基于混合Lagrange-Euler算法的高速公路沥青路面疲劳损害研究

摘要

我国高速公路的发展日新月异，高速、大流量和渠化交通的联合作用很大程度上削弱了高速公路沥青路面的自愈合效用，导致道路早期损坏，再加上超限运输，使得公路路面的损害进一步加重。在沥青路面的破损形式中，疲劳损坏已成为沥青路面破坏的主要形式之一。然而，由于轮胎自身结构和材料的高度非线性以及轮胎充气压力、转动速度、轴载以及轮胎与路面的滚滑关系等因素的影响，轮胎与路面接触应力的大小和分布十分复杂，路面的拉应力和拉应变受上述因素的影响，从而影响到路面的磨损、变形和疲劳寿命。因此，必须建立车轮-路基-路面三维耦合模型来研究沥青路面疲劳寿命的影响因素。主要工作内容如下:
　　1)利用粉土的试验数据对路基土的典型应力相关的动态回弹模量预估模型进行综合评估，并提出了改进的四参数动态回弹模量模型，通过编写用户自定义材料子程序，将改进模型移植到ABAQUS中，实现了对沥青路面-路基结构变形的模拟。
　　2)建立了轮胎-路基-路面结构的三维有限元模型，考虑了轮胎的稳态滚动和路基土的回弹模量的应力相关性，对比了不同形式的简化轮载与直接轮载作用对路基路面结构的静态计算结果的影响，讨论了荷载形式对计算路面与轮胎接触部位的应力-应变响应的影响。
　　3)利用稳态输运分析方法计算了车轮不同滚动状态时路面的稳态响应，获得了轮胎初始自由滚动状态时摩擦系数、轴重、胎压和速度对路面应力-应变的影响规律。
　　4)结合沥青混合料的疲劳寿命预估方程，揭示了沥青路面疲劳开裂机理，并基于拉应变疲劳预估模型，讨论了轮轴阻力、摩擦系数、轴重和胎压等因素对疲劳寿命的影响。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 路基土动态回弹模量

1．2．2 路面荷载形式

1．2．2 轮胎及车辆-路基路面耦合分析模型

1．2．3 沥青路面疲劳寿命预测

1．3 已有研究工作的不足

1．4 本文的主要工作

第2章 路基土动态回弹模量预估模型

2．1 动态回弹模量预估模型的评估和改进

2．1．2 参数回归分析

2．1．3 粉土动态回弹模量的预估

2．2 N37AR模型的有限元实现

2．2．1 UMAT简介

2．2．2 N37AR模型的一致性切线刚度矩阵

2．2．3 N37AR的单元验证

2．3 N37AR模型的结构验证

2．4 本章小结

第3章 车辆-路基-路面耦合稳态分析

3．1 地应力平衡

3．2 三种均布荷载作用结果对比

3．3 轮胎-路基-路面耦合分析有限元模型

3．3．1 轮胎有限元分析模型

3．3．2 轮胎-路基-路面装配模型

3．4 轮载下的路基路面响应

3．4．1 静态轮胎载荷

3．4．2 轴重和胎压对静态轮载的影响

3．5 稳态滚动分析

3．5．1 稳态滚动分析理论

3．5．2 稳态滚动分析步简介

3．5．3 轮胎自由滚动

3．6 本章小结

第4章 沥青路面的疲劳寿命预测模型

4．1 沥青路面结构的主要病害

4．2 沥青路面疲劳失效预测

4．2．1 沥青路面疲劳预估模型

4．2．2 路面疲劳寿命预估

4．3 本章小结

第5章 结果与展望

致谢

参考文献

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