土工格栅拉伸工艺的有限元模拟及优化

摘要

作为一种新型的建筑材料，土工格栅因其良好的力学性能、低廉的成本在我国土木工程界得到了迅速推广，被广泛应用于公路、港口、机场等基础设施的建设中。我国目前虽然已经实现了土工格栅及其加工配套设备的自主供应，但在土工格栅加工工艺的基础研究领域还处于起步阶段。针对目前的研究现状，本文采用通用有限元软件ABAQUS对土工格栅的拉伸加工过程进行模拟分析，并结合模拟结果对现有土工格栅的加工方式提出一种新的优化思路。 首先对土工格栅的类型、性能指标以及格栅拉伸工艺的设备要求、工艺条件进行了较为的深入分析，并归纳了国内外学者在高聚物本构模型以及高聚物变形有限元模拟方面已获得的研究成就。其次就高分子材料的拉伸强化效应进行了理论阐述，研究了强化效应的微观机理和相应数学模型。本文还通过实验手段对高聚物在常温下和高温下的拉伸过程进行研究，讨论了高聚物材料的拉伸强化效应，并比较了不同拉伸速率下高分子材料的本构特性的差异。 结合ABAQUS软件讨论了土工格栅拉伸加工有限元模拟中的相关问题，包括实体模型的选择、边界条件的确定、网格划分、非线性多步分析中的参数设置以及确定材料性能参数等关键问题。 对单向土工格栅的拉伸过程进行了仿真模拟，分析了网孔形状尺寸对土工格栅拉伸过程中应力应变分布情况的影响。通过对采用不同冲孔圆角半径的有限元模型进行拉伸模拟，发现拉伸过程中的最大应力随着圆角半径的增大而减小，但同时圆角半径的增大一定程度上会降低材料沿拉伸方向的变形量。另外，本文还分析了拉伸速度对格栅加工过程的影响，经分析发现拉伸速度对不同位置的材料具有不同的影响作用：高速拉伸有利于土工格栅肋部材料的变形，而低速拉伸有利于提高节点区域材料的拉伸量。 在此基础上提出一种新的优化土工格栅拉伸工艺的思路，即通过改变冲孔网孔的形状尺寸，改变土工格栅拉伸加工过程中的应力与应变的分布情况，从而降低拉伸过程中各种缺陷产生的概率；同时针对单向土工格栅的加工设计出一种新的网孔形状，并通过有限元模拟对其可行性进行了论证。

目录

文摘

英文文摘

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第1章绪论

1.1引言

1.2土工格栅的应用及其拉伸工艺的技术特点

1.2.1土工格栅的分类

1.2.2土工格栅拉伸工艺的流程及其设备

1.2.3土工格栅的应用及力学性能指标

1.3国内外研究现状

1.3.1实验研究

1.3.2有限元模拟研究

1.3.3高分子材料本构模型的研究

1.4本文的选题意义及主要研究内容

第2章土工格栅拉伸工艺的基本理论

2.1高分子材料形变过程的相关基本理论

2.1.1高分子材料的力学性能特点

2.1.2高分子材料的拉伸变形及强化效应

2.2高分子材料拉伸过程中分子取向的微观机理及数学模型

2.2.1高分子材料拉伸分子取向的微观机理

2.2.2微观分子取向与宏观变形之间的关系

2.3土工格栅拉伸过程的实验研究

2.4影响土工格栅性能的关键工艺参数

2.4.1网孔规格的影响

2.4.2拉伸比的影响

2.4.3拉伸温度的影响

2.4.4拉伸方式的影响

2.4.5拉伸速度的影响

2.5本章小结

第3章土工格栅拉伸过程有限元模型的构建及关键问题

3.1有限元分析软件ABAQUS

3.2有限元模拟分析的前处理

3.2.1实体模型的选择与构建

3.2.2高分子材料常用的本构关系模型

3.2.3网格划分

3.2.4非线性多步分析中的参数设置

3.3求解及后处理

3.4本章小结

第4章单向拉伸土工格栅加工过程的有限元模拟

4.1单向土工格栅拉伸过程有限元模型的实现

4.1.1土工格栅拉伸工艺中拉伸比的定义

4.1.2有限元模型及边界条件的设定

4.2不同拉伸速度下土工格栅加工过程的模拟

4.2.1有限元模型的构建

4.2.2模拟结果的分析与讨论

4.3冲孔圆角半径对单向拉伸土工格栅加工过程的影响

4.3.1有限元模型的构建

4.3.2模拟结果的分析与讨论

4.4本章小结

第5章单向土工格栅网孔形状的优化

5.1土工格栅拉伸工艺中常见的问题

5.2单向土工格栅网孔形状优化方案

5.2.1有限元模型的构建

5.2.2模拟结果的分析与讨论

5.3本章小结

第6章结论与展望

参考文献

致谢