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《华南理工大学》 2010年 博士论文
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基于X-ray CT和有限元方法的沥青混合料三维重构与数值试验研究

万成  
【摘要】: 沥青混合料是由集料、沥青砂胶和空隙三部分组成,这三部分的体积组成及沥青砂胶的粘弹特性,使得沥青混合料的力学性能十分复杂,在实际工程当中加载频率、加载幅度以及环境的变化更加剧了这种复杂性。利用X-ray CT(X-ray Computerized Tomography),结合数字图像和数值模拟技术针对传统沥青混合料研究方法的局限性,从微细观尺度研究混合料结构对其性能的影响,进行沥青混合料内部结构分析和沥青混合料力学性能虚拟试验即数值试验是近年来国内外研究热点。 但是纵观国内外对沥青混合料的微细观研究,绝大部分的研究工作主要集中在以下两个方面:(1)沥青混合料内部结构的定量或定性分析;(2)基于试样的一个或几个二维截面,结合数字图像处理技术建立二维数值模型进行力学模拟。研究明显具有局限性,而基于实际试样真实三维微细观分布模型的力学数值试验的研究更是屈指可数,主要是因为在模型三维重构和力学数值模拟时遇到重重困难,而这两点又正好是实现沥青混合料虚拟试验模拟计算成功的关键之所在。 本文尝试不仅定性地,而且定量地解决上述难题。根据沥青混合料三维重构原理,把握从三维可视化模型向三维数值模型转化的本质特点,深入分析问题的难点所在:三维数值试样重构,提出了基于CT技术对沥青混合料进行三维数值重构算法,自行开发程序建立三维数值试样。 三维模型重构后,最重要的一步是选择能恰当反映沥青砂胶粘弹特性的本构模型。本论文在系统阐述沥青混合料的粘弹性本构关系理论的基础上,讨论了沥青混合料粘弹本构关系的有限元实现。采用动态剪切流变仪对沥青砂胶进行蠕变试验,通过不同应力水平下的蠕变试验,建立了模型参数与加载应力函数关系,得到Burgers模型蠕变方程一般表达式,分析模型参数对蠕变过程的影响。 目前对单轴蠕变的数值模拟时建立的模型为连续均质体,很难真实地模拟实际情况。本论文基于试件的真实微细观分布建立三维数值模型,对FAC-13混合料的粗型、中等粗型和细型三种不同级配的数值试件进行单轴静载蠕变数值模拟。模拟在相同温度和荷载条件下,三种不同级配的变形响应,模拟结果真实反映了不同试样的变形响应,与实际试验结果一致。 为了更进一步验证上述方法和程序的可行性,结合室内间接拉伸试验,采用X-ray CT对FAC-13试件进行扫描,进行间接拉伸数值试验。模拟在低温快速加载条件下试件的受力分布状态,定性评价应力分布的不均匀性;对试件进行间接拉伸动态模量数值试验,研究3个不同温度、6个不同荷载频率下试件动态模量的变化,并与实际试验结果相比较进行验证,验证了整个方法和程序切实可行。


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