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原文传递三维应力状态下沥青混合料疲劳特性温度相关性表征方法

专利名称：	三维应力状态下沥青混合料疲劳特性温度相关性表征方法
摘要：	本发明公开了三维应力状态下沥青混合料疲劳特性温度相关性表征方法，具体涉及道路工程领域，具体表征方法如下：S1、基于三维应力状态建立强度屈服面模型；S2、建立沥青混合料屈服面响应函数；S3、不同应力状态下疲劳应力路径的确定；S4、基于屈服准则思想的疲劳特性分析新方法。本发明方法从三维的角度重新定义了疲劳方程，并结合温度对疲劳寿命的影响，用温度对疲劳寿命进行表征。该方法确定的疲劳寿命方程，更科学，也更符合实际，可对我国沥青路面设计起到指导作用。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	湖南;43
申请人：	长沙理工大学
发明人：	吕松涛;樊喜雁;夏诚东;陈东;张芳超;郑健龙
专利状态：	有效
申请日期：	2019-05-09T00:00:00+0800
发布日期：	2019-09-27T00:00:00+0800
申请号：	CN201910382694.2
公开号：	CN110286045A
代理机构：	重庆市信立达专利代理事务所(普通合伙)
代理人：	包晓静
分类号：	G01N3/32(2006.01);G;G01;G01N;G01N3
申请人地址：	410000 湖南省长沙市天心区赤岭路45号
主权项：	1.三维应力状态下沥青混合料疲劳特性温度相关性表征方法，其特征在于：具体表征方法如下： S1、基于三维应力状态建立强度屈服面模型； S1.1、建立三维应力状态下沥青路面材料的破坏准则，通过物体内一点作出无数个不同取向的截面，其中选出三个互相垂直的截面，用这三个截面表达某点上的应力，即此点的应力状态，根据三个主应力轴上的应力值，将应力状态分为三维应力状态、二维应力状态和单向应力状态； S1.2、基于八面体剪应力强度理论，将材料破坏时的任意应力状态用应力空间中的一个点唯一地表征，材料破坏时所有的应力状态构成应力空间中的一个连续曲面，该曲面为材料的强度屈服面，在强度屈服面中，建立主应力空间坐标，生成强度屈服面模型；在强度屈服面模型中，通过主应力轴在等倾面上的投影，确定σ1’、σ2’、σ3’轴，然后经坐标原点与σ1’、σ2’、σ3’轴确定等倾线；在强度屈服面模型中，将应力空间中任意应力矢在等倾线上的投影用八面体正应力表示；将应力矢在等倾面上的投影用八面体剪应力表示；将应力矢方向用罗德角表示；在强度屈服面模型中，不同静水压力下拉伸的屈服点合集形成拉子午线，不同静水压力下压缩的屈服点合集形成压子午线，某一静水压力下所有不同应力状态下屈服点合集形成破坏包络线，破坏包络线包括不同应力状态；最后在不同应力状态的强度屈服面模型中找到将不同应力状态下疲劳特性归一的方法； S1.2.3、利用Tresca屈服条件和Mises屈服条件，确认沥青混合料的屈服面与破坏面区别不大，得到的屈服准则值代表沥青混合料的破坏程度； S2、建立沥青混合料屈服面响应函数；利用屈服面的响应函数描述土工材料和沥青混合料在静水应力下的塑性响应； S3、不同应力状态下疲劳应力路径的确定；在不同应力状态下进行疲劳试验，在应力控制模式下以初始应力水平作为疲劳峰值，不同应力状态下疲劳试验的初始点在不同加载速率下强度屈服面中用坐标表示，不同加载次数下的应力状态点形成疲劳轨迹线，即疲劳应力路径，然后对不同应力状态下疲劳过程始终点进行线性拟合，建立三维应力状态下的疲劳模型； S4、基于屈服准则思想的疲劳特性分析新方法；采用屈服准则思想，利用不同应力状态下强度屈服面和不同应力状态下疲劳应力路径，结合温度对疲劳寿命的影响，通过温度对疲劳模型进行修正，得到一种三维应力状态下沥青混合料疲劳特性的温度相关性表达方法，具体为：轨迹线上初始状态点C到破坏状态点D的距离即CD的长短表征了其抗疲劳破坏的能力，CD越长，其抗疲劳能力越强，此时用OC与OD的长度之比来表征其抗疲劳破坏的能力，即：另一方面，破坏点D点的纵坐标即剪应力强度表征了在对应疲劳试验条件下，材料或结构所具有的抗破坏的能力，对于确定的屈服面条件，即剪应力强度一定的情况下，疲劳试验时的初始剪应力强度越小，其抗疲劳性能越强，此时用C点与D点的纵坐标之比来表征其抗疲劳破坏的能力，即：从以上分析可以看出，两式均具有明确的力学物理意义，二者的数值大小也是相等的，即： 2.根据权利要求1所述的三维应力状态下沥青混合料疲劳特性温度相关性表征方法，其特征在于：所述步骤S1.1中，作出的截面上只有正应力作用，剪应力等于零，且三维应力状态为三个主应力不等且都不等于零的应力状态；二维应力状态为三个主应力中只有一个主应力等于零的应力状态，单向应力状态为三个主应力中有两个主应力等于零的应力状态。 3.根据权利要求1所述的三维应力状态下沥青混合料疲劳特性温度相关性表征方法，其特征在于：所述步骤S1.2中，对于各向同性材料，三维应力状态强度屈服面只与内部材料、密度和空隙率相关，外因与温度、气压和加载速率相关。 4.根据权利要求3所述的三维应力状态下沥青混合料疲劳特性温度相关性表征方法，其特征在于：所述步骤S1.2中：在主应力空间中，过坐标原点且与σ1、σ2、σ3轴的夹角相同的直线称为等倾线；与等倾线垂直的平面称之为等倾面，对应于单元体上的八面体平面，主应力轴在等倾面上的投影用σ1’、σ2’、σ3’轴表示，它们的夹角为120°。 5.根据权利要求4所述的三维应力状态下沥青混合料疲劳特性温度相关性表征方法，其特征在于：所述步骤S1.2中，应力空间中任意应力矢在等倾线上的投影为八面体正应力σoct， σoct＝(σ1+σ2+σ3)/3 该点在等倾面上的投影为八面体剪应力τoct 其方向用罗德角θ表示 6.根据权利要求5所述的三维应力状态下沥青混合料疲劳特性温度相关性表征方法，其特征在于：所述步骤S1.2中，破坏包络线为破坏包络面与等倾面的交线，破坏包络线为封闭曲线，其尺寸随平均应力而变化，但是形状相似，在各向同性条件下，主应力轴在破坏包络面上的投影为破坏包络线的对称轴，由于破坏包络线的对称性，只要获得0-60°的破坏包络线，通过映射即可得到整个破坏包络线。 7.根据权利要求6所述的三维应力状态下沥青混合料疲劳特性温度相关性表征方法，其特征在于：所述步骤S1.2中，所述拉子午线为：等倾线与σ1轴所成的平面与破坏面所交的曲线；拉子午线在等倾面上的投影与σ1轴重合，罗德角为0°；所述压子午线为：等倾线与σ3轴所成的平面与破坏面所交的曲线，压子午线在等倾面上的投影与σ3轴重合，罗德角为60°。 8.根据权利要求1所述的三维应力状态下沥青混合料疲劳特性温度相关性表征方法，其特征在于：所述步骤S2中，屈服面能够应用于应力不变量空间和应变不变量空间，在应力不变量空间条件下，屈服面的表达形式为：式中：I1为第一应力张量不变量；J2分别为第二偏应力不变量，J3为第三偏应力不变量，Pa为大气压力；α,β,γ,n,R为模型参数；将I1、J2的表达式与八面体主应力、剪应力公式相比，得因此，在空间，屈服面表达公式表示的屈服面为一封闭曲面，且这一封闭曲面的三维坐标与八面体剪应力强度屈服面的三维坐标成倍数关系，证明屈服面模型和八面体剪应力强度屈服面模型具有同一性；在单向应力状态下，模型参数α,β在峰值应力处为0，因此屈服面在空间将退化为一条直线[75]，表达形式如下：即：在空间，上式表示的屈服面为一条直线，上式左边所示的表达式是Mises屈服条件的准则量，其物理意义为剪应力强度，即上式满足Mises屈服条件。 9.根据权利要求1所述的三维应力状态下沥青混合料疲劳特性温度相关性表征方法，其特征在于：所述步骤S3中，定义不同应力状态下疲劳应力路径方程为： 10.根据权利要求1所述的三维应力状态下沥青混合料疲劳特性温度相关性表征方法，其特征在于：所述步骤S4中，通过origin软件拟合不同温度下沥青混合料的疲劳寿命曲线；可得到k值n值，然后再对参数n和k随温度的变化进行拟合；得到以下关系式：此关系式将疲劳寿命与温度建立联系，将三维应力状态下的疲劳寿命用温度进行了表征。
所属类别：	发明专利