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基于扩展有限元的沥青路面疲劳开裂行为的数值研究

金光来  
【摘要】:疲劳开裂问题是影响沥青路面使用性能和结构性能的重要因素,由于该问题自身所具有的复杂性和重要性,使得疲劳开裂问题一直是道路领域的研究热点和难点。传统的疲劳破坏研究总是将整个破坏过程分割为裂纹形成阶段和裂纹扩展阶段,再分别独立的进行分析,难以将疲劳过程视为一个连续的、自然的过程,同时也缺乏研究疲劳裂纹自由扩展的有效手段。随着扩展有限元技术(XFEM)的逐步应用,为疲劳开裂问题的研究开拓了新的方向,本文根据沥青混合料的疲劳损伤特性并结合扩展有限元方法,提出了一套能够模拟结构从疲劳损伤到裂缝形成再到裂缝疲劳扩展这一全过程的有效方法。文章主要包括以下几个方面的内容:在研究沥青混合料的疲劳开裂行为之前,先研究了单调加载作用下材料发生一次性断裂的过程,为后续疲劳开裂研究提供一定的基础。本文以扩展有限元法为基本手段,选取单边切口梁、劈裂试件为研究对象,模拟沥青混合料在I型和I-II复合型模式下的开裂路径与开裂过程。通过深入分析试件的力学响应变化、破坏形态等特性,阐述沥青混合料的断裂机理。研究发现:小梁荷载达到峰值的时刻,位于损伤产生之后、裂缝形成之前:小梁的断裂过程可以解释为损伤带内拉应力下降、未损伤带内拉应力上升(未进入损伤)或者上升后再下降(已经损伤)的过程,且损伤带长度不断增加。通过数值结果与试验结果的对比,验证了扩展有限元法是模拟沥青混合料裂缝自由扩展的有效手段。其次,根据疲劳损伤力学的基本原理,推导了小梁试件疲劳损伤的封闭解,通过编制用户材料子程序UMAT实现了疲劳损伤力学的数值算法。针对传统疲劳损伤模型在描述沥青混合料劲度衰变中的不足,同时为了解决不同控制模式下疲劳破坏状态难以确定的问题,深入研究了沥青混合料疲劳过程中的劲度变化规律与内部机理,并最终统一了不同控制模式下的疲劳破坏状态,即将宏观裂纹形成时刻作为最终破坏状态。为了反映劲度的衰变规律以及疲劳极限的存在,提出了疲劳损伤修正模型,并基于三参数疲劳方程的回归分析探讨了疲劳极限的确定方法。研究表明:疲劳极限出现的标志是存在某一个低应变数据点,使得两参数方程的相关性明显低于三参数方程,且回归结果能通过t检验;在已经得到满足要求的疲劳极限值后,没有必要继续降低应变水平进行疲劳试验。为了使得损伤模型能够有效的应用,提出了疲劳损伤临界值的概念及其确定方法,并研究了剩余强度的衰变规律,为后续疲劳断裂的研究提供理论基础。最后,对常用的小梁疲劳试验进行了疲劳损伤分析,促进了损伤模型在工程实际中的应用,并对疲劳过程中的疲劳寿命、劲度衰变、损伤演变以及力学响应等问题进行了深入的研究。结果表明:在控制应变模式下,应变实际上在增大,但以应力的下降为主;在控制应力模式下,梁底处应力下降与应变增大都很明显。再次,通过分析疲劳破坏过程中材料所发生的一系列变化,将结构的疲劳破坏分为三个阶段:微观裂纹形成阶段、宏观裂纹形成阶段、宏观裂纹扩展阶段,指出损伤累积并不是存在于疲劳过程中的某一个阶段,而是贯穿整个疲劳破坏过程。基于修正的疲劳损伤模型和动态XFEM开裂机制,提出了能够反映疲劳开裂过程的材料本构关系,继而建立了一套完整的疲劳损伤-断裂全过程模拟方法。通过编制用户损伤起始准则子程序UDMGINI,实现了模拟方法在有限元中的实际应用。基于本方法,对半圆试件、含预切缝小梁试件、无预切缝小梁试件进行了疲劳损伤-断裂全过程模拟,分析了疲劳裂缝扩展规律以及开裂过程中的力学响应、疲劳损伤累积等特性,并将计算结果与试验结果进行了对比分析,检验了模拟方法的有效性。结果表明:含预切缝小梁I型和I-II复合型疲劳裂纹扩展具有突然性和快速性;无预切缝小梁的宏观裂纹扩展阶段寿命在总寿命中的比例仅占13.4%,与试验结果(10.2%)基本一致;小梁整体劲度衰变规律与试验结果基本吻合,宏观裂纹形成时刻是劲度衰变速度加快的转折点。最后,根据前文提出并验证了的疲劳损伤-断裂全过程模拟方法,建立沥青路面结构模型,模拟路面结构疲劳损伤-疲劳裂缝形成-裂缝扩展-结构破坏的全过程。分别对无损路面疲劳损伤-断裂过程以及反射裂缝疲劳扩展过程进行了研究,深入分析了沥青路面疲劳破坏的特征与机理,尤其是疲劳裂缝在路面结构中的扩展规律,以加深对路面疲劳开裂行为的理解。分析表明:无损路面疲劳扩展阶段的寿命占全过程寿命的百分比为38%,约为裂缝形成阶段寿命的0.6倍;在底基层存在初始裂缝的条件下,基层反射裂缝形成与扩展阶段的总寿命仅为21万次,且反射裂缝在基层扩展的速率是无损结构裂缝扩展速率的49倍,符合早期病害的特征。根据本文模拟得到的结果,可以实现对沥青路面结构不同阶段寿命的预估,对现有路面结构的评价和新建路面结构的抗裂设计均具有一定的指导意义。


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