橡胶沥青混合料二维细观结构数值模拟建模方法及虚拟加载试验研究

摘要

经橡胶粉改性沥青而制得的橡胶沥青混合料作为路面材料,不仅可以很大程度上减轻废旧轮胎带来的巨大环境压力,还可以改善普通沥青混合料带来的温度敏感性问题,延长沥青路面的使用寿命,顺应我国倡导的“资源节约型、环境友好型”的当代交通发展模式,因此,对橡胶沥青混合料的研究已经成为国内外道路工作者的研究热点。
　　橡胶沥青混合料的力学性能与其实际道路工程应用中的路用性能密切相关,然而,传统的橡胶沥青混合料的研究多偏重于对其宏观体积指标的检测。这种从宏观角度进行的唯象研究存在着一定的局限性,导致在实际应用过程中出现了混合料宏观体积指标相近,但其使用性能却相差很大的矛盾现象。分析其原因主要是因为忽略了橡胶沥青混合料细观结构的复杂性,无法揭示材料变形和破坏的物理机制,从而无法从根本上解决路面破坏问题,所以说,对橡胶沥青混合料的研究从宏观层次发展到细观力学分析是非常必要的。另外,基于细观结构的橡胶沥青混合料力学性能研究可以减少周期长、工作量巨大、重复的试验工作,可以节省在试验设备的研制、开发及推广上的巨大投入。
　　本文从细观力学方法入手,应用力学分析方法,以突破基于现象学的经验或试验方法的局限性,采用虚拟加载试验的数值模拟方法从细观角度分析橡胶沥青混合料的力学机理,从而为橡胶沥青混合料设计及破坏机理分析提供新的研究手段。基于此,本文主要开展了以下研究工作:
　　1.运用X-rayCT扫描技术,结合数字图像处理与有限元数值模拟方法,建立了基于细观结构的橡胶沥青混合料二维有限元数值模型。
　　2.综合考虑橡胶沥青混合料的粘弹性材料特性,本文在进行橡胶沥青混合料数值模型建立时,将橡胶沥青砂浆(粒径小于2.36mm的细集料与橡胶沥青的混合物)视为粘弹性体,并进行了粘弹性性能研究,同时,将粗集料(粒径大于2.36mm集料颗粒)视为弹性体。采用Burgers模型作为橡胶沥青砂浆的粘弹性力学模型,粗集料采用线弹性力学模型。
　　3.采用国内外广泛应用的有限元力学分析方法进行了橡胶沥青混合料的数值模拟分析。通过建立半圆弯拉试验(SCB试验)的虚拟加载数值分析模型,研究了不同试验条件下(不同胶粉掺量、试验温度、级配类型)橡胶沥青混合料内部应力、应变分布特点。
　　4.在SCB试验基础上,完成了切口SCB虚拟加载试验,并采用裂纹尖端J-积分理论对橡胶沥青混合料断裂特性进行评价,重点研究了不同切口位置、不同切口长度、不同橡胶粉掺量等试验条件对裂纹尖端J积分的影响。
　　5.采用近年来广泛使用的扩展有限元(XFEM)方法对裂纹扩展进行了数值模拟,研究了裂纹扩展不同阶段时的应力变化规律及不同胶粉掺量对橡胶沥青混合料低温断裂行为的影响。另外,结合室内切口SCB试验,与数值模拟方法进行了对比分析,并对数值模拟方法的有效性和优越性进行了验证。

目录

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目录

第一章 绪论

1.1课题研究背景和意义

1.2国内外研究现状

1.3本文主要研究内容及技术路线

第二章 基础理论

2.1有限元方法简介

2.2 Abaqus简介

2.3 ABAQUS在本文研究中的应用

2.4本章小结

第三章 橡胶沥青混合料数字图像采集及处理技术研究

3.1橡胶沥青混合料试件制作

3.2基于X-ray CT扫描技术的数字图像采集

3.3橡胶沥青混合料数字图像处理技术

3.4本章小结

第四章 橡胶沥青混合料细观结构有限元模型的建立研究

4.1橡胶沥青混合料数字图像矢量化

4.2有限元数值模型的建立

4.3本章小结

第五章 有限元数值模型中材料力学模型及参数的确定研究

5.1橡胶沥青砂浆粘弹性力学模型

5.2橡胶沥青砂浆蠕变试验

5.3 ABAQUS中力学模型的有限元实现

5.4本章小结

第六章 基于SCB试验的橡胶沥青混合料虚拟加载试验研究

6.1 SCB试验简介

6.2 SCB试验数值模拟有限元模型的建立

6.3数值模拟结果分析

6.4本章小结

第七章 基于切口SCB试验的橡胶沥青混合料虚拟加载试验研究

7.1断裂力学及J-积分理论

7.2切口SCB试验数值模型

7.3数值模拟结果分析

7.4基于XFEM方法的裂纹扩展数值模拟

7.5本章小结

结论与展望

本文研究主要结论

本文主要创新点

展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢