基于擴展有限元的瀝青路面疲勞開裂行為的數(shù)值研究.pdf

1、疲勞開裂問題是影響瀝青路面使用性能和結構性能的重要因素，由于該問題自身所具有的復雜性和重要性，使得疲勞開裂問題一直是道路領域的研究熱點和難點。傳統(tǒng)的疲勞破壞研究總是將整個破壞過程分割為裂紋形成階段和裂紋擴展階段，再分別獨立的進行分析，難以將疲勞過程視為一個連續(xù)的、自然的過程，同時也缺乏研究疲勞裂紋自由擴展的有效手段。隨著擴展有限元技術(XFEM)的逐步應用，為疲勞開裂問題的研究開拓了新的方向，本文根據瀝青混合料的疲勞損傷特性并結合擴展有

2、限元方法，提出了一套能夠模擬結構從疲勞損傷到裂縫形成再到裂縫疲勞擴展這一全過程的有效方法。文章主要包括以下幾個方面的內容:
　　在研究瀝青混合料的疲勞開裂行為之前，先研究了單調加載作用下材料發(fā)生一次性斷裂的過程，為后續(xù)疲勞開裂研究提供一定的基礎。本文以擴展有限元法為基本手段，選取單邊切口梁、劈裂試件為研究對象，模擬瀝青混合料在Ⅰ型和Ⅰ-Ⅱ復合型模式下的開裂路徑與開裂過程。通過深入分析試件的力學響應變化、破壞形態(tài)等特性，闡述瀝青混合

3、料的斷裂機理。研究發(fā)現(xiàn):小梁荷載達到峰值的時刻，位于損傷產生之后、裂縫形成之前;小梁的斷裂過程可以解釋為損傷帶內拉應力下降、未損傷帶內拉應力上升（未進入損傷）或者上升后再下降（已經損傷）的過程，且損傷帶長度不斷增加。通過數(shù)值結果與試驗結果的對比，驗證了擴展有限元法是模擬瀝青混合料裂縫自由擴展的有效手段。
　　其次，根據疲勞損傷力學的基本原理，推導了小梁試件疲勞損傷的封閉解，通過編制用戶材料子程序UMAT實現(xiàn)了疲勞損傷力學的數(shù)值算法

4、。針對傳統(tǒng)疲勞損傷模型在描述瀝青混合料勁度衰變中的不足，同時為了解決不同控制模式下疲勞破壞狀態(tài)難以確定的問題，深入研究了瀝青混合料疲勞過程中的勁度變化規(guī)律與內部機理，并最終統(tǒng)一了不同控制模式下的疲勞破壞狀態(tài)，即將宏觀裂紋形成時刻作為最終破壞狀態(tài)。為了反映勁度的衰變規(guī)律以及疲勞極限的存在，提出了疲勞損傷修正模型，并基于三參數(shù)疲勞方程的回歸分析探討了疲勞極限的確定方法。研究表明:疲勞極限出現(xiàn)的標志是存在某一個低應變數(shù)據點，使得兩參數(shù)方程的相

5、關性明顯低于三參數(shù)方程，且回歸結果能通過t檢驗;在已經得到滿足要求的疲勞極限值后，沒有必要繼續(xù)降低應變水平進行疲勞試驗。為了使得損傷模型能夠有效的應用，提出了疲勞損傷臨界值的概念及其確定方法，并研究了剩余強度的衰變規(guī)律，為后續(xù)疲勞斷裂的研究提供理論基礎。最后，對常用的小梁疲勞試驗進行了疲勞損傷分析，促進了損傷模型在工程實際中的應用，并對疲勞過程中的疲勞壽命、勁度衰變、損傷演變以及力學響應等問題進行了深入的研究。結果表明:在控制應變模式下

6、，應變實際上在增大，但以應力的下降為主;在控制應力模式下，梁底處應力下降與應變增大都很明顯。
　　再次，通過分析疲勞破壞過程中材料所發(fā)生的一系列變化，將結構的疲勞破壞分為三個階段:微觀裂紋形成階段、宏觀裂紋形成階段、宏觀裂紋擴展階段，指出損傷累積并不是存在于疲勞過程中的某一個階段，而是貫穿整個疲勞破壞過程?；谛拚钠趽p傷模型和動態(tài)XFEM開裂機制，提出了能夠反映疲勞開裂過程的材料本構關系，繼而建立了一套完整的疲勞損傷-斷裂全過

7、程模擬方法。通過編制用戶損傷起始準則子程序UDMGINI，實現(xiàn)了模擬方法在有限元中的實際應用?；诒痉椒?，對半圓試件、含預切縫小梁試件、無預切縫小梁試件進行了疲勞損傷-斷裂全過程模擬，分析了疲勞裂縫擴展規(guī)律以及開裂過程中的力學響應、疲勞損傷累積等特性，并將計算結果與試驗結果進行了對比分析，檢驗了模擬方法的有效性。結果表明:含預切縫小梁Ⅰ型和Ⅰ-Ⅱ復合型疲勞裂紋擴展具有突然性和快速性;無預切縫小梁的宏觀裂紋擴展階段壽命在總壽命中的比例僅占

8、13.4％，與試驗結果(10.2％)基本一致;小梁整體勁度衰變規(guī)律與試驗結果基本吻合，宏觀裂紋形成時刻是勁度衰變速度加快的轉折點。
　　最后，根據前文提出并驗證了的疲勞損傷-斷裂全過程模擬方法，建立瀝青路面結構模型，模擬路面結構疲勞損傷-疲勞裂縫形成-裂縫擴展-結構破壞的全過程。分別對無損路面疲勞損傷-斷裂過程以及反射裂縫疲勞擴展過程進行了研究，深入分析了瀝青路面疲勞破壞的特征與機理，尤其是疲勞裂縫在路面結構中的擴展規(guī)律，以加深對