一种疲劳裂缝扩展过程仿真模型及其建立方法技术

本发明专利技术属于道路工程技术领域，具体涉及一种疲劳裂缝扩展过程仿真模型及其建立方法。其技术要点如下：仿真模型是沥青路面结构二维扩展有限元模型，其涉及的参数如下：网格类型、模型尺寸、网格密度、模型结构、模型组成材料、模型属性、边界条件和初始条件。本发明专利技术采用不依赖网格划分、不需要预知裂缝扩展路径的扩展有限元技术，提出一种疲劳裂缝扩展过程仿真模型建立方法，实现对裂缝自由扩展的预测。使得裂缝扩展模拟更真实，实现了全自动扩展模拟，且使用的三参数疲劳方程得到更为准确的材料参数模型，依据加载面的力学响应设置的网格密度在保证计算结果精度的同时最大程度得减少网格数量，提高了模拟效率，提高了施工准确性。提高了施工准确性。提高了施工准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种疲劳裂缝扩展过程仿真模型及其建立方法


[0001]本专利技术属于道路工程
，具体涉及一种疲劳裂缝扩展过程仿真模型及其建立方法。

技术介绍

[0002]在沥青路面的使用过程中，沥青混合料的断裂问题已经成为影响路面结构性能和使用性能的重要因素。沥青路面在交通荷载的作用下，整体大都处于弹性工作状态，但在局部易损部位如多相复合材料界面处却可能已经发生了损伤，并且在交通荷载以及环境因素的影响下损伤范围不断扩大，从而使得沥青路面发生局部破坏，影响其整体的服役性能，因此结构的安全评估手段受到越来越多的重视。
[0003]目前，各国学者均开始借用计算机模拟技术模拟路面结构的变形和破坏问题，常规有限元法(CFEM)采用连续函数作为形状(插值)函数，要求在单元内部形状函数连续且材料性能不能跳跃，在处理像裂纹这样的强不连续(位移不连续)问题时，必须将裂纹面设置为单元的边、裂尖设置为单元的结点、在裂尖附近的高应力区需要令人难以接受的网格密度，同时在模拟裂纹生长时还需要对网格进行重新剖分。现在绝大多数商业软件在模拟裂纹扩展问题时都需要预设裂纹的扩展方向，而且在裂纹扩展过程中不断的重新划分网格，效率极低甚至无能为力。在处理多裂纹问题时，其求解规模之大、网格剖分之难是不可想象的。处理夹杂问题时，要求单元的边必须位于夹杂与基体的界面处，即使对于网格自动化程度很高的二维问题这也不容易，更何况拓扑结构更复杂的三维问题。可知这种有限元方法高度依赖网格的划分质量，在进行数值模拟之前需要预知裂缝扩展路径，这些问题制约了数值模拟的可行性和可靠性。
[0004]ABAQUS V6.9及其以后的版本将拓展有限元方法引入到其分析中，并增加了新的模块XFEM，该方法可以认为是有限元方法处理不连续问题的革命性变革。XFEM是迄今为止求解不连续力学问题最有效的数值方法，它在标准有限元框架内研究问题，保留CFEM的所有优点，但并不需要对结构内存在的几何或物理界面进行网格剖分。XFEM与CFEM的最根本区别在于所使用的网格与结构内部的几何或物理界面无关，从而克服了在诸如裂纹尖端等高应力和变形集中区进行高密度网格剖分所带来的困难，当模拟裂纹扩展时也无需对网格进行重新剖分。也就是说在裂纹的扩展过程中裂纹可以穿透单元扩展。就其理论可以简单的理解为在单元内部有很多的潜在节点，当需要时这些节点被激活实现裂纹穿透单元扩展。
[0005]但目前沥青路面结构在交通荷载作用下产生疲劳破坏的施工参数仍处于经验选取阶段，在施工中，缺乏相应的理论指导和施工设计方法，对幅值和频率的影响缺乏理论依据，在数值模拟方面，缺乏相应的模型进行模拟评估。导致不同路面应用的效果难以评估。本专利技术基于不依赖网格划分、不需要预知裂缝扩展路径的扩展有限元(XFEM)技术，提出一种沥青路面结构疲劳裂缝的扩展过程仿真模型建立方法，实现对裂缝自由扩展的预测。
[0006]公开于该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在加深对本专利技术总体
技术介绍
的理解，而不
应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

[0007]本专利技术的第一个目的是提供一种疲劳裂缝扩展过程仿真模型，针对沥青路面结构，采用不依赖网格划分、不需要预知裂缝扩展路径的扩展有限元(XFEM)技术，提出一种疲劳裂缝扩展过程仿真模型建立方法，实现对裂缝自由扩展的预测。
[0008]本专利技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
[0009]本专利技术提供的一种疲劳裂缝扩展过程仿真模型，仿真模型是沥青路面结构二维扩展有限元模型，其涉及的参数如下：网格类型、模型尺寸、网格密度、模型结构、模型组成材料、模型属性、边界条件和初始条件。网格类型能够影响模拟的准确性以及求解效率；模型尺寸影响求解精度，过小的模型尺寸会导致结果偏差，过大的模型尺寸会浪费计算资源；网格密度是有限元方法对计算精度影响很大的参数，网格过粗会带来较大的误差，使得结果不可信，而过密的网格会极大提高计算成本；准确的模型结构可以很好的还原刻画需要模拟的物理对象，如本专利技术的路面结构即为多层的层状结构，结构准确才能确保模拟结果可靠；材料参数的准确选取更是能够直观的确保数值模拟的可靠度，需要与真实物理现象相近，需要材料的物理特性相近；模型属性主要在本专利技术中反映为各层状结构之间的状态，直接影响模拟准确性，本专利技术模型各层之间连续设置；边界条件即为约束条件，在本专利技术中为几个面的约束，这是为了还原真实的物理场，使得数值模拟接近现实并为求解提供基础；初始条件在本专利技术中为荷载的作用，准确描述所要模拟的受力并等效为荷载作用在模型上是必要步骤，错误的初始条件会直接从根本上导致结果不可靠。
[0010]其中，模型结构从上到下依次是：厚度为4cm的SMA
‑
13上面层、厚度为6cm的AC
‑
20中面层、厚度为8cm的AC
‑
25下面层、厚度为36cm的二灰碎石基层、厚度为20cm的二灰土底基层和土基。
[0011]进一步的，网格类型为线性平面应变单元CPE4R。
[0012]进一步的，模型尺寸根据需要模拟的沥青路面结构确定。
[0013]进一步的，网格密度根据裂缝产生的严重程度确定。网格密度由于加载面附近的力学响应是最值得关注的变量，该处也是裂纹最有可能产生的区域。因此，从加载面直到底基层底部的区域网格密度需要较大。面层与基层的其他位置采用密度稍大的网格。而对于土基来说，一般只受压应力，其力学响应对计算结果影响不大，所以该区域的网格可以较为稀疏。
[0014]进一步的，从加载面到底基层底部的区域的网格密度≥面层与基层的其他位置的网格密度≥土基的网格密度。
[0015]进一步的，土基的网格密度从下往上逐渐加密。土基部分采用从下往上逐渐加密的方式，在保证计算结果精度的同时最大程度得减少网格数量，提高模拟效率。
[0016]进一步的，模型结构中各路面层的损伤模型参数的计算方法如下所示：
[0017]S1：在两参数方程引入疲劳极限，得到三参数疲劳方程；
[0018]常规的沥青混合料试验一般在中等或高应变水平下进行，所得到的疲劳寿命
‑
应变曲线在双对数坐标下表现为线性，即两参数方程，如下式所示：
[0019]lgN
f
＝A0‑
B0lgε
ꢀꢀ
(1)
[0020]其中，N
f
为沥青混合料的疲劳寿命，试验中设定劲度下降到初始劲度的50％为疲劳破坏；A0和B0为与材料性质有关的常数，由回归分析得到；ε为疲劳试验过程中的应变水平，认为分析均以微应变计。
[0021]为了得到疲劳极限，需要在低应变水平下考察材料的疲劳性能。而在低应变条件下，两参数方程往往不能很好地描述疲劳寿命与应变的关系，也无法求得疲劳极限。因此，在两参数方程引入疲劳极限，得到三参数疲劳方程，基本形式如下式所示：
[0022]lgN
f
＝A
‑
Blg(ε<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种疲劳裂缝扩展过程仿真模型，其特征在于，所述仿真模型是在ABAQUE软件上建立沥青路面结构二维扩展有限元模型，其涉及的参数包括：网格类型、模型尺寸、网格密度、模型结构、模型组成材料、模型属性、边界条件和初始条件；所述模型结构为分层的层状结构，从上到下依次是：厚度为4cm的SMA
‑
13上面层、厚度为6cm的AC
‑
20中面层、厚度为8cm的AC
‑
25下面层、厚度为36cm的二灰碎石基层、厚度为20cm的二灰土底基层和土基。2.根据权利要求1所述的一种疲劳裂缝扩展过程仿真模型，其特征在于，所述网格类型为线性平面应变单元CPE4R。3.根据权利要求1所述的一种疲劳裂缝扩展过程仿真模型，其特征在于，所述模型尺寸根据需要模拟的沥青路面结构确定。4.根据权利要求1所述的一种疲劳裂缝扩展过程仿真模型，其特征在于，所述网格密度根据裂缝产生的严重程度确定。5.根据权利要求4所述的一种疲劳裂缝扩展过程仿真模型，其特征在于，从加载面到底基层底部的区域的网格密度≥面层与基层的其他位置的网格密度≥土基的网格密度。6.根据权利要求5所述的一种疲劳裂缝扩展过程仿真模型，其特征在于，所述土基的网格密度从下往上逐渐加密。7.根据权利要求1所述的一种疲劳裂缝扩展过程仿真模型，其特征在于，所述模型结构中各路面层的损伤模型参数的计算方法如下所示：S1：在两参数方程引入疲劳极限，得到三参数疲劳方程；常规的沥青混合料试验一般在中等或高应变水平下进行，所得到的疲劳寿命
‑
应变曲线在双对数坐标下表现为线性，即两参数方程，...

【专利技术属性】
技术研发人员：金光来，张志祥，臧国帅，蔡文龙，
申请(专利权)人：江苏中路工程技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：