车辆-温度荷载耦合作用下半柔性路面细观力学分析方法技术

本发明专利技术是一种车辆‑温度荷载耦合作用下半柔性路面细观力学分析方法，属于路面材料研究技术领域，解决目前半柔性路面细观力学分析存在的荷载类型单一、计算结果片面、准确性较差等问题。本发明专利技术首先通过室内试验得到半柔性路面不同温度下材料参数，通过拟合得到各参数的温度相关函数；其次，建立半柔性路面二维模型，对模型中各组成材料分别赋予热工参数；然后，使用FISH语言编写程序，在计算过程中的每一步实时随材料温度变化更新由拟合函数获得的各组成材料力学参数；最后，模拟车辆荷载加载，监测车辆‑温度荷载耦合作用下半柔性路面的细观力学响应情况。本发明专利技术在其它路面类型多场耦合作用细观力学研究也能发挥作用，为了解强度形成机理提供依据。

【技术实现步骤摘要】
车辆-温度荷载耦合作用下半柔性路面细观力学分析方法
本专利技术是一种车辆-温度荷载耦合作用下半柔性路面细观力学分析方法，属于沥青路面

技术介绍
已有研究表明，即使在材料的宏观指标相同的情况下，道路的路用性能也有可能表现出很大的差异，这是由于道路材料存在更加复杂的细观力学行为。长期以来，由于缺乏获取材料微细观信息的途径，致力于路面细观力学的研究一直处于理论状态，但随着测试设备显微精度、图像处理技术、软件模拟等现代科技进步，有关于路面细观力学的研究也越来越多。由于道路沿线地形起伏，地质、地貌、气候特征多变，再加上沿线城镇经济发达程度与交通繁忙程度不一，因此决定了路面工程复杂多变的特点。这些复杂多变的特点使得传统的解析法难以胜任道路在移动车辆荷载、温度和湿度循环作用下的力学分析，在道路工程中引入数值模拟方法解决上述问题时具有得天独厚的优势，所以近年来数值模拟在道路工程中的应用越来越受关注。目前道路工程中数值模拟软件较多，其中最常用的是有限元法，这种方法具有操作简便、适应性强、计算步骤规范、商业程序较多等优势，适宜于建立路面的整体模型进行宏观分析，但对于细观尺度的分析，特别是对于半柔性路面一类多相非连续均匀材料，有限元法难以描述材料内部各异、刚柔相济的特点。与有限元方法不同，离散元方法在路面材料细观力学的分析中有得天独厚的优势。离散单元法是一种显示求解的数值方法。显式是针对一个物理系统进行数值计算时所用的代数方程的性质而言。在显式求解中，所有方程一侧的量都是已知的，另一侧的量只要用简单的代人法即可求得。在离散单元法中，颗粒间的相互作用被视为一个动态过程。颗粒间的接触力和位移是通过跟踪单个颗粒的运动得到的。这种动态过程在数值上是通过时步算法实现的。在该算法中，假定在每一个时间步内速度和加速度保持不变。这种方法等同于连续介质分析中使用的显式有限差分法。离散单元法是基于这样思想：时间步长足够小时，在单个时间步内，颗粒的运动只对直接相邻的颗粒产生影响，而不会传播给其它不相邻的颗粒。因此，作用在每个颗粒上的力仅由与其直接接触的颗粒决定。这种计算方法使模型模拟更接近真实状况下的路面工作状态。半柔性路面是一种以开级配大孔隙沥青混合料为基体，灌注流动性好、强度高的特制水泥砂浆而形成的一种新型复合路面结构类型，这种新型路面兼有柔性路面无接缝、行车舒适性高的优点和刚性路面承载力强、耐磨性、耐久性好的优点。半柔性路面由于其铺筑方式与构成材料较普通路面更为复杂，其强度形成机理也与沥青路面与水泥路面有较大差别。沥青路面是一种柔性路面，沥青材料是一种感温性较强的材料，在夏季高温和冬季低温条件下，沥青路面的力学特性会发生很大改变，与此同时在车辆荷载的反复作用下易出现车辙、裂缝等病害，半柔性路面中的多孔沥青混合料骨架，也具有类似的特点。所以，在进行半柔性路面细观力学数值模拟的过程中，如果只考虑半柔性路面的车辆荷载或温度荷载，模拟结果是片面的、不准确的。在路面数值模拟方面，当前已有路面材料细观力学的研究几乎都是在力场、温度场单独作用时进行的模拟分析，但在路面实际使用中多因素共同影响才是路面真正的工作状态，而目前的数值模拟方法难以解决该问题。多场耦合问题是近年来日益受到重视，车辆-温度荷载耦合作用下路面细观力学分析的方法研究较少。本专利技术采用离散元方法，同时调用力学及热学两个模块，对半柔性路面进行车辆-温度荷载耦合作用下的数值模拟，探究半柔性路面细观力学行为，更准确揭示半柔性路面实际工作状态和破坏机理。
技术实现思路
(1)技术问题本专利技术目的是提供一种车辆-温度荷载耦合作用下半柔性路面细观力学分析方法，该方法通过建立半柔性路面细观参数与温度变化的函数，在数值模拟软件中同时应用力学及热学模块编写程序，在模拟车辆荷载加载过程中采用实时更新的方式，实现车辆-温度荷载耦合作用下的半柔性路面细观力学模拟，解决目前半柔性路面存在多场耦合作用下细观力学分析方法欠缺、荷载类型单一、计算结果片面、准确性较差等问题。(2)技术方案为了解决目前半柔性路面细观力学分析存在的荷载类型单一、计算结果片面、准确性较差等问题，本专利技术基于离散元方法首先通过室内试验得到半柔性路面不同温度下材料参数，通过离散元分析软件拟合得到各参数的温度相关函数；其次，在离散元模拟软件中建立半柔性路面二维模型，对模型中各组成材料分别赋予热工参数；然后，使用软件内置FISH语言编写程序，在计算过程中的每一步实时随材料温度变化更新由拟合函数获得的各组成材料力学参数；最后，模拟车辆荷载加载，监测车辆-温度荷载耦合作用下半柔性路面的细观力学响应情况。(3)有益效果目前数值模拟方法是路面力学研究的主要方法之一，这种方法相较于传统的理论计算方法具有计算简便、表现直观的优点；相较于试验方法能够克服试验过程中不利因素，如水损害、光老化的影响，且更经济。在这一背景下，半柔性路面作为感温性较强的路面结构形式，温度场变化对其力学特性的影响不容忽视，但在数值模拟方法当中，这种温度场与力场耦合的问题难以解决，特别是在细观层面上，一直缺少一种较好的解决方法。本专利技术所提出的车辆-温度荷载耦合作用下半柔性路面细观力学分析方法，不仅能够很好解决当前半柔性路面数值模拟方法中存在的问题，并且在其它路面类型的多场耦合作用细观力学研究中也能发挥良好的作用，为进一步研究奠定基础，具有较高的科学价值；同时，可以为半柔性路面的强度形成机理提供理论依据，并且节约试验所需经费，具有较好的经济效益。具体实施方式本专利技术提供一种车辆-温度荷载耦合作用下半柔性路面细观力学分析方法，具体实施步骤如下：(1)通过室内试验获取不同温度下半柔性路面各组成材料参数，并转化为细观参数后，在数值分析软件中拟合为温度与材料参数的相关函数，其中材料函数包括沥青材料伯格斯模型元件参数及材料界面粘结参数；(2)在离散元软件中建立半柔性路面二维模型，集料与水泥砂浆定义为模拟过程中不会破裂的块体，沥青胶浆使用独立的圆盘表示，这三种材料在模型中紧密联系，使各组成材料的颗粒排布均匀；(3)分别测得半柔性路面各组成材料的热容、导热系数、热膨胀系数，并在离散元软件中对模型中各组成材料分别进行定义，根据路面实际使用最高温度赋予半柔性路面离散元模型表层初始温度；(4)使用软件内置FISH语言编写程序，控制在模拟计算过程中的每一时间步，提取模型中每一个单元的温度，并根据拟合函数对材料赋予力学参数，实现半柔性路面的二维模型力学参数随温度场变化而变化；(5)通过伺服机制在半柔性路面离散元模型上施加模拟车辆荷载，控制车辆轴载大小稳定在误差不超过5％的范围之内，模拟车辆加载作用时间、间歇与实际车轮荷载作用时间、间歇一致；(6)在车辆荷载作用中心下方及外侧一定距离处布设测点，记录模拟车辆-温度荷载耦合作用下半柔性路面温度场分布、应力、位移变化情况，评价其细观受力状态，提出控制性指标和标准，指导半柔性路面设计，减少半柔性路面开裂。本文档来自技高网...

【技术保护点】
车辆‑温度荷载耦合作用下半柔性路面细观力学分析方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：(1)通过室内试验获取不同温度下半柔性路面各组成材料参数，并转化为细观参数后，在数值分析软件中拟合为温度与材料参数的相关函数，其中材料函数包括沥青材料伯格斯模型元件参数及材料界面粘结参数；(2)在离散元软件中建立半柔性路面二维模型，集料与水泥砂浆定义为模拟过程中不会破裂的块体，沥青胶浆使用独立的圆盘表示，这三种材料在模型中紧密联系，使各组成材料的颗粒排布均匀；(3)分别测得半柔性路面各组成材料的热容、导热系数、热膨胀系数，并在离散元软件中对模型中各组成材料分别进行定义，根据路面实际使用最高温度赋予半柔性路面离散元模型表层初始温度；(4)使用软件内置FISH语言编写程序，控制在模拟计算过程中的每一时间步，提取模型中每一个单元的温度，并根据拟合函数对材料赋予力学参数，实现半柔性路面的二维模型力学参数随温度场变化而变化；(5)通过伺服机制在半柔性路面离散元模型上施加模拟车辆荷载，控制车辆轴载大小稳定在误差不超过5％的范围之内，模拟车辆加载作用时间、间歇与实际车轮荷载作用时间、间歇一致；(6)在车辆荷载作用中心下方及外侧一定距离处布设测点，记录模拟车辆‑温度荷载耦合作用下半柔性路面温度场分布、应力、位移变化情况，评价其细观受力状态，提出控制性指标和标准，指导半柔性路面设计，减少半柔性路面开裂。...

【技术特征摘要】
1.车辆-温度荷载耦合作用下半柔性路面细观力学分析方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：(1)通过室内试验获取不同温度下半柔性路面各组成材料参数，并转化为细观参数后，在数值分析软件中拟合为温度与材料参数的相关函数，其中材料函数包括沥青材料伯格斯模型元件参数及材料界面粘结参数；(2)在离散元软件中建立半柔性路面二维模型，集料与水泥砂浆定义为模拟过程中不会破裂的块体，沥青胶浆使用独立的圆盘表示，这三种材料在模型中紧密联系，使各组成材料的颗粒排布均匀；(3)分别测得半柔性路面各组成材料的热容、导热系数、热膨胀系数，并在离散元软件中对模型中各组成材料分别进行定义，根据路面实际使用最高温度赋予半柔...

【专利技术属性】
技术研发人员：许涛，刘方韬，汪洋，马翔，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32