三维谱单元及其在路面检测中的应用和路面材料本构模型研究

摘要

在现今的道路路面工程中,FWD (Falling Weight Deflectometer) 路面动力无损检测和路面路基材料的试验检测是路面检测的两个重要内容.FWD是近年来流行的先进的无损检测设备,由于能很好地模拟行车荷载对路面的作用,因而比起其它静态检测技术具有明显优势.而试验检测可以显示不同环境条件下,某材料试件从加载到破坏的全过程,因此以上两种检测在路面工程中相辅相成,相互补充. 针对FWD无损检测设备,本文开发了适于反演的三维谱单元动力模型.此模型利用谱单元原理,提出了三维两节点谱单元和三维一节点谱单元这两种新的单元,用于计算三维层状系统受到冲击荷载的动力解.一层为一个单元,其中层单元用于描述层结构,节点单元用于描述半无限的地基.三维谱单元的劲度矩阵是由三维系统的动力精确解推导出来的,单元之间的连接类似有限单元法.动力解通过基于频率上波数的叠加而得到,有效地避免了无穷积分数值方法带来的效率不高的问题.从时域到频率域的转换,使用的方法是快速傅立叶变换(FFT).本研究编制了基于三维谱单元的程序,对冲击荷载下的层状系统进行分析.通过与三维有限元结果和实测结果的比较,验证了整个系统的正确性;同时通过计算时间的对比,证明了三维谱单元系统的高效性. 粘弹性三维谱单元模型将粘弹性本构关系与三维谱单元模型联系在一起.为解决这类动力问题,选用四参量Burgers粘弹性模型.其微分算子的数学表达直接与谱单元力学模型相联系.将Burgers的微分算子代入运动微分方程,使得谱单元的计算摸在频率域内进行.依据文中原理,编制了粘弹性三维谱单元程序.通过弹性材料和粘弹性材料受到相同荷载时位移反应的比较,说明了粘弹性材料的粘滞回复现象对位移的影响. 基于三维谱单元的力学模型,本文开发了动力全程反分析系统.反分析的输入是各个传感器全程的位移反应数据,输出是层系统的结构物理量.因为动力方程为非线性的,所以采用无约束非线性优化方法--改进的Powell方法,优化迭代过程在频率域内进行,优化目标是理论和实测位移的差值最小.三维粘弹性谱单元的全程反分析系统根据正分析模型,使用非线性优化,直接反演出粘弹性层体的复弹性模量.相应的程序使用FORTRAN语言编写,通过对三层或四层刚性、柔性路面体系和粘弹性的层状体系的反演结果证明,反算过程稳定收敛且效率高. 本文同时应用人工神经网络(ANN),开发了基于三维谱单元系统的动力峰值反分析系统.人工神经网络选用误差反向传播算法(BP网络).各个传感器的峰值位移作为系统输入,结构参量作为系统输出,通过训练学习建立输入单元和输出单元之间的非线性映射.由三维动力谱单元法计算得到的峰值位移作为学习样本.反分析系统可以同时反演层弹性模量和层厚.典型的三层路面体系反演结果证明,系统误差符合工程要求. 应用动态全程反分析系统和动态峰值反分析系统对连续配筋水泥混凝土路面(CRCP)的FWD实测数据进行反演.并且与静力反分析的结果作比较,证明了所开发的动力全程反分析法的精度较高,所开发的动力峰值反分析法实用且精度满足工程要求. 针对检测荷载和车辆荷载下路面材料出现的非线性问题,本文对路面材料不同应变率下的检测进行了非线性分析.沥青混凝土材料试验检测的数值分析应用Desai塑性理论中的重要本构模型HISS模型,对模型参数与屈服面方程的关系进行了研究.利用单轴试验数据的特点确定HISS模型中的参量,通过调整参量来模拟本构关系中的软化段和硬化段.HISS本构模型和三维有限元的结合,开发了基于Desai模型的三维非线性有限元程序. 引入沥青混凝土的实测数据,将应变率要素作为变量放入确定模型参量的方程中,建立应变率变量与模型参量的关系.有限元模拟沥青混凝土的单轴试验从加载到破坏的全过程.计算与试验的应力应变关系吻合良好.同时利用材料已有的HISS模型参量,对间接拉伸试验(ITT)进行数值分析.

目录

文摘

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第一章绪论

1.1路面动力检测设备FWD的研究现状

1.1.1路面无损检测设备FWD介绍

1.1.2 FWD国内外研究现状

1.1.3动态分析的力学模型

1.1.4常用的反分析的方法

1.2对路面材料非线性本构的研究现状

1.2.1对沥青混凝土材料的试验检测

1.2.2非线性弹塑性本构模型的发展

1.2.3 Desai的HISS模型的发展

1.3本文的主要研究内容

1.4本文的创新点

第二章三维层状路面系统的动力谱单元研究

2.1引言

2.2动力控制方程及势函数

2.3谱单元的形成

2.3.1两节点的层单元

2.3.2单节点谱单元

2.4整体劲度的形成

2.5冲击荷载的变换

2.6计算步骤

2.7例证

2.8三维谱单元法高效率的原因

2.9小结

第三章粘弹性三维层状系统的动力谱单元研究

3.1引言

3.2 Burgers粘弹性本构模型

3.3谱单元的单元劲度矩阵

3.4例证

3.5小结

第四章基于三维谱单元模型的动力反演系统

4.1引言

4.2反分析系统

4.2.1对于测量数据的分析

4.2.2对于理论计算的分析

4.3反分析系统的优化

4.3.1系统的优化目标

4.3.2系统的优化方法

4.4系统反分析程序的步骤和流程

4.5粘弹性参量的反演系统

4.6弹性动力反演系统的例证

4.7粘弹性反演系统的例证

4.8小结

第五章应用人工神经网络的峰值反演系统

5.1引言

5.2人工神经网络

5.2.1人工神经网络的基础

5.2.2人工神经网络的特点

5.3 BP神经网络模型

5.3.1 BP网络的结构

5.3.2 BP网络的训练

5.3.3 BP的改进方法

5.3.4 BP网络和动力谱单元计算的结合

5.4柔性路面三层体系反演系统

5.5小结

第六章连续配筋水泥混凝土路面FWD实测数据反演

6.1项目介绍

6.2 FWD检测情况介绍

6.3 FWD数据概况

6.4反演分析结果比较

6.4.1动态全程反分析法结果

6.4.2神经网络动态峰值反分析法结果

6.5小结

第七章路面材料非线性本构模型的研究

7.1 HISS模型的屈服面方程

7.2模型参量

7.2.1模型参量α对屈服方程的影响

7.2.2模型参量γ对屈服方程的影响

7.2.3模型参量n对屈服方程的影响

7.2.4模型参量β对屈服方程的影响

7.2.5模型参量R对屈服方程的影响

7.3本构与HISS模型

7.4用单轴拉压试验结果确定模型参数

7.4.1单轴应力状态下屈服方程

7.4.2模型参量β的确定

7.4.3模型参量R和γ的确定

7.4.4模型参量n的确定

7.4.5参量α的确定

7.4.6通过降低参量γ实现对软化的模拟

7.4.7单轴试验下Desai模型的参量总结

7.5本构模型与有限元的结合

7.5.1结合原理

7.5.2计算步骤

7.6小结

第八章沥青混凝土试验非线性数值模拟

8.1沥青混凝土

8.1.1密实类高性能沥青混凝土

8.1.2多孔隙类高性能沥青混凝土

8.2沥青混凝土的试验

8.3沥青混凝土试验的基本信息

8.4应力关键点与应变率的关系

8.5参数R，γ0和n与应变率的关系

8.6参数α与应变率的关系

8.7其它参数

8.8单轴压缩试验的数值模拟

8.9有限元模拟ITT试验

8.10 小结

第九章总结与展望

9.1全文工作总结

9.2全文的创新点

9.3下一步研究工作的展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表论文

致 谢