本文選題：瀝青路面 + 疲勞開裂��； 參考：《東南大學》2015年博士論文

【摘要】：疲勞開裂問題是影響瀝青路面使用性能和結(jié)構(gòu)性能的重要因素,由于該問題自身所具有的復(fù)雜性和重要性,使得疲勞開裂問題一直是道路領(lǐng)域的研究熱點和難點。傳統(tǒng)的疲勞破壞研究總是將整個破壞過程分割為裂紋形成階段和裂紋擴展階段,再分別獨立的進行分析,難以將疲勞過程視為一個連續(xù)的、自然的過程,同時也缺乏研究疲勞裂紋自由擴展的有效手段。隨著擴展有限元技術(shù)(XFEM)的逐步應(yīng)用,為疲勞開裂問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)合擴展有限元方法,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展這一全過程的有效方法。文章主要包括以下幾個方面的內(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)生一次性斷裂的過程,為后續(xù)疲勞開裂研究提供一定的基礎(chǔ)。本文以擴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程。通過深入分析試件的力學響應(yīng)變化、破壞形態(tài)等特性,闡述瀝青混合料的斷裂機理。研究發(fā)現(xiàn)：小梁荷載達到峰值的時刻,位于損傷產(chǎn)生之后、裂縫形成之前：小梁的斷裂過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(未進入損傷)或者上升后再下降(已經(jīng)損傷)的過程,且損傷帶長度不斷增加。通過數(shù)值結(jié)果與試驗結(jié)果的對比,驗證了擴展有限元法是模擬瀝青混合料裂縫自由擴展的有效手段。其次,根據(jù)疲勞損傷力學的基本原理,推導(dǎo)了小梁試件疲勞損傷的封閉解,通過編制用戶材料子程序UMAT實現(xiàn)了疲勞損傷力學的數(shù)值算法。針對傳統(tǒng)疲勞損傷模型在描述瀝青混合料勁度衰變中的不足,同時為了解決不同控制模式下疲勞破壞狀態(tài)難以確定的問題,深入研究了瀝青混合料疲勞過程中的勁度變化規(guī)律與內(nèi)部機理,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)的標志是存在某一個低應(yīng)變數(shù)據(jù)點,使得兩參數(shù)方程的相關(guān)性明顯低于三參數(shù)方程,且回歸結(jié)果能通過t檢驗；在已經(jīng)得到滿足要求的疲勞極限值后,沒有必要繼續(xù)降低應(yīng)變水平進行疲勞試驗。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,對常用的小梁疲勞試驗進行了疲勞損傷分析,促進了損傷模型在工程實際中的應(yīng)用,并對疲勞過程中的疲勞壽命、勁度衰變、損傷演變以及力學響應(yīng)等問題進行了深入的研究。結(jié)果表明：在控制應(yīng)變模式下,應(yīng)變實際上在增大,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)變增大都很明顯。再次,通過分析疲勞破壞過程中材料所發(fā)生的一系列變化,將結(jié)構(gòu)的疲勞破壞分為三個階段：微觀裂紋形成階段、宏觀裂紋形成階段、宏觀裂紋擴展階段,指出損傷累積并不是存在于疲勞過程中的某一個階段,而是貫穿整個疲勞破壞過程。基于修正的疲勞損傷模型和動態(tài)XFEM開裂機制,提出了能夠反映疲勞開裂過程的材料本構(gòu)關(guān)系,繼而建立了一套完整的疲勞損傷-斷裂全過程模擬方法。通過編制用戶損傷起始準則子程序UDMGINI,實現(xiàn)了模擬方法在有限元中的實際應(yīng)用�；诒痉椒�,對半圓試件、含預(yù)切縫小梁試件、無預(yù)切縫小梁試件進行了疲勞損傷-斷裂全過程模擬,分析了疲勞裂縫擴展規(guī)律以及開裂過程中的力學響應(yīng)、疲勞損傷累積等特性,并將計算結(jié)果與試驗結(jié)果進行了對比分析,檢驗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)合型疲勞裂紋擴展具有突然性和快速性；無預(yù)切縫小梁的宏觀裂紋擴展階段壽命在總壽命中的比例僅占13.4%,與試驗結(jié)果(10.2%)基本一致；小梁整體勁度衰變規(guī)律與試驗結(jié)果基本吻合,宏觀裂紋形成時刻是勁度衰變速度加快的轉(zhuǎn)折點。最后,根據(jù)前文提出并驗證了的疲勞損傷-斷裂全過程模擬方法,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-裂縫擴展-結(jié)構(gòu)破壞的全過程。分別對無損路面疲勞損傷-斷裂過程以及反射裂縫疲勞擴展過程進行了研究,深入分析了瀝青路面疲勞破壞的特征與機理,尤其是疲勞裂縫在路面結(jié)構(gòu)中的擴展規(guī)律,以加深對路面疲勞開裂行為的理解。分析表明：無損路面疲勞擴展階段的壽命占全過程壽命的百分比為38%,約為裂縫形成階段壽命的0.6倍；在底基層存在初始裂縫的條件下,基層反射裂縫形成與擴展階段的總壽命僅為21萬次,且反射裂縫在基層擴展的速率是無損結(jié)構(gòu)裂縫擴展速率的49倍,符合早期病害的特征。根據(jù)本文模擬得到的結(jié)果,可以實現(xiàn)對瀝青路面結(jié)構(gòu)不同階段壽命的預(yù)估,對現(xiàn)有路面結(jié)構(gòu)的評價和新建路面結(jié)構(gòu)的抗裂設(shè)計均具有一定的指導(dǎo)意義。
[Abstract]:In this paper , based on the basic principle of fatigue damage mechanics , this paper presents a new method to simulate the fatigue damage of asphalt mixture .
In order to make the damage model effective , the concept of fatigue damage threshold and its determination method are put forward . In order to make the damage model be applied effectively , the fatigue damage threshold value is analyzed , the fatigue life , stiffness decay , damage evolution and mechanical response in the fatigue process are studied .
Based on the modified fatigue damage model and the dynamic XFEM cracking mechanism , this paper presents a complete simulation method of fatigue damage - fracture . Based on the modified fatigue damage model and dynamic XFEM cracking mechanism , this paper presents a complete simulation method of fatigue damage - fracture . Based on the modified fatigue damage model and dynamic XFEM cracking mechanism , this paper presents a complete simulation method of fatigue damage - fracture .
The proportion of the life of the macrocrack growth phase with no pre - slit small beam in the total life was only 13.4 % , which was basically consistent with the test result ( 10.2 % ) .
The whole process of fatigue damage - fracture process and fatigue crack growth process of asphalt pavement is studied . The fatigue damage - fracture process and fatigue crack growth process of asphalt pavement are studied . The fatigue damage - fracture process and the fatigue crack growth process of asphalt pavement are studied .
Under the condition of the initial crack in the base course , the total lifetime of the base layer reflection crack formation and expansion phase is only 21 thousand times , and the rate of the reflection crack at the base layer is 49 times of the crack propagation rate of the non - destructive structure , which accords with the characteristics of the early disease . According to the simulation results , it is possible to realize the estimation of the life of different stages of the asphalt pavement structure , and has certain guiding significance to the evaluation of the existing pavement structure and the anti - cracking design of the new pavement structure .
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：U416.217;U418.66
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本文編號：2018482