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原文传递沥青混合料断裂和车辙行为的离散元数值模拟和研究

论文题名：	沥青混合料断裂和车辙行为的离散元数值模拟和研究
关键词：	路面沥青混合料;断裂损伤;车辙行为;离散元数值模拟
摘要：	作为使用最广泛的路面材料，沥青混合料在长期的使用过程中要经历超载、温度骤变、雨水侵蚀等条件的影响，极易出现裂纹和车辙等常见的损坏现象，严重影响行车舒适度和安全性，同时增加路面维护和修复的难度，产生巨大开支。鉴于沥青混合料组成和内部结构的复杂性，建立含骨料和沥青胶浆等成分的沥青混合料异质模型，预测路面结构在受力情况下的开裂和车辙力学行为，对于预防和控制路面损坏具有重要的意义。　　离散元方法作为近年来兴起的数值方法受到越来越多的关注，其中一个重要原因就是它在处理大变形问题时能避免出现有限元方法中的单元失真。本文对试件截面图像执行数字图像处理，建立二维离散元异质模型，考虑到沥青混合料在低温开裂和高温车辙变形中表现出的不同力学特性，采用与之相适应的本构模型描述基体、界面和骨料的材料性能，开展力学行为仿真并与相应的实验结果对照。主要做了以下创新工作：　　（1）考虑骨料形状的复杂性以及在沥青混合料力学行为中起到的重要作用，本文提出了一种基于图像处理技术的构建异质模型的方法。该方法通过对试件截面图像中骨料边界的检测和细化提取骨料信息，结合投放算法把骨料一一映射到离散元软件中，从而建立沥青混合料离散元二维异质模型。模型中保留了骨料的级配，形状和分布等信息，为实验和数值模拟进行对照研究提供了非常好的途径。考虑计算效率，混合料被简化为粗骨料和沥青基体构成的两相复合材料。　　（2）开展了低温条件下沥青混合料预切口梁的三点弯曲实验，研究了预切口分别处于跨中和偏离跨中时，梁发生的I型和混合型断裂行为。考虑到沥青混合料低温下的准脆性断裂特性，采用线弹性本构模型描述骨料和沥青基体的材料性能，利用数字图像处理技术建立梁的离散元二维模型，研究了预切口位置和骨料分布对断裂力学行为的影响，从细观力学的角度分析了I型和混合型断裂发生时试件内部的作用力分布和断裂发生过程。　　（3）开展了低温条件下不同预切口取向的沥青混合料半圆弯曲试件断裂实验，分析了断裂行为与预切口取向的关系。为了揭示现象背后的内在机制，建立了与试件具有相同骨料信息的二维离散元数值模型，采用双线性内聚力模型来描述基体和界面的材料性能。研究了预切口取向对峰值载荷、相应位移和裂纹路径偏转角的影响，分析了法向和切向接触力在断裂过程中的作用，说明裂纹扩展是在混合模式下进行的。　　（4）利用沥青砂短期蠕变实验数据拟合得到了不同温度的Burgers模型材料参数，对参数做时温等效处理，并与等温的车辙实验结果对比验证了合理性。通过数字图像处理技术建立了车辙数值模拟的二维离散元模型，用Burgers模型描述沥青基体和界面的粘弹特性，开展了不同温度和不同超载条件下车辙变形数值模拟，研究了温度和超载对车辙变形及车辙变形增量的影响，从侧面验证了沥青软化点的存在以及它对车辙力学行为的巨大影响。
作者：	高虎
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：	2018
正文语种：	中文