基于承载板试验的路面柔性材料非线性参数反算

摘要

通过路面结构层回弹模量及非线性应力应变模型参数的反算,了解路面结构层的受力特性是路面承载能力评价的关键.有关这方面的研究,国际上已有二十余年的历史,并且现在仍然是一个活跃的领域,许多有关软件己在工程中得到日益广泛的应用.现有的反算理论大多建立在弹性层状体系和拟静力分析方法的基础之上,忽略了路面材料应力应变非线性特性.因此,选用合理的应力应变非线性模型对路面结构进行非线性反算是该领域必然发展方向.基于FWD弯沉检测基础上的模量反算开展的比较多,所采用的优化算法也比较广泛,例如:神经网络技术,遗传算法,模拟退火算法等等,研究比较深入;但是,基于承载板试验的非线性荷载的反算则相对较少,至今未见有公开成果发表.该文分析的主要原理:首先根据经验,初估路面结构层应力应变非线性参数,利用计算机程序模拟承载板试验测回弹弯沉的过程,通过现场实测的弯沉数据来检核该模拟过程的真实性,设定目标函数,选定适当的优化反算方法,当目标函数不满足时,即利用该优化反算方法调整本构模型参数,使得模型能够逐步向真实解逼近,当目标函数得到满足时,则认为此时反算得到的路面结构层的应力、应变、位移场为真实的应力、应变、位移场,所推算得到的非线性应力应变模型为真实的路面结构层应力应变模型.从而,可以根据这个非线性本构模型进行非线性方学数值分析,得到整个结构层的模量和应力、应变、位移分布状况.该文的难点之一在于该模拟过程的收敛性,为此,作者引入改进的非线性最小二乘法作为优化反算方法,并针对该文问题进行了修正,极大地提高了收敛速度.同时,计算量大、误差累积也是进行非线性模型参数反算过程中常见的问题,为此,文中作者引入了一些提高精度及加速迭代的手段,收到良好效果.该文最后结合工程实际,进行了案例分析,分析的结果表明,本文的计算机程序模拟过程是真实可行的,计算数据能够满足工程的实际需要,可以为实际工程提供参考.

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第一章绪论

1.1选题的背景及意义

1.2路面材料性能反演问题的提出

1.2.1道路强度特性评价指标

1.2.2力学一经验评估法

1.3路面参数非线性特性反算国内外研究状况

1.3.1路面模量反算研究慨况

1.3.2各类反算方法介绍

1.3.3路面模量反算发展趋势

1.4本文的主要研究内容、技术思路及提交成果

1.4.1主要研究内容

1.4.2技术思路

1.4.3主要提交成果

第二章材料非线性问题及其求解原理

2.1概述

2.2材料非线性问题的一般解法及其收敛标准

2.2.1基本概念

2.2.2迭代法

2.2.3增量法

2.2.4增量一迭代法

2.3Aitken迭代加速技术

2.4收敛标准的建立

2.5小结

第三章土基及路面材料非线性模型

3.1概述

3.2土基应力应变非线性分析

3.2.1应力应变曲线

3.2.2弹性非线性模型

3.3粒料类材料应力应变非线性分析

3.3.1体应力模型

3.3.2 K1～K3模型

3.3.3其它模型

3.4模型的选取

3.5小结

第四章优化反算方法的选取

4.1基本反算原理概述

4.2优化反算方法的选取

4.2.1系统识别法

4.2.2非线性最小二乘法原理

4.2.3非线性最小二乘法的改进(Marquardt法)

4.3反算方法针对本问题的修正

4.3.1迭代参数的多元回归

4.3.2病态矩阵判定条件的转换

4.4小结

第五章非线性有限元分析程序的编制实现

5.1非线性有限元的基本分析步骤

5.2网格的自动剖分

5.2.1结点坐标的自动生成

5.2.2单元结点信息的自动生成

5.2.3网格域的自动结成

5.2.4边界条件的处理以及荷载列阵的自动生成

5.3程序实现中的一些难点问题

5.3.1数据存储处理技术

5.3.2局部应力光滑

5.3.3增量一迭代法在程序中的实现

5.3.4优化反算方法在程序中的实现

5.4程序简介

5.5程序有效性验证

5.6小结

第六章工程实际应用

6.1工程概况

6.1.1级配碎石基层

6.1.2泥结碎石底基层

6.2反算模型的建立

6.2.1计算图示与基本假设

6.2.2承载板荷载的处理

6.2.3计算参数的选取

6.3反算结果分析

6.3.1土基

6.3.2泥结碎石底基层

6.3.3碎石基层

6.4反算结果的验证

6.5小结

第七章模量非线性分布规律及模型参数与回弹弯沉的回归分析

7.1各结构层模量非线性分布规律分析

7.1.1土基模量非线性分布规律

7.1.2泥结碎石底基层模量非线性分布规律

7.1.3碎石基层模量非线性分布规律

7.2模型参数与弯沉关系的理论回归分析

7.2.1参数K1与回弹弯沉回归分析

7.2.2参数K2与回弹弯沉回归分析

7.2.3参数K3与回弹弯沉回归分析

7.3小结

第八章结论与展望

8.1主要结论综述

8.2进一步研究展望

8.2.1奇值分解对病态矩阵求解的探讨

8.2.2关于无限元的一点思考

参考文献

致谢

附录A(平面框架的程序框图)

附录B(非线性模量分布数据表)

附录C 现场实测数据

附录D(攻读硕士期间发表的论文和参与的科研项目)