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原文传递基于粘弹—粘塑性理论的沥青路面力学行为研究

论文题名：	基于粘弹—粘塑性理论的沥青路面力学行为研究
关键词：	沥青混合料;本构模型;有限单元法;路面结构力学
摘要：	随着我国社会经济的不断进步，公路交通基础设施建设得到了前所未有的发展。然而由于我国公路建设起步较晚，路面设计和分析技术薄弱，导致沥青路面出现了严重的车辙、裂缝和水损坏等病害现象，这不仅对社会产生了不良影响，在经济上也造成了巨大损失。沥青材料具有复杂的与时间依赖性力学行为，通过非线性固体力学理论对沥青路面行为进行建模和预估已成为道路工程研究领域的重点和难点。本文通过引入粘弹-粘塑性理论，建立反映与时间依赖性的沥青混合料本构模型，实现基于粘弹-粘塑性本构模型的有限元计算，进而对沥青路面力学行为进行数值模拟和预估模型建立。本文的研究工作促进了力学模型在路面结构分析和寿命预估中的分析应用，具有较高的理论意义和工程应用价值。本论文开展了如下工作: 　　 (1)在广泛收集国内外相关研究文献的基础上，分析沥青路面与时间相关力学行为的规律，建立了基于广义Maxwell模型和粘塑性理论的串联型粘弹-粘塑性本构方程，利用弹簧、阻尼和滑块等元件进行描述，将沥青混合料可恢复变形和不可恢复变形有机地结合起来，同时根据模型组成特性，对模型参数的敏感性进行了分析和研究。　　 (2)选定粘弹性粘性应变、粘塑性应变、运动硬化和等向硬化量作为材料系统的内部状态变量，构建包含材料内变量的Helmholtz自由能函数和反映系统耗散的耗散势函数，依据模型构建的串联特性，通过Ziegler正交法则、热力学势函数的正交理论和勒让德变换，推导了三维粘弹-粘塑性本构模型的流动方程以及内变量演化方程，构建了粘弹-粘塑性本构模型的热力学理论框架。　　 (3)利用广义Maxwell模型粘弹性时域和频域力学参数的互换关系式，采用参数配置法获取粘弹性松弛模量的Prony材料参数，提出了基于Tikhonov正则化方法解决松弛模量和蠕变柔度互换关系式的数值解法。结合室内蠕变试验和粘弹性计算蠕变柔度得出粘塑性变形，利用粘塑性本构方程的隐式构成特点，运用NDF法和多维单纯形法解决了粘塑性力学模型参数拟合问题。本文提出的粘塑性模型能较好地反映粘塑性永久应变率的演化规律，拟合曲线与试验数据结果曲线有很好的一致性，且参数特性明确，参数获取方法有效且稳定。　　 (4)将三维广义Maxwell粘弹性本构方程利用卷积方程进行表示，采用经典的梯形方法对粘弹性本构方程进行数值积分展开。在数值积分过程中利用Prony级数的特性，推导出卷积方程的递推公式，结合弹性材料本构方程表达方式，建立已知应变增量条件下的更新应力张量表达式，并推导出整体迭代过程中所需的粘弹性刚度矩阵。利用增量应变条件下计算尝试应力判断材料是否进入屈服状态，基于径向回退算法的全隐式积分方法计算子步条件下相应的增量变量，推导出粘塑性增量应变、屈服应力增量和运动硬化增量，更新增量步的应力状态变量。依据理论公式编制了能够在ABAQUS有限元软件中调用的粘弹-粘塑性模型UMAT子程序，并进行相关验证。　　 (5)利用本文开发的材料子程序，进行沥青路面力学行为的有限元模拟和分析。根据重载交通调查分析，进行重载沥青路面永久变形计算分析，同时依据轮胎荷载的非均匀性，对非均布荷载作用下沥青路面永久变形影响进行了探讨。　　本文在沥青路面粘弹-粘塑性分析方面所作的试验方法、本构理论以及数值模拟等一系列研究工作，将促进沥青路面力学行为的研究和发展，为完善沥青路面分析和设计提供解决问题之道。
作者：	朱耀庭
专业：	交通运输工程;道路和铁道工程
导师：	孙璐
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2010
正文语种：	中文