基于擴(kuò)展有限元的瀝青路面疲勞開裂行為的數(shù)值研究.pdf

1、疲勞開裂問(wèn)題是影響瀝青路面使用性能和結(jié)構(gòu)性能的重要因素，由于該問(wèn)題自身所具有的復(fù)雜性和重要性，使得疲勞開裂問(wèn)題一直是道路領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。傳統(tǒng)的疲勞破壞研究總是將整個(gè)破壞過(guò)程分割為裂紋形成階段和裂紋擴(kuò)展階段，再分別獨(dú)立的進(jìn)行分析，難以將疲勞過(guò)程視為一個(gè)連續(xù)的、自然的過(guò)程，同時(shí)也缺乏研究疲勞裂紋自由擴(kuò)展的有效手段。隨著擴(kuò)展有限元技術(shù)(XFEM)的逐步應(yīng)用，為疲勞開裂問(wèn)題的研究開拓了新的方向，本文根據(jù)瀝青混合料的疲勞損傷特性并結(jié)合擴(kuò)展有

2、限元方法，提出了一套能夠模擬結(jié)構(gòu)從疲勞損傷到裂縫形成再到裂縫疲勞擴(kuò)展這一全過(guò)程的有效方法。文章主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容:
　　在研究瀝青混合料的疲勞開裂行為之前，先研究了單調(diào)加載作用下材料發(fā)生一次性斷裂的過(guò)程，為后續(xù)疲勞開裂研究提供一定的基礎(chǔ)。本文以擴(kuò)展有限元法為基本手段，選取單邊切口梁、劈裂試件為研究對(duì)象，模擬瀝青混合料在Ⅰ型和Ⅰ-Ⅱ復(fù)合型模式下的開裂路徑與開裂過(guò)程。通過(guò)深入分析試件的力學(xué)響應(yīng)變化、破壞形態(tài)等特性，闡述瀝青混合

3、料的斷裂機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn):小梁荷載達(dá)到峰值的時(shí)刻，位于損傷產(chǎn)生之后、裂縫形成之前;小梁的斷裂過(guò)程可以解釋為損傷帶內(nèi)拉應(yīng)力下降、未損傷帶內(nèi)拉應(yīng)力上升（未進(jìn)入損傷）或者上升后再下降（已經(jīng)損傷）的過(guò)程，且損傷帶長(zhǎng)度不斷增加。通過(guò)數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了擴(kuò)展有限元法是模擬瀝青混合料裂縫自由擴(kuò)展的有效手段。
　　其次，根據(jù)疲勞損傷力學(xué)的基本原理，推導(dǎo)了小梁試件疲勞損傷的封閉解，通過(guò)編制用戶材料子程序UMAT實(shí)現(xiàn)了疲勞損傷力學(xué)的數(shù)值算法

4、。針對(duì)傳統(tǒng)疲勞損傷模型在描述瀝青混合料勁度衰變中的不足，同時(shí)為了解決不同控制模式下疲勞破壞狀態(tài)難以確定的問(wèn)題，深入研究了瀝青混合料疲勞過(guò)程中的勁度變化規(guī)律與內(nèi)部機(jī)理，并最終統(tǒng)一了不同控制模式下的疲勞破壞狀態(tài)，即將宏觀裂紋形成時(shí)刻作為最終破壞狀態(tài)。為了反映勁度的衰變規(guī)律以及疲勞極限的存在，提出了疲勞損傷修正模型，并基于三參數(shù)疲勞方程的回歸分析探討了疲勞極限的確定方法。研究表明:疲勞極限出現(xiàn)的標(biāo)志是存在某一個(gè)低應(yīng)變數(shù)據(jù)點(diǎn)，使得兩參數(shù)方程的相

5、關(guān)性明顯低于三參數(shù)方程，且回歸結(jié)果能通過(guò)t檢驗(yàn);在已經(jīng)得到滿足要求的疲勞極限值后，沒(méi)有必要繼續(xù)降低應(yīng)變水平進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。為了使得損傷模型能夠有效的應(yīng)用，提出了疲勞損傷臨界值的概念及其確定方法，并研究了剩余強(qiáng)度的衰變規(guī)律，為后續(xù)疲勞斷裂的研究提供理論基礎(chǔ)。最后，對(duì)常用的小梁疲勞試驗(yàn)進(jìn)行了疲勞損傷分析，促進(jìn)了損傷模型在工程實(shí)際中的應(yīng)用，并對(duì)疲勞過(guò)程中的疲勞壽命、勁度衰變、損傷演變以及力學(xué)響應(yīng)等問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究。結(jié)果表明:在控制應(yīng)變模式下

6、，應(yīng)變實(shí)際上在增大，但以應(yīng)力的下降為主;在控制應(yīng)力模式下，梁底處應(yīng)力下降與應(yīng)變?cè)龃蠖己苊黠@。
　　再次，通過(guò)分析疲勞破壞過(guò)程中材料所發(fā)生的一系列變化，將結(jié)構(gòu)的疲勞破壞分為三個(gè)階段:微觀裂紋形成階段、宏觀裂紋形成階段、宏觀裂紋擴(kuò)展階段，指出損傷累積并不是存在于疲勞過(guò)程中的某一個(gè)階段，而是貫穿整個(gè)疲勞破壞過(guò)程?；谛拚钠趽p傷模型和動(dòng)態(tài)XFEM開裂機(jī)制，提出了能夠反映疲勞開裂過(guò)程的材料本構(gòu)關(guān)系，繼而建立了一套完整的疲勞損傷-斷裂全過(guò)

7、程模擬方法。通過(guò)編制用戶損傷起始準(zhǔn)則子程序UDMGINI，實(shí)現(xiàn)了模擬方法在有限元中的實(shí)際應(yīng)用?；诒痉椒?，對(duì)半圓試件、含預(yù)切縫小梁試件、無(wú)預(yù)切縫小梁試件進(jìn)行了疲勞損傷-斷裂全過(guò)程模擬，分析了疲勞裂縫擴(kuò)展規(guī)律以及開裂過(guò)程中的力學(xué)響應(yīng)、疲勞損傷累積等特性，并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，檢驗(yàn)了模擬方法的有效性。結(jié)果表明:含預(yù)切縫小梁Ⅰ型和Ⅰ-Ⅱ復(fù)合型疲勞裂紋擴(kuò)展具有突然性和快速性;無(wú)預(yù)切縫小梁的宏觀裂紋擴(kuò)展階段壽命在總壽命中的比例僅占

8、13.4％，與試驗(yàn)結(jié)果(10.2％)基本一致;小梁整體勁度衰變規(guī)律與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，宏觀裂紋形成時(shí)刻是勁度衰變速度加快的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。
　　最后，根據(jù)前文提出并驗(yàn)證了的疲勞損傷-斷裂全過(guò)程模擬方法，建立瀝青路面結(jié)構(gòu)模型，模擬路面結(jié)構(gòu)疲勞損傷-疲勞裂縫形成-裂縫擴(kuò)展-結(jié)構(gòu)破壞的全過(guò)程。分別對(duì)無(wú)損路面疲勞損傷-斷裂過(guò)程以及反射裂縫疲勞擴(kuò)展過(guò)程進(jìn)行了研究，深入分析了瀝青路面疲勞破壞的特征與機(jī)理，尤其是疲勞裂縫在路面結(jié)構(gòu)中的擴(kuò)展規(guī)律，以加深對(duì)