一种指导玻纤格栅制备的方法技术

本发明专利技术公开了一种指导玻纤格栅制备的方法，利用有限元软件，对于玻纤格栅的原材料和编织方法进行优化，从而指导玻纤格栅制备的方法。具体为建立纤维束和玻纤格栅层多尺度模型，考虑材料组成对纤维束工程常数的影响，以及纤维束编织方法对玻纤格栅层工程常数的影响；然后建立加铺不同玻纤格栅路面结构的有限元模型，预估其反射裂缝寿命；最后，通过对比计算结果，对玻纤格栅的制备进行指导。本发明专利技术可以通过数值分析的方法对玻纤格栅的防反效果进行预估，从而在保证足够防止反射裂缝能力的前提下，减小玻纤格栅的制备成本。

A method for guiding the preparation of glass fiber gratings

【技术实现步骤摘要】
一种指导玻纤格栅制备的方法
本专利技术属于公路交通领域，具体涉及一种指导玻纤格栅制备的方法。
技术介绍
半刚性基层沥青路面由于半刚性材料固有的特性会不可避免的出现温缩、干缩等开裂，在行车荷载和温度应力的作用下，裂缝向上发展，在面层顶部形成与基层裂缝对应的反射裂缝。在环境因素的影响下，裂缝不断发展，破坏了路面的整体性，使路面出现各种病害，降低路面的服务年限，缩短养护的间隔时间，增加道路的养护成本。防治反射裂缝的措施有很多种，其中玻纤格栅弹性模量高、断裂延伸率小，可以有效地抵抗路面中的开裂应力和变形，延缓开裂的发展；具有良好的稳定性，能够抵抗各种化学、物理腐蚀；经涂层处理后与沥青混合料具有良好的相容性，能够形成一个整体；并且成本低、生产容易、施工便利、适用性广，是一种常用的半刚性基层沥青路面防裂措施。但是，目前相关研究中尚未考虑玻纤格栅材料组成和编织方法对其防反效果的影响，仅采用固定的正交编织网格结构，且未定量研究各因素对反射裂缝的影响规律，无法对玻纤格栅的制备进行指导，对延长路面使用寿命的意义较小。
技术实现思路
针对现有技术中的问题，本专利技术提供了一种指导玻纤格栅制备的方法，提供考虑玻纤格栅材料参数和编织方法的玻纤格栅工程常数的求解方法，然后利用ABAQUS有限元软件对其防反效果进行定量预估，通过对比计算结果以指导玻纤格栅的制备。为了解决上述技术问题，本专利技术通过以下技术方案予以解决：一种指导玻纤格栅制备的方法，包括以下步骤：步骤1：建立单向纤维束代表单胞有限元模型，计算单向纤维束的工程常数；步骤2：建立单向层板代表单胞模型，根据步骤1得到的单向纤维束的工程常数，计算单向层板代表单胞的工程常数；步骤3：建立玻纤格栅有限元模型，根据步骤2得到的单向层板代表单胞的工程常数，计算玻纤格栅的工程常数；步骤4：建立加铺玻纤格栅路面结构模型，根据步骤3得到的玻纤格栅的工程常数，计算加铺玻纤格栅路面结构的反射裂缝起裂与扩展阶段的作用次数，根据其反射裂缝起裂与扩展阶段的作用次数，对其反射裂缝的寿命进行预估；步骤5：根据步骤4中对加铺玻纤格栅路面结构的反射裂缝寿命预估结果，分析玻纤格栅材料组成以及纤维束编织方法对路面结构反射裂缝寿命的影响，其中，玻纤格栅材料组成对路面结构反射裂缝寿命的影响因素考虑玻璃纤维弹性模量的变化、涂层材料弹性模量的变化以及玻璃纤维体积分数的变化；纤维束编织方法对路面结构反射裂缝寿命的影响因素考虑纤维束编织密度以及纤维束编织角的变化；通过改变步骤1中玻璃纤维和涂层材料的材料参数探究玻璃纤维弹性模量与涂层材料弹性模量的变化对反射裂缝寿命的影响；通过改变步骤1中单向纤维束的模型结构探究玻璃纤维体积分数的变化对反射裂缝寿命的影响；通过改变步骤2与步骤3中相邻纤维束间距探究纤维束编织密度的变化对反射裂缝寿命的影响；通过改变步骤3中纤维束编织方向探究纤维束编织角的变化对反射裂缝寿命的影响；基于上述得到不同的加铺玻纤格栅路面结构的反射裂缝寿命预估结果，按照反射裂缝寿命越大对路面使用寿命越有利的原则，对玻纤格栅的制备进行优化指导。进一步地，步骤1中，所述单向纤维束代表单胞有限元模型的建立方法为：将玻璃纤维在涂层材料中的排布形状简化为正六边形，其中正六边形顶点分别为纤维束横截面中心，截取此排布方式下正六边形内部最大矩形区域，该区域拉伸单位厚度所得长方体为单向纤维束代表单胞有限元模型。进一步地，步骤1中，单向纤维束的工程常数的计算方法为：分别给玻璃纤维与涂层材料赋予材料参数，对建立的单向纤维束代表单胞有限元模型进行精细化网格划分后，对其施加周期性边界条件，求解每个网格单元的应力应变关系，根据得到的每个网格单元的应力应变关系，基于均质化方法求解单向纤维束代表单胞的平均应力应变关系，并联立横观各向同性材料的本构方程，计算得到单向纤维束的工程常数。进一步地，步骤2中，以同一编织高度相邻两束纤维束以及相邻两束纤维束中间填充的沥青混合料组成的有限元模型等效为单向层板代表单胞模型。进一步地，步骤2中，单向层板代表单胞的工程常数的计算方法为：将沥青混合料材料参数与步骤1中得到的单向纤维束的工程常数赋予单向层板代表单胞后，对单向层板代表单胞施加周期性边界条件，求解其平均应力应变关系，联立正交各向异性材料的本构方程，计算得到单向层板代表单胞的工程常数。进一步地，步骤3中，将玻纤格栅相互穿插编织形成的二轴编织结构简化为两层单向纤维束叠加而成的结构，建立两层与行车方向有固定夹角的单向层板叠加的有限元模型，将单向层板叠加的有限元模型等效为玻纤格栅有限元模型。进一步地，步骤3中，玻纤格栅的工程常数的计算方法为：将步骤2中得到的单向层板代表单胞的工程常数赋予玻纤格栅有限元模型，对玻纤格栅各层设置不同材料属性方向并施加若干独立荷载，计算玻纤格栅模型的平均应力应变关系，联立正交各向异性材料的本构方程，计算得到玻纤格栅工程常数。进一步地，步骤4中，采用四块板有限元模型，由上到下依次为面层、玻纤格栅层、半刚性基层和土基，在半刚性基层上设置一条假定宽度的贯穿裂缝，得到加铺玻纤格栅路面结构模型。进一步地，步骤4中，将面层、半刚性基层和土基的材料参数与步骤3中得到的玻纤格栅的工程常数赋予加铺玻纤格栅路面结构模型，模拟移动车辆荷载和温度应力耦合作用，计算反射裂缝起裂与扩展阶段的作用次数，根据其反射裂缝起裂与扩展阶段的作用次数，对其反射裂缝的寿命进行预估。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术一种指导玻纤格栅制备的方法，提供考虑玻纤格栅材料参数和编织方法的玻纤格栅工程常数的求解方法，然后利用有限元软件对其防反效果进行定量预估，通过对比计算结果以指导玻纤格栅的制备。相较于各向同性本构模型，采用本专利技术中的玻纤格栅层的各向异性本构模型定量分析玻纤格栅的防反效果具有更高的精度。本专利技术中玻纤格栅的本构模型可以考虑组成成分材料参数和纤维束编织方法的不同对玻纤格栅防反效果的影响，以对玻纤格栅的制备进行指导。本专利技术可以通过数值分析的方法对玻纤格栅的防反效果进行预估，从而在保证足够防止反射裂缝能力的前提下，减小玻纤格栅的制备成本。为使本专利技术的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。附图说明为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为玻纤格栅结构示意图；图2为代表单胞选取示意图；图3(a)为单向纤维束代表单胞内玻璃纤维网格划分示意图；图3(b)为单向纤维束代表单胞内涂层材料网格划分示意图；图4为加铺玻纤格栅路面结构示意图；图5(a)为12.7×12.7mm玻纤格栅示意图；图5(b)为12.7×25.4mm玻纤格栅示意图；...

【技术保护点】
1.一种指导玻纤格栅制备的方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1：建立单向纤维束代表单胞有限元模型，计算单向纤维束的工程常数；/n步骤2：建立单向层板代表单胞模型，根据步骤1得到的单向纤维束的工程常数，计算单向层板代表单胞的工程常数；/n步骤3：建立玻纤格栅有限元模型，根据步骤2得到的单向层板代表单胞的工程常数，计算玻纤格栅的工程常数；/n步骤4：建立加铺玻纤格栅路面结构模型，根据步骤3得到的玻纤格栅的工程常数，计算加铺玻纤格栅路面结构的反射裂缝起裂与扩展阶段的作用次数，根据其反射裂缝起裂与扩展阶段的作用次数，对其反射裂缝的寿命进行预估；/n步骤5：根据步骤4中对加铺玻纤格栅路面结构的反射裂缝寿命预估结果，分析玻纤格栅材料组成以及纤维束编织方法对路面结构反射裂缝寿命的影响，其中，玻纤格栅材料组成对路面结构反射裂缝寿命的影响因素考虑玻璃纤维弹性模量的变化、涂层材料弹性模量的变化以及玻璃纤维体积分数的变化；纤维束编织方法对路面结构反射裂缝寿命的影响因素考虑纤维束编织密度以及纤维束编织角的变化；通过改变步骤1中玻璃纤维和涂层材料的材料参数探究玻璃纤维弹性模量与涂层材料弹性模量的变化对反射裂缝寿命的影响；通过改变步骤1中单向纤维束的模型结构探究玻璃纤维体积分数的变化对反射裂缝寿命的影响；通过改变步骤2与步骤3中相邻纤维束间距探究纤维束编织密度的变化对反射裂缝寿命的影响；通过改变步骤3中纤维束编织方向探究纤维束编织角的变化对反射裂缝寿命的影响；基于上述得到不同的加铺玻纤格栅路面结构的反射裂缝寿命预估结果，按照反射裂缝寿命越大对路面使用寿命越有利的原则，对玻纤格栅的制备进行优化指导。/n...

【技术特征摘要】
1.一种指导玻纤格栅制备的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立单向纤维束代表单胞有限元模型，计算单向纤维束的工程常数；
步骤2：建立单向层板代表单胞模型，根据步骤1得到的单向纤维束的工程常数，计算单向层板代表单胞的工程常数；
步骤3：建立玻纤格栅有限元模型，根据步骤2得到的单向层板代表单胞的工程常数，计算玻纤格栅的工程常数；
步骤4：建立加铺玻纤格栅路面结构模型，根据步骤3得到的玻纤格栅的工程常数，计算加铺玻纤格栅路面结构的反射裂缝起裂与扩展阶段的作用次数，根据其反射裂缝起裂与扩展阶段的作用次数，对其反射裂缝的寿命进行预估；
步骤5：根据步骤4中对加铺玻纤格栅路面结构的反射裂缝寿命预估结果，分析玻纤格栅材料组成以及纤维束编织方法对路面结构反射裂缝寿命的影响，其中，玻纤格栅材料组成对路面结构反射裂缝寿命的影响因素考虑玻璃纤维弹性模量的变化、涂层材料弹性模量的变化以及玻璃纤维体积分数的变化；纤维束编织方法对路面结构反射裂缝寿命的影响因素考虑纤维束编织密度以及纤维束编织角的变化；通过改变步骤1中玻璃纤维和涂层材料的材料参数探究玻璃纤维弹性模量与涂层材料弹性模量的变化对反射裂缝寿命的影响；通过改变步骤1中单向纤维束的模型结构探究玻璃纤维体积分数的变化对反射裂缝寿命的影响；通过改变步骤2与步骤3中相邻纤维束间距探究纤维束编织密度的变化对反射裂缝寿命的影响；通过改变步骤3中纤维束编织方向探究纤维束编织角的变化对反射裂缝寿命的影响；基于上述得到不同的加铺玻纤格栅路面结构的反射裂缝寿命预估结果，按照反射裂缝寿命越大对路面使用寿命越有利的原则，对玻纤格栅的制备进行优化指导。


2.根据权利要求1所述的一种指导玻纤格栅制备的方法，其特征在于，步骤1中，所述单向纤维束代表单胞有限元模型的建立方法为：将玻璃纤维在涂层材料中的排布形状简化为正六边形，其中正六边形顶点分别为纤维束横截面中心，截取此排布方式下正六边形内部最大矩形区域，该区域拉伸单位厚度所得长方体为单向纤维束代表单胞有限元模型。


3.根据权利要求2所述的一种指导玻纤格栅制备的方法，其特征在于，步骤1中，单向纤维束的工程常数的计算方法为：分别给玻璃纤维与涂层材料赋予材料参数，对建立的单向纤维束代表单胞有限元模型进行精细化网格划分后...

【专利技术属性】
技术研发人员：张洪亮，孙文圃，白雨瓒，康浩楠，李永和，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61