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原文传递沥青混合料损伤本构模型与损伤断裂行为数值模拟

论文题名：	沥青混合料损伤本构模型与损伤断裂行为数值模拟
关键词：	道路工程;沥青混合料;损伤本构模型;断裂行为;数值模拟
摘要：	沥青混合料是由粗、细骨料和沥青胶浆等组成的多相异质复合材料，组成成分力学性质差别大，细观结构也非常复杂，对材料宏观力学性能有重要影响。因此，建立沥青混合料包含组成成分和细观结构信息的计算模型，研究包含损伤发生发展、裂纹萌生和扩展的断裂行为和规律，为路面材料优化和结构设计提供指导和参考，具有重要的理论和工程实际意义。论文将沥青混合料看作沥青砂和粗骨料构成的两相复合材料，在实验研究基础上建立了沥青砂在不同载荷和温度条件下的损伤本构模型，采用随机投放算法建立了沥青混合料两相异质结构模型，数值模拟了三点弯曲试件、半圆弯曲试件和直接拉伸试件中损伤发生发展和裂纹扩展过程，讨论了影响裂纹扩展的一些主要因素，分析了损伤断裂的内在机制。主要的创新性研究工作包括：　　（1）在Burgers模型中引入粘塑性模型和损伤参数，建立了适合描述沥青砂高温蠕变的粘弹塑性损伤本构模型。模型参数为加载应力、温度的函数，由不同温度和应力下的蠕变实验确定，经过预测值和实验值的对比，验证了模型的合理性。进一步分析了沥青砂变形和损伤演化过程，发现随着温度和应力的增加，永久变形和损伤的增长表现为先慢后快，而且主要集中在蠕变第三阶段。提出了适合描述沥青混合料低温损伤破坏的弹脆性损伤本构模型和损伤演化模型，设计了沥青砂单轴拉伸实验，利用声发射技术测定了与材料损伤程度对应的事件数，得到了损伤演化模型参数。编制了损伤的有限元数值迭代计算格式。分别采用最大损伤和最大损伤梯度建立了断裂准则和裂纹扩展方向判据。　　（2）借助骨料随机生成和投放的参数化建模方法，创建了能反映组分和细观结构特点的沥青混合料二维异质结构模型，提出了低温下沥青混合料损伤演化和断裂行为的异质细观断裂模拟框架。分析了三种不同位置预切口三点弯曲梁的损伤破坏行为，得到了载荷位移曲线、断裂路径和裂纹尖端损伤分布，比较了计算结果和实验数据，证明了计算模型和方法的可行性。考察了预切口位置与骨料分布对整体损伤断裂行为的影响，发现预切口位置是主要影响因素，决定着断裂路径整体走向，骨料分布也有一定的影响，可以改变断裂路径的局部走向。　　（3）建立了沥青混合料半圆弯曲试件的异质细观结构模型，模拟了不同角度预切口半圆弯曲试件的损伤断裂行为。通过将计算得到的裂纹扩展路径和载荷位移曲线与半圆弯曲实验结果进行比较，验证了计算模型和方法的可靠性。分析了预切口角度与骨料分布对沥青混合料开裂路径和损伤分布的影响，结果表明预切口角度越大，高损伤区域的损伤梯度方向与中心线夹角越大，裂纹初始扩展路径的弯折程度越大，载荷位移曲线的载荷峰值也越大。因此，和骨料分布相比，预切口角度是更重要的影响因素。　　（4）建立了沥青混合料直接拉伸试件的异质细观结构模型，模拟了直接拉伸载荷作用下试件的损伤断裂行为。将计算得到的载荷位移曲线与直接拉伸实验结果进行了对比，证明了模型和方法的可靠性。考察了主裂纹形成的形态以及骨料分布对混合料直接拉伸损伤破坏行为的影响。研究发现，直接拉伸试件断裂的主裂纹形态有两种，一种为单主裂纹形态，另一种为双主裂纹形态。与单主裂纹形态相比较，双主裂纹形态的高损伤区域面积更大，消耗的断裂能也更多，因此载荷位移曲线峰值后的软化阶段更平缓。
作者：	曾国伟
专业：	固体力学
导师：	杨新华
授予学位：	博士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文