基于四点弯曲疲劳试验应力应变粘弹性计算方法技术

本发明专利技术涉及一种基于四点弯曲疲劳试验应力应变粘弹性计算方法，该方法通过对沥青混合料的控制应变加载四点弯曲疲劳试验进行abaqus数值模拟，经过粘弹性分析步得到小梁跨中梁底的挠度

【技术实现步骤摘要】
基于四点弯曲疲劳试验应力应变粘弹性计算方法


[0001]本专利技术涉及一种基于四点弯曲疲劳试验应力应变粘弹性计算方法，属于道路工程领域。

技术介绍

[0002]疲劳是材料在循环载荷作用下发生开裂或破坏的现象，目前疲劳裂缝是沥青路面最主要的病害形式。当路面裂缝达到一定数量，将影响行车舒适，甚至行车安全。因此对于疲劳寿命的预估格外重要。
[0003]目前常见的试验方法是四点弯曲疲劳试验，通过对小梁进行循环加载模拟路面双轮加载的受力模式，通过试验获取小梁加载过程中的应力，应变可以更好的分析弯曲模量以及能量的变化，从而建立疲劳方程。目前存在的问题在于小梁的应力应变计算方法是基于材料力学的弹性解，通过弯矩反算跨中截面的最大拉应力，建立力
‑
应力关系；通过应力计算应变，通过弯矩反算挠度，建立应变
‑
位移关系，同时该受力模型是简化的模型。
[0004]然而沥青混合料为粘弹性材料，实际受力也并非简单的二维模型加载方式，这就造成了应力应变计算的不准确。也就是说目前基于粘弹性力学的解析解并未被提出，数值分析成为了分析粘弹性问题的解决方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种基于四点弯曲疲劳试验应力应变粘弹性计算方法，通过读取万能试验机测量的小梁跨中梁底的挠度以及内夹具荷载，可以实现小梁跨中梁底的粘弹性应力应变输出，提高了弹性计算的准确性。
[0006]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0007]一种基于四点弯曲疲劳试验应力应变粘弹性计算方法，具体包括以下步骤：
[0008]步骤S1：试验标定：基于Prony级数形式的广义maxwell本构模型，进行沥青混合料的动态模量试验，通过试验标定沥青混合料Prony级数形式的粘弹性参数，并确定粘弹性参数配置的准确性；
[0009]步骤S2：数值模拟：基于步骤S1试验标定的粘弹性参数，建立小梁模型，以及基于小梁模型的四点弯曲夹具模型，采用abaqus有限元软件进行小梁四点弯曲数值模拟，通过模拟试验过程，获取小梁在应变控制加载模式下的粘弹性应力应变，即读取小梁跨中的应力、应变、位移值以及四点弯曲夹具模型中内夹具位置的接触荷载值；
[0010]步骤S3：数据处理：根据步骤S2中获取的若干位移控制数值分析，得到不同位移控制加载下的应力、应变数据，基于弹性的应变
‑
位移关系、应力
‑
荷载线性关系，将数据拟合得到粘弹性的应变、应力计算方法；
[0011]作为本专利技术的进一步优选，步骤S1试验标定的具体步骤为：
[0012]步骤S11，基于Prony级数形式的广义maxwell本构模型，进行沥青混合料的动态模量试验，获取动态模量主曲线和相位角主曲线；
[0013]步骤S12，通过动态模量主曲线和相位角主曲线得到存储模量主曲线，采用配置法通过求解线性非齐次方程获取存储模量和松弛模量之间的关系，从而标定粘弹性参数；
[0014]步骤S13：基于存储模量与松弛模量之间的关系，验证标定粘弹性参数的准确性；
[0015]作为本专利技术的进一步优选，步骤S11中基于的maxwell本构模型为
[0016][0017]接着，通过动态模量试验得到动态模量主曲线公式为
[0018][0019]相位角主曲线为
[0020][0021]公式(1)、(2)以及(3)中，E(t)为松弛函数，E
∞
为长期模量，E
k
为松弛模量，m为maxwell模型单元数，t为加载时间，ρ
k
为松弛时间，|E
*
|为动态模量，f
r
为参考温度下的荷载频率，a、b、c、δ、α、β、γ、ξ均为回归系数；
[0022]步骤S12中通过动态模量和相位角得到的存储模量主曲线为
[0023][0024]公式(4)中，E
′
为存储模量，|E
*
|为动态模量，ω为加载角频率，为相位角；
[0025]求解的线性非齐次方程为
[0026][0027]公式(5)中，E
′
为存储模量，E
∞
为长期模量，ρ
k
为松弛时间，ω为加载角频率，E
k
为松弛模量；
[0028]作为本专利技术的进一步优选，将计算得到的松弛模量E
k
代入公式(5)得到关于加载角频率的函数，将此函数与公式(4)的存储模量主曲线进行对比，若拟合度较高则说明粘弹性参数配置准确；
[0029]作为本专利技术的进一步优选，步骤S12中获取存储模量主曲线的具体方法为：
[0030]步骤S121：基于UTM万能试验机或AMPT试验机进行单轴压缩动态模量试验，试验条件包括至少三个温度指标以及四个频率指标；
[0031]步骤S122：通过动态模量和相位角数值求出不同温度下各个加载频率下的存储模量，即公式(4)，设定一个参考温度，将不同温度的存储
‑
角频率曲线，移动至参考温度的参考曲线上，最终获取存储模量主曲线；
[0032]作为本专利技术的进一步优选，步骤S121中，动态模量和相位角数值的获取至少需要三个平行试件，通过取平均值方式获得，且试验的误差值小于规定的范围，否则应删除进行重新获取，试验数据的限值为
[0033][0034]作为本专利技术的进一步优选，步骤S2数值模拟的具体步骤为，
[0035]步骤S21：基于步骤S1配置的粘弹性参数，建立标准尺寸为380*63.5*50的小梁模型，以及基于小梁模型建立23*63.5*10的四点弯曲夹具模型；
[0036]步骤S22：根据试验标定的粘弹性参数定义材料属性，在力学
‑
弹性
‑
粘弹性中定义时间域的Prony级数，同时在基于WLF方程输入WLF时温转换因子得到不同温度的响应；
[0037]步骤S23：根据定义的材料属性选取装配材料后选择粘弹性分析步，选取几何非线性；限定输出变量的时间步长小于或者等于1/10个周期，设置输出的场变量为接触载荷、位移、应力与应变；
[0038]步骤S24：设置四点弯曲夹具模型中夹具与小梁的面与面法向以及切向接触条件；
[0039]步骤S25：向小梁模型施加荷载以及边界条件；
[0040]步骤S26：对小梁模型划分网格；
[0041]步骤S27：分析输出结果，读取小梁模型跨中的应力、应变、位移值以及四点弯曲夹具模型中内夹具位置的接触荷载值；
[0042]作为本专利技术的进一步优选，步骤S21中，在小梁的两端分别设置四点弯曲夹具模型，在小梁中间两个三等分点的位置分别设置一个四点弯曲夹具模型；
[0043]步骤S22中，基于的WLF方程为
[0044][0045]公式(6)中，α
T
为移位因子，T为测量温度，T
ref
为参考温度，C1、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于四点弯曲疲劳试验应力应变粘弹性计算方法，其特征在于：具体包括以下步骤：步骤S1：试验标定：基于Prony级数形式的广义maxwell本构模型，进行沥青混合料的动态模量试验，通过试验标定沥青混合料Prony级数形式的粘弹性参数，并确定粘弹性参数配置的准确性；步骤S2：数值模拟：基于步骤S1试验标定的粘弹性参数，建立小梁模型，以及基于小梁模型的四点弯曲夹具模型，采用abaqus有限元软件进行小梁四点弯曲数值模拟，通过模拟试验过程，获取小梁在应变控制加载模式下的粘弹性应力应变，即读取小梁跨中的应力、应变、位移值以及四点弯曲夹具模型中内夹具位置的接触荷载值；步骤S3：数据处理：根据步骤S2中获取的若干位移控制数值分析，得到不同位移控制加载下的应力、应变数据，基于弹性的应变
‑
位移关系、应力
‑
荷载线性关系，将数据拟合得到粘弹性的应变、应力计算方法。2.根据权利要求1所述的基于四点弯曲疲劳试验应力应变粘弹性计算方法，其特征在于：步骤S1试验标定的具体步骤为：步骤S11，基于Prony级数形式的广义maxwell本构模型，进行沥青混合料的动态模量试验，获取动态模量主曲线和相位角主曲线；步骤S12，通过动态模量主曲线和相位角主曲线得到存储模量主曲线，采用配置法通过求解线性非齐次方程获取存储模量和松弛模量之间的关系，从而标定粘弹性参数；步骤S13：基于存储模量与松弛模量之间的关系，验证标定粘弹性参数的准确性。3.根据权利要求2所述的基于四点弯曲疲劳试验应力应变粘弹性计算方法，其特征在于：步骤S11中基于的maxwell本构模型为接着，通过动态模量试验得到动态模量主曲线公式为相位角主曲线为公式(1)、(2)以及(3)中，E(t)为松弛函数，E
∞
为长期模量，E
k
为松弛模量，m为maxwell模型单元数，t为加载时间，ρ
k
为松弛时间，|E
*
|为动态模量，f
r
为参考温度下的荷载频率，a、b、c、δ、α、β、γ、ξ均为回归系数；步骤S12中通过动态模量和相位角得到的存储模量主曲线为公式(4)中，E
′
为存储模量，|E
*
|为动态模量，ω为加载角频率，为相位角；求解的线性非齐次方程为
公式(5)中，E
′
为存储模量，E
∞
为长期模量，ρ
k
为松弛时间，ω为加载角频率，E
k
为松弛模量。4.根据权利要求3所述的基于四点弯曲疲劳试验应力应变粘弹性计算方法，其特征在于：将计算得到的松弛模量E
k
代入公式(5)得到关于加载角频率的函数，将此函数与公式(4)的存储模量主曲线进行对比，若拟合度较高则说明粘弹性参数配置准确。5.根据权利要求4所述的基于四点弯曲疲劳试验应力应变粘弹性计算方法，其特征在于：步骤S12中获取存储模量主曲线的具体方法为：步骤S121：基于UTM万能试验机或AMPT试验机进行单轴压缩动态模量试验，试验条件包括至少三个温度指标以及四个频率指标；步骤S122：通过动态模量和相位角数值求出不同温度下各个加载频率下的存储模量，即公式(4)，设定一个参考温度，将不同温度的存储
‑
角频率曲线，移动至参考温度的参考曲线上，最终获取存储模量主曲线。6.根据权利要求5所述的基于四点弯曲疲劳试验应力应变粘弹性计算方法，其特征在于：步骤S...

【专利技术属性】
技术研发人员：张阳，齐浩男，马涛，陈葱琳，徐光霁，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：