基于UMAT子程序开发的沥青混合料细-宏观统一力学模型研究

摘要

沥青混合料是多相复合材料，其宏观力学性能受细观材料特性影响较大。然而，为便于实际工程应用，对沥青路面结构设计一般采用简化模型，忽略材料非均匀性、拉压力学性能差异性、细观损伤累积等方面的影响；在这样的情况下，所求取的沥青路面结构设计参数存在一定的不合理性，不能满足实际要求。因此，必须将沥青混合料的细观材料特性与其宏观力学响应相结合，提高沥青路面工程设计与真实情况的吻合度,从而达到预期目标。本文主要研究内容如下：
　　首先，对本文所采用的力学模型和材料特性参数进行了介绍。选取了与沥青混合料力学响应规律相吻合的等效应力准则、塑性流动准则和强化准则，通过集料取向性参数和材料应变发展分别获取了相应的横观各向同性矩阵和损伤因子，构建了细-宏观尺度材料特性相结合的沥青混合料统一力学模型。
　　其次，基于 ABAQUS软件平台，进行材料模型的 UMAT子程序开发。构建了子程序调用和调试模块，并对材料变形阶段进行判断，通过返回映射算法、泰勒级数展开和迭代求解获取了等效塑性应变增量，实现了材料应力状态和雅各比矩阵的实时更新，同时通过引入向量形式的横观各向同性参数和单标量形式的损伤因子，实现了细-宏观统一力学模型的数值推导和程序编写。
　　再次，验证了子程序的有效性，分析了各项参数的影响性。对比了UMAT子程序和软件自带材料库对同一模型的计算结果，并依据控制变量法获取了硬化参数、横观各向同性参数、损伤参数对材料力学响应的影响，为沥青路面结构设计提供了相应的建议。
　　最后，验证了子程序的实用性，获取了相关参数下的面层结构响应。通过室内单轴压缩试验求取了子程序所需的材料参数，验证了子程序在实际应用中的可行性，并依据道路面层结构仿真，获得了取向性参数对道路力学响应的影响。
　　可以看到，本文成功引入了集料取向性、损伤缺陷等特性参数，获取了相应的细-宏观统一力学模型，从而能更全面真实的对沥青混合料力学性能进行描述，并从材料细观特性出发为沥青路面结构设计提供了相应的参考建议。

目录

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 宏细观尺度下沥青混合料弹塑性理论

2.1 沥青混合料弹塑性演化准则

2.2 横观各向同性

2.3 损伤演变规律

2.4 本章小结

第3章 弹塑性本构推导及UMAT子程序开发

3.1 软件ABAQUS用户子程序开发

3.2 弹塑性本构模型数值化

3.3 材料细观特性参数的引入

3.4 本章小结

第4章 UMAT子程序验证及材料参数影响性分析

4.1 模型验证

4.2 屈服演化参数影响分析

4.3 其他参数影响分析

4.4 本章小结

第5章 UMAT子程序材料参数获取及路面响应分析

5.1 试件制备及单轴压缩试验介绍

5.2 UMAT子程序材料参数的确定

5.3 单轴压缩试验的有限元模拟

5.4 基于UMAT子程序的路面响应分析

5.5 本章小结

结论

一、主要结论

二、本文创新点

三、展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢