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原文传递基于扩展有限元的沥青复合小梁细观异质模型裂缝扩展行为研究

论文题名：	基于扩展有限元的沥青复合小梁细观异质模型裂缝扩展行为研究
关键词：	沥青路面;沥青复合小梁;细观异质模型;裂缝扩展行为;疲劳寿命
摘要：	沥青路面凭借其优良的性能在中国高等级路面中得到了广泛使用，但是在车辆荷载、温度应力以及其他外界因素下路面容易出现早期开裂现象，严重影响了道路使用性能和安全性能，缩短了道路的使用寿命。为探讨沥青路面裂缝扩展规律以及疲劳寿命，开展的试验研究大多是针对单一级配的沥青混合料小梁进行三点或四点弯曲试验，分析材料的力学参数，但只能得到大致表征路面裂缝的扩展趋势及相对疲劳寿命，与真实反映路面裂缝扩展行为还有一定差距。数值模拟方面，扩展有限元解决了常规有限元法在模拟裂缝扩展时需要不断网格重构的缺点，其原理是使裂纹面与网格分离，从而实现了裂纹的自由扩展。目前扩展有限元法用于裂缝扩展方面的研究已越来越广泛，但是还大多采用均质模型对路面裂缝扩展行为进行模拟，而实际路面中的沥青混合料是由骨料、空隙以及沥青基质组合而成的颗粒增强型复合材料，目前学者对于沥青路面细观异质模型下的裂缝扩展行为研究的还相对较少。　　本文采用试验和数值模拟方法，围绕建立能更准确地表征路面裂缝扩展行为的数值模型展开了研究，主要研究内容如下: 　　(1)采用平板支撑方式对沥青复合小梁进行了疲劳试验，探讨其在不同预设裂缝形式下的裂缝扩展行为及疲劳寿命，并将试验结果与三点弯曲梁试验结果进行对比，研究支撑方式不同、裂缝形式不同对复合小梁裂缝扩展行为和疲劳寿命的影响;结果表明不同支撑方式下小梁裂缝总体扩展趋势保持一致，但是在裂缝起裂方式、裂缝扩展数量以及疲劳寿命方面差别较大，平板支撑方式下小梁的变形形态更符合实际路面车辆荷载作用下的变形状况。　　(2)采用PFC颗粒流软件中的随机骨料生成与投放算法建立了考虑骨料分布、骨料体积比、骨料级配以及骨料、空隙共存形式下的沥青复合小梁细观异质模型，并通过导入Abaqus软件实现了扩展有限元在细观异质模型中的应用，将模拟结果与均质模拟结果、试验结果进行了对比分析，发现两种数值模型下小梁内部最大主应力分布、位移、裂缝扩展规律差别较大。复合小梁细观异质模型下高应力区分布于骨料及其周边区域且大致呈现出以荷载作用位置为圆心的波浪形式往外扩散方式;空隙由于压缩变形会吸收部分从荷载作用位置传递过来的应力，在一定程度上能够更好地抵抗裂缝扩展但却会使得小梁竖向变形增加;骨料、空隙的存在对于小梁裂缝扩展路径具有一定的“吸引”作用，裂缝扩展倾向于沿着骨料、空隙周边进行。细观异质模型下裂缝扩展行为能够更真实地反映试验中复合小梁裂缝扩展行为。本文所建立复合小梁细观异质模型对于揭示路面裂缝扩展机理、预测裂缝扩展路径、以及裂缝扩展行为防治具有一定的工程指导实践意义。
作者：	朱海鹏
专业：	固体力学
导师：	李双蓓
授予学位：	硕士
授予学位单位：	广西大学
学位年度：	2018