基于拓扑优化方法的沥青混合料细观结构特性研究

摘要

集料、空隙等细观结构的物理性质、几何形态及它们之间的相互作用对沥青混合料的力学性质有很大影响。沥青路面设计的传统方法,对沥青混合料材料力学性能的研究多偏重于从宏观角度进行唯象研究,认为材料内部各点具有相同的性质,忽略了沥青混合料复杂的细观结构,难以揭示材料变形和破坏的物理机理。本文将沥青混合料看作多相复合材料体系,对其细观结构进行了模拟及拓扑优化。
　　 本文应用蒙特卡罗方法,构建了集料和空隙有限元二维模型,研究了沥青混合料空隙集料的形态、分布与沥青混合料力学性能的关系,成果如下:
　　 (1)通过改变模型中空隙和集料的大小、形状与排列方式,得到了细观结构的应力应变特性与空隙、集料形态及其分布特点的相关性,并且总结出沥青混合料中集料受力特点与细观结构内部的损伤趋势;
　　 (2)通过模拟不同空隙率的模型,经拓扑优化验证了沥青混合料强度与空隙率的关系;
　　 (3)根据不同级配构成特点,建立了三种代表性级配的沥青混合料结构模型,分析了各种结构内部水平与竖直方向上集料颗粒受力特性,并比较了不同级配沥青混合料承载能力的优劣,为沥青混合料设计和矿料选取提供了依据;
　　 (4)比较了多种级配的沥青混合料模型的力学性能,选出力学性能较好的级配,在此基础上,得到了最优矿料级配,并与现有设计规范中矿料级配进行了比较。