.5.2 车辙预估的有效性验证

4.6 本章小结

结 论

参考文献

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢