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.pdf
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1、分类号U416 密级UDC _硕士学位论文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学科专业 固体力学 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摘要沥青路面凭借其优良的性能在我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
2、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
3、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Aba qus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
4、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。关键词:沥青复合小梁预
5、设裂缝疲劳寿命扩展有限元扩展路径随机骨 料生成与投放细观异质模型IIRESEARCH ON CRACK PROPAGATION BEHAVIOR OFASPHALT COMPOSITE BEAMS MICRO-HETEROGENEOUSMODEL BASED ON EXTENDED FINITE ELEMENTABSTRACTAspha lt pa vement ha s been widely used in high-gra de pa vements in China beca use of its excellent performa nce.However,it is prone t
6、o ea rly cra cking due to vehicle loa ds,tempera ture stress,a nd other externa l fa ctors,which seriously a ffects roa d performa nce a nd sa fety performa nce,a nd shortens the roa d.The service life.In order to investiga te the cra ck propa ga tion la w a nd fa tigue life of a spha lt pa vement,m
7、ost of the experimenta l studies ca rried out were conducted on a three-point or four-point bending test of a single gra ding a spha lt mixture girder.The mecha nica l pa ra meters of the ma teria l were a na lyzed,but only the pa vement cra cks could be roughly identified.The trend of expa nsion a
8、nd rela tive fa tigue life is still somewha t different from the a ctua l reflection of cra ck propa ga tion.For numerica l simula tion,the extended finite element solves the disa dva nta ges of the conventiona l finite element method tha t requires consta nt mesh reconstruction when simula ting cra
9、 ck propa ga tion.The principle is to sepa ra te the cra ck surfa ce from the mesh,thereby a chieving a free expa nsion of the cra ck.At present,the resea rch on the a pplica tion of the extended finite element method to cra ck propa ga tion ha s become more a nd more extensive.However,the homogeniz
10、a tion model is mostly used to simula te the pa vement cra ck propa ga tion beha vior.The a spha lt mixture in the a ctua l pa vement is composed of a ggrega tes,voids a nd a spha lt ma trix.Combined pa rticle-reinfbrced composite ma teria ls,there a re still rela tively few schola rs studying the c
11、ra ck propa ga tion beha vior of the mesoscopic heterogeneity model.In this pa per,experimenta l a nd numerica l simula tion methods a re used to develop a numerica l model tha t ca n more a ccura tely represent the beha vior of inpa vement cra ck propa ga tion.The ma in resea rch contents a re a s
12、follows:(1)Aspha lt composite tra becula r fa tigue test wa s ca rried out by pla te support method to investiga te its cra ck propa ga tion beha vior a nd fa tigue life under different preset cra ck pa tterns.The test results were compa red with the three-point bending bea m test results to study s
13、upport.The effects of different methods a nd different fra cture modes on the cra ck propa ga tion beha vior a nd fa tigue life of composite tra becules a re shown.The results show tha t the overa ll trend of tra becula r cra cks expa nsion under different support methods rema ins the sa me,but the
14、difference in fra cture initia tion mode,cra ck propa ga tion number,a nd fa tigue life is more significa nt.The deformed sha pe of the tra becula r bea m under the pla te support method is more in line with the deforma tion of the vehicle under the a ctua l roa d surfa ce loa d.(2)Using the ra ndom
15、 a ggrega te genera tion a nd pla cement a lgorithm in the PFC pa rticle flow softwa re to esta blish a n a spha lt composite tra becula r meso heterogeneity considering a ggrega te distribution,a ggrega te volume ra tio,a ggrega te gra da tion,a nd a ggrega te a nd void coexistence pa tterns.The mo
16、del a nd the a pplica tion of the extended finite element in the meso heterogeneity model were implemented through the introduction of Aba qus softwa re.The simula tion results were compa red with the homogeniza tion simula tion results a nd the experimenta l results,a nd the ma ximum principa l str
17、ess in the tra becula r bone under the two numerica l models wa s found.Distribution,displa cement,a nd cra ck propa ga tion a re quite different.In the composite tra beculum meso heterogeneity model,the high-stress region is distributed in the a ggrega te a nd its surrounding a rea a nd genera lly
18、presents a wa ve-like ma nner in which the center of the loa d a cts a s a center;the voids a rc tra nsferred from the position of the loa d due to compression deforma tion.The stress ca n resist cra ck propa ga tion to a certa in extent but it will increa se the vertica l deforma tion of the tra be
19、cula r bea m.The existence of a ggrega tes a nd voids ha s a certa in“a ttra cting effect on the cra ck propa ga tion pa th of the tra becula,a nd the cra ck propa ga tion tends to IVfollow With a ggrega tes a nd voids a round.The cra ck propa ga tion beha vior in the meso heterogeneity model ca n m
20、ore truly reflect the cra ck propa ga tion beha vior of the composite tra becula in the experiment.The meso-composite model of composite tra becula r bea ms esta blished in this pa per ha s certa in engineering guida nce pra ctica l significa nce for revea ling the mecha nism of pa vement cra ck pro
21、pa ga tion,predicting the pa th of cra ck propa ga tion,a nd preventing cra ck propa ga tion beha vior.Keywords:Aspha lt composite bea m,Preset cra ck,Fa tigue life,Extend finite element method(XFEM),Propa ga tion pa th,Ra ndom a ggrega te genera tion a nd delivery,Micro-heterogeneous modelv目录摘 要.IA
22、BSTRACT.HI第一章绪论_ 11.1 研究背景.11.2 沥青路面国内外研究现状.21.2.1 沥青路面裂缝扩展行为研究现状.21.2.2 沥青路面疲劳寿命研究现状.31.2.3 基于扩展有限元的沥青路面裂缝扩展研究现状.41.3 主要研究内容与技术路线.5第二章基于断裂力学的扩展有限元方法.82.1 引言.82.2 线弹性断裂力学5旬.82.2.1 裂纹基本类型.82.2.2 应力强度因子断裂准则.92.2.3 复合型裂纹断裂准则.102.3 扩展有限元方法基本理论网.122.4 扩展有限元在Aba qus中的应用.162.5 本章小结.19第三章含预设裂缝沥青复合小梁试验研究-203
23、.1 引言.203.2 试验方案设计.203.3 沥青复合小梁制作.213.4 平板支撑方式下复合小梁疲劳试验.223.4.1 偏裂缝形式下沥青复合小梁疲劳试验.233.4.2 裂缝深度不同形式下复合小梁疲劳试验.263.4.3 多裂缝形式下复合小梁疲劳试验.293.5 三点弯曲梁疲劳试验.333.6 位移加载方式下沥青复合小梁三点弯曲试验.363.7 本章小结.37第四章基于扩展有限元法的沥青复合小梁裂缝扩展模拟研究-394.1 引言.394.2 平板支撑梁均质模型裂缝扩展模拟.39421有限元模型建立.394.2.2 偏裂缝形式下复合小梁裂缝扩展数值模拟.40423多裂缝形式下复合小梁裂缝
24、扩展数值模拟.434.2.4 不同裂缝深度形式下复合小梁裂缝扩展数值模拟.464.3 沥青复合小梁细观异质模型建立.4843.1 随机骨料生成与投放模型建立.494.3.2沥青复合小梁细观异质模型生成.49433细观异质模型导入Aba qus中进行装配与扩展有限元加强.514.4 平板支撑梁细观异质模型裂缝扩展模拟.514.4.1 细骨料模型下裂缝扩展数值模拟.514.4.2 粗骨料模型下裂缝扩展数值模拟.564.4.3 考虑空隙影响下的复合小梁裂缝扩展数值模拟.574.5 三点弯曲梁细观异质模型裂缝扩展数值模拟.594.5.1 不同骨料分布形式下三点弯曲梁裂缝扩展模拟.59452空隙分布下三
25、点弯曲梁裂缝扩展数值模拟.61453三点弯曲梁底部多裂缝形式下裂缝扩展规律探究.644.6 本章小结.69第五章结论及展望-705.1 主要结论.705.2 进一步研究展望.71参考文献-.72致谢.75攻读学位期间发表的学术论文及参与的科研项目-76VII广西大苧硕士学位论文W于扩展有限元的沥声复合小梁细现异质模翅裂缝扩展行为研究第一章绪论1.1 研究背景我国高速公路建设至今已历经30多年的发展历程,到2017年底中国高速公路通车 总里程达到12.5万公里,超过美国跃居世界第一。在已通车高速公路当中,半刚性基层 沥青混凝土路面由于其强度高,板体性好,所占比重最大。但是该路面容易在车辆往复 荷
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