沥青混合料粘弹—粘塑性损伤本构模型及沥青路面车辙预测研究

摘要

车辙是沥青路面在车辆重复荷载作用下产生的永久累积变形，它的出现将影响行车舒适性，严重时危及交通安全，不仅给社会带来不良影响，而且在经济上造成巨大损失。沥青材料具有复杂的时间依赖性属性，通过非线性固体力学理论对沥青路面力学行为进行建模和预估已成为道路工程研究领域的重点和难点。本文以不可逆热力学为理论基础，通过建立粘弹-粘塑性损伤本构关系来描述沥青混合料的与时间相关性力学行为，实现了基于粘弹-粘塑性损伤本构模型的有限元计算，为有效地分析和预测路面车辙提供理论基础和技术手段。本文研究成果可以为我国重载交通沥青路面的建设养护管理提供决策依据，具有重要的学术价值和现实意义。本论文开展了如下工作:
　　 (1)基于沥青路面的力学行为和沥青混合料的试验现象，将线性粘弹性和粘塑性损伤二者有机地结合起来，建立粘弹-粘塑性损伤本构模型框架，可以从本质上反映沥青混合料的与时间相关性力学行为，为沥青路面结构的非线性分析提供理论基础。
　　 (2)以不可逆热力学理论为基础，选取反映系统内部结构演化发展的粘塑性累积应变和损伤标量作为内部状态变量，建立描述变量演化规律的Helmholtz自由能函数和反映能量耗散行为的耗散势函数，推导出粘弹-粘塑性损伤本构方程及内变量演化方程，使得本构理论更为全面系统并符合自然界的普遍规律。将建立的本构模型用于分析三轴蠕变和三轴等应变率压缩试验，通过参数敏感性分析研究，为更广泛的本构模型应用提供理论基础。在分析过程中，对于粘弹性模型，基于粘弹性泊松比将一维的本构模型推广至三维情况，分别推导了粘弹性的三轴蠕变和三轴等应变速率压缩的应力-应变理论关系，以准确地计算径向应变，进而分析沥青混合料的体积变形特征。
　　 (3)通过自行设计的径向应变测试装置，巧妙地利用了现有设备UTM的线性位移传感器，将沥青混合料试件周长的变化转换为径向应变数据，可同时测试并记录试件的轴向和径向应变，实现了对沥青混合料径向变形和体积变化的测试，为本构模型参数标定奠定了试验基础。
　　 (4)采用荷载水平较低和作用时间较短的静态蠕变-恢复试验将粘弹-粘塑性应变进行分离，为与模型原理保持一致，采用粘弹性泊松比，分别标定粘弹性和粘塑性参数。在此基础上，采用蠕变至破坏试验标定粘塑性损伤参数。在标定粘塑性损伤参数时，以三维应变的最小平方差为拟合目标建立目标函数，通过多维非线性约束优化的方法实现对参数的优化估计，确保体积变形特征描述的准确性。最后采用动态模量试验、等应变速率加载试验和重复蠕变-恢复试验对参数的准确性进行验证。
　　 (5)利用增量应变条件下计算尝试应力判断材料是否进入屈服状态，基于径向返回算法的全隐式积分方法计算子步条件下相应的演化变量，推导出粘塑性损伤应变增量和内部状态变量增量的公式，从而更新增量步的状态变量。依据理论公式编制了能够在ABAQUS有限元软件中调用的粘弹-粘塑性损伤本构模型UMAT子程序，并进行相关验证。
　　 (6)基于粘弹-粘塑性损伤本构模型和编制的UMAT子程序，采用荷载等效方法，建立了沥青路面车辙变形预估方法。为验证车辙预测方法的有效性，分别进行不同温度、不同荷载、一次变载、逐级变载等复杂条件下的室内车辙试验，并利用ABAQUS进行有限元模拟计算，将模拟结果与试验结果对比。基于粘弹-粘塑性损伤本构模型，分析沥青混合料内部状态变量的演化情况，从机理上解释车辙变形的发展规律。
　　 (7)汇总分析了我国主要高速公路沥青路面结构，选取典型结构形式，建立沥青路面有限元模型，采用基于粘弹-粘塑性损伤本构模型的车辙预估方法对沥青路面车辙进行了计算模拟，研究车辙形成发展规律，预测分析不同荷载和不同温度场下的沥青路面车辙变形。
　　 本文在沥青路面力学行为及沥青混合料本构模型方面所做的本构理论、试验方法以及数值模拟等一系列研究工作，将促进沥青路面力学行为和车辙预测研究的发展，为完善沥青路面设计和分析提供解决问题之道。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 车辙形成机理分析

1．2．2 沥青路面车辙预估方法

1．2．3 沥青混合料本构模型

1．3 主要研究内容及技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 研究目标

1．3．3 技术路线

第二章 基于热力学的粘弹-粘塑性损伤本构模型

2．1 引言

2．2 热力学及损伤力学基本理论

2．2．1 内部状态变量

2．2．2 热力学基本方程

2．2．3 热力学函数

2．2．4 损伤力学基本理论

2．3 基于热力学理论的粘弹-粘塑性损伤本构模型

2．3．1 基于热力学的线性粘弹性本构方程

2．3．2 基于热力学的粘塑性损伤本构方程

2．3．3 粘弹-粘塑性损伤本构模型

2．4 三轴蠕变分析及参数敏感性分析

2．4．1 粘弹性三轴蠕变粘弹性应力-应变关系

2．4．2 松弛模量与蠕变柔量之间的转换

2．4．3 三轴蠕变数值解及参数敏感性分析

2．5 三轴等应变速率压缩分析及参数敏感性分析

2．5．1 粘弹性三轴等应变速率应力-应变关系

2．5．2 三轴等应变速率数值解及参数敏感性分析

2．6 本章小结

第三章 沥青混合料设计及试验研究

3．1 引言

3．2 普通沥青混合料设计

3．2．1 原材料性质

3．2．2 沥青混合料配合比设计

3．3 改性沥青混合料设计

3．3．1 原材料性质

3．3．2 改性沥青混合料配合比设计

3．4 沥青混合料试验设计

3．4．1 试件制作

3．4．2 试验设备

3．4．3 径向应变测试

3．5 粘弹-粘塑性损伤本构模型试验方案

3．5．1 本构模型参数标定方案

3．5．2 本构模型参数验证方案

3．6 本章小结

第四章 粘弹-粘塑性损伤本构模型参数标定及验证

4．1 引言

4．2 粘弹性参数标定

4．2．1 标定蠕变柔量级数系数

4．2．2 标定粘弹性泊松比参数

4．2．3 反算加载时的径向粘弹性应变

4．2．4 粘弹性参数汇总

4．3 粘塑性损伤参数标定

4．3．1 分离粘弹和粘塑性应变

4．3．2 粘塑性参数初始值

4．3．3 粘塑性损伤参数

4．3．4 粘塑性损伤参数汇总

4．4 模型参数验证

4．4．1 动态模量试验

4．4．2 等应变速率加载试验验证

4．4．3 重复蠕变验证

4．5 本构模型在改性沥青中的应用

4．5．1 粘弹性参数标定

4．5．2 粘塑性损伤参数标定

4．5．3 参数验证

4．6 与现有模型的比较

4．7 本章小结

第五章 粘弹-粘塑性损伤本构模型有限元实现及验证

5．1 引言

5．2 非线性有限元方法

5．2．1 非线性方程组的数值解法

5．2．2 非线性有限元法

5．2．3 粘塑性增量型本构关系

5．3 粘弹性本构模型有限元实现及验证

5．3．1 粘弹性本构模型数值实现

5．3．2 粘弹性本构模型有限元子程序验证

5．4 粘塑性损伤模型有限元实现及验证

5．4．1 粘塑性损伤本构模型有限元实现

5．4．2 粘塑性损伤本构模型有限元子程序验证

5．5 粘弹-粘塑性损伤本构模型数值验证

5．6 本章小结

第六章 基于粘弹-粘塑性损伤本构模型的沥青路面车辙预测

6．1 引言

6．2 室内车辙试验验证

6．2．1 室内车辙试验

6．2．2 车辙试验有限元建模

6．2．3 荷载等效方法

6．2．4 不同温度下的车辙验证

6．2．5 超载下的车辙验证

6．2．6 变载下的车辙验证

6．4 路面结构有限元模型建立

6．4．1 路面结构有限元模型

6．4．2 车辆荷载模型

6．4．3 路面材料参数

6．5 沥青路面车辙预测

6．5．1 车辙变形发展规律

6．5．2 重载超载下的车辙预测

6．5．3 不同温度场下的车辙预测

6．6 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 主要研究结论

7．2 主要创新点

7．3 进一步研究的建议

参考文献

攻博期间的学术经历与成果

致谢