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瀝青路面有限元仿真原理與方法 版權信息
- ISBN：9787030743282
- 條形碼：9787030743282 ; 978-7-03-074328-2
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
瀝青路面有限元仿真原理與方法 本書特色
適讀人群 ：道路專業人員，道路工程專業研究生通過有限元仿真，探究瀝青路面結構與材料力學行為特性，揭示瀝青路面病害發展規律，為瀝青路面設計提供指導
瀝青路面有限元仿真原理與方法 內容簡介
一帶一路倡議的實施以及交通強國戰略的推進，極大的擴展了我國公路運輸行業涉及的自然條件與服務對象。日益復雜的氣候條件、交通條件與地質條件，對我國的公路的結構設計、材料設計以及運營養護工作都提出的嚴峻的考驗。然而傳統的路面設計方法與病害預估手段更依賴于建設與工程經驗，對于公路建設面臨的挑戰缺乏普遍的適用性，也了結構的創新材料結構的協同設計。本書以有限元原理為基本方法，詳細地介紹了瀝青混合料本構模型及其數值應用，包含黏彈塑性本構模型，連續損傷本構模型，分數階黏彈性模型等一系列現階段的近期新研究成果。在此基礎上，進一步介紹了荷載與溫度兩種主要的路面病害影響條件的有限元建模方法，并以案例的形式闡述了我國瀝青路面面臨的車轍與裂縫兩種主要病害的分析方法。
瀝青路面有限元仿真原理與方法 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 道路工程中的典型問題 1
1.2 用有限元解決道路工程典型問題的基本方法 2
1.3 本書內容安排 3
參考文獻 3
第2章 有限元方法簡介 5
2.1 有限單元法的近似 5
2.2 一維有限元方法 9
2.3 三維有限元方法 11
2.4 有限元軟件ABAQUS簡介 15
參考文獻 16
第3章 瀝青混合料本構模型的有限元實現 18
3.1 用戶子程序接口和應用程序 18
3.1.1 用戶材料子程序（UMAT） 18
3.1.2 應用程序 21
3.1.3 ABAQUS主程序與UMAT子程序協同工作過程 21
3.2 黏彈-黏塑性本構模型的UMAT編寫 22
3.2.1 黏彈-黏塑性本構模型理論 22
3.2.2 黏彈-黏塑性模型數值實現方式 26
3.2.3 黏彈-黏塑性本構模型UMAT編寫方法 29
3.3 黏彈-損傷本構模型的UMAT編寫 38
3.3.1 黏彈-損傷本構模型理論 38
3.3.2 黏彈-損傷本構模型UMAT編寫方法 44
參考文獻 51
第4章 瀝青混合料損傷演化仿真 53
4.1 基于細觀結構的瀝青混合料力學本構模型研究 53
4.1.1 分數階Zener模型有限元數值算法及驗證 53
4.1.2 黏彈性連續損傷力學模型（VECD） 65
4.1.3 黏聚帶斷裂力學模型（CZM） 67
4.2 瀝青混合料本構模型參數獲取 72
4.2.1 基于分數階本構模型的瀝青砂漿黏彈性參數獲取 72
4.2.2 VECD試驗結果分析及參數獲取 78
4.2.3 CZM試驗結果分析及參數獲取 81
4.3 基于細觀結構的瀝青混合料疲勞損傷研究 85
4.3.1 瀝青混合料細觀疲勞損傷有限元模型驗證 85
4.3.2 瀝青混合料細觀特征篩選及虛擬試件生成 87
4.3.3 細觀特征對瀝青混合料疲勞損傷發展的影響 92
參考文獻 99
第5章 瀝青路面結構疲勞仿真 101
5.1 瀝青路面的溫度場分析 101
5.1.1 瀝青路面溫度場基本理論 101
5.1.2 路面溫度場邊界條件 102
5.1.3 路面材料熱學參數 104
5.1.4 瀝青路面溫度場分析 106
5.2 瀝青路面結構疲勞分析 109
5.2.1 瀝青路面黏彈性與損傷基本響應 109
5.2.2 疲勞發展影響因素 112
5.2.3 疲勞發展規律 119
參考文獻 121
第6章 瀝青混合料低溫斷裂仿真 123
6.1 瀝青砂漿CZM參數獲取 123
6.1.1 I型斷裂 123
6.1.2 II型斷裂 125
6.2 瀝青混合料細觀有限元模型構建方法 125
6.2.1 CT數字圖像處理及細觀結構重構 125
6.2.2 隨機投放算法及隨機試件生成 128
6.3 瀝青混合料細觀斷裂有限元模型 132
6.3.1 有限元模型構建 132
6.3.2 有限元模型驗證 136
6.4 基于細觀結構的瀝青混合料低溫斷裂研究 140
6.4.1 集料特征對瀝青混合料低溫開裂的影響 140
6.4.2 空隙特征對瀝青混合料低溫開裂的影響 143
參考文獻 145
第7章 瀝青路面結構開裂仿真 146
7.1 疲勞本構模型的構建 146
7.1.1 疲勞極限的確定 146
7.1.2 剩余強度的概念 154
7.1.3 疲勞損傷臨界值的確定 156
7.1.4 剩余強度的衰變模型研究 158
7.2 疲勞損傷-斷裂全過程有限元建模方法 163
7.2.1 疲勞損傷與斷裂相結合的概念 163
7.2.2 疲勞損傷-斷裂全過程模擬方法的提出與應用 164
7.2.3 用戶損傷起始準則子程序UDMGINI簡介 166
7.2.4 疲勞損傷-斷裂全過程模擬的有限元實現 168
7.3 瀝青路面疲勞損傷-斷裂全過程模擬分析 170
7.3.1 路面結構疲勞損傷-斷裂全過程研究 170
7.3.2 力學響應分析 174
7.3.3 疲勞損傷累積規律分析 176
7.3.4 基層反射裂縫疲勞擴展過程研究 178
參考文獻 183
第8章 瀝青路面結構車轍仿真 185
8.1 路面-荷載相互作用分析 185
8.1.1 標準子午線輪胎有限元建模 185
8.1.2 輪胎-路面相互作用分析 187
8.1.3 荷載簡化模型與數值實現 188
8.2 瀝青路面永久變形分析 192
8.2.1 瀝青路面黏塑性基本響應分析 192
8.2.2 永久變形發展影響因素 194
8.2.3 柔性基層瀝青路面車轍發展與分布規律 199
參考文獻 202
前言
第1章 緒論 1
1.1 道路工程中的典型問題 1
1.2 用有限元解決道路工程典型問題的基本方法 2
1.3 本書內容安排 3
參考文獻 3
第2章 有限元方法簡介 5
2.1 有限單元法的近似 5
2.2 一維有限元方法 9
2.3 三維有限元方法 11
2.4 有限元軟件ABAQUS簡介 15
參考文獻 16
第3章 瀝青混合料本構模型的有限元實現 18
3.1 用戶子程序接口和應用程序 18
3.1.1 用戶材料子程序（UMAT） 18
3.1.2 應用程序 21
3.1.3 ABAQUS主程序與UMAT子程序協同工作過程 21
3.2 黏彈-黏塑性本構模型的UMAT編寫 22
3.2.1 黏彈-黏塑性本構模型理論 22
3.2.2 黏彈-黏塑性模型數值實現方式 26
3.2.3 黏彈-黏塑性本構模型UMAT編寫方法 29
3.3 黏彈-損傷本構模型的UMAT編寫 38
3.3.1 黏彈-損傷本構模型理論 38
3.3.2 黏彈-損傷本構模型UMAT編寫方法 44
參考文獻 51
第4章 瀝青混合料損傷演化仿真 53
4.1 基于細觀結構的瀝青混合料力學本構模型研究 53
4.1.1 分數階Zener模型有限元數值算法及驗證 53
4.1.2 黏彈性連續損傷力學模型（VECD） 65
4.1.3 黏聚帶斷裂力學模型（CZM） 67
4.2 瀝青混合料本構模型參數獲取 72
4.2.1 基于分數階本構模型的瀝青砂漿黏彈性參數獲取 72
4.2.2 VECD試驗結果分析及參數獲取 78
4.2.3 CZM試驗結果分析及參數獲取 81
4.3 基于細觀結構的瀝青混合料疲勞損傷研究 85
4.3.1 瀝青混合料細觀疲勞損傷有限元模型驗證 85
4.3.2 瀝青混合料細觀特征篩選及虛擬試件生成 87
4.3.3 細觀特征對瀝青混合料疲勞損傷發展的影響 92
參考文獻 99
第5章 瀝青路面結構疲勞仿真 101
5.1 瀝青路面的溫度場分析 101
5.1.1 瀝青路面溫度場基本理論 101
5.1.2 路面溫度場邊界條件 102
5.1.3 路面材料熱學參數 104
5.1.4 瀝青路面溫度場分析 106
5.2 瀝青路面結構疲勞分析 109
5.2.1 瀝青路面黏彈性與損傷基本響應 109
5.2.2 疲勞發展影響因素 112
5.2.3 疲勞發展規律 119
參考文獻 121
第6章 瀝青混合料低溫斷裂仿真 123
6.1 瀝青砂漿CZM參數獲取 123
6.1.1 I型斷裂 123
6.1.2 II型斷裂 125
6.2 瀝青混合料細觀有限元模型構建方法 125
6.2.1 CT數字圖像處理及細觀結構重構 125
6.2.2 隨機投放算法及隨機試件生成 128
6.3 瀝青混合料細觀斷裂有限元模型 132
6.3.1 有限元模型構建 132
6.3.2 有限元模型驗證 136
6.4 基于細觀結構的瀝青混合料低溫斷裂研究 140
6.4.1 集料特征對瀝青混合料低溫開裂的影響 140
6.4.2 空隙特征對瀝青混合料低溫開裂的影響 143
參考文獻 145
第7章 瀝青路面結構開裂仿真 146
7.1 疲勞本構模型的構建 146
7.1.1 疲勞極限的確定 146
7.1.2 剩余強度的概念 154
7.1.3 疲勞損傷臨界值的確定 156
7.1.4 剩余強度的衰變模型研究 158
7.2 疲勞損傷-斷裂全過程有限元建模方法 163
7.2.1 疲勞損傷與斷裂相結合的概念 163
7.2.2 疲勞損傷-斷裂全過程模擬方法的提出與應用 164
7.2.3 用戶損傷起始準則子程序UDMGINI簡介 166
7.2.4 疲勞損傷-斷裂全過程模擬的有限元實現 168
7.3 瀝青路面疲勞損傷-斷裂全過程模擬分析 170
7.3.1 路面結構疲勞損傷-斷裂全過程研究 170
7.3.2 力學響應分析 174
7.3.3 疲勞損傷累積規律分析 176
7.3.4 基層反射裂縫疲勞擴展過程研究 178
參考文獻 183
第8章 瀝青路面結構車轍仿真 185
8.1 路面-荷載相互作用分析 185
8.1.1 標準子午線輪胎有限元建模 185
8.1.2 輪胎-路面相互作用分析 187
8.1.3 荷載簡化模型與數值實現 188
8.2 瀝青路面永久變形分析 192
8.2.1 瀝青路面黏塑性基本響應分析 192
8.2.2 永久變形發展影響因素 194
8.2.3 柔性基層瀝青路面車轍發展與分布規律 199
參考文獻 202
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瀝青路面有限元仿真原理與方法 節選
第1章緒論 1.1道路工程中的典型問題 自20世紀90年代，我國開始大規模修建瀝青路面，經過約30年的快速發展，目前已經建成世界規模**的公路網[11。2001～2010年的10年間，我國瀝青路面的病害以松散、擁包、網裂、路基沉陷等一系列早期病害為主。到了21世紀的第二個10年，瀝青路面在設計、施工、養護、管理方面都有了長足的進步，路面的病害也從早期病害轉變為以裂縫與車轍為主的長期病害。 中國高等級瀝青路面中，半剛性基層結構瀝青路面占據絕對的多數。半剛性基層瀝青路面存在反射裂縫以及疲勞裂縫兩種形式。基于半剛性基層的固有性質，大體積混凝土結構必然會產生干縮與溫縮裂縫，路面在基層裂縫位置形成薄弱點，逐漸發展出反射裂縫。這種反射裂縫盡管可以通過減少基層水泥含量、使用低收縮水泥等方式進行改善，卻仍是不可避免的。但好在反射裂縫的存在并沒有顯著降低半剛性基層的整體結構強度，只要裂縫位置修補及時，避免被雨水滲入引發進一步的水損害，反射裂縫并不會顯著降低路面的服務水平。 與反射裂縫相對的，是疲勞裂縫。柔性基層瀝青路面的疲勞主要產生于瀝青層底部，半剛性基層結構的疲勞主要產生于半剛性基層底部。兩種路面結構盡管在材料與受力狀態上存在差異，但對于疲勞的產生，本質上是同一種工程問題均是材料在交通荷載的反復作用下性能逐漸下降，*終發生破壞的過程。相較來說，柔性路面用瀝青混合料這種抗疲勞更好的材料，在相同的疲勞壽命下可以降低路面的厚度；半剛性基層路面用水泥穩定碎石這種抗疲勞性能較差的材料，則需要更厚的結構層使層底拉應力下降到適當的水平，在石料價格低廉但瀝青成本昂貴的發展初期具有顯著的價格優勢，目前這種價格優勢已經逐漸不明顯。 與裂縫問題不同，車轍的形成更多是由面層瀝青混合料本身所決定的，而受到結構的影響相對較小。車轍產生的區域一般位于路面的中上面層，非重載超載路段產生車轍的位置*深也一般不超過15cm。而對于主要產生車轍的中上面層，其受力狀態更多地直接受到交通荷載與環境的影響，受到結構的形式與特征的影響相對較小。因此，研究浙青路面的車轍問題，除了瀝青混合料本身的抗車轍能力外，應當更多地注重輪胎荷載對于路面的非均勻分布，以及溫度在深度方向的非均勻分布。 因此，從力學的角度去研究瀝青路面的疲勞問題與裂縫問題，本質上是通過研究材料的疲勞行為以及永久變形行為，并將其代入路面結構進行受力分析，獲得材料在結構中的疲勞與車轍發展。可以將其拆解為路面材料的本構模型研究、路面的結構分析研究兩個步驟。其中，路面材料的本構模型主要通過力學理論推導、試驗現象總結歸納、多尺度材料性能的預估等一系列方法去獲取。而路面的力學結構分析，由于考慮了材料復雜的非線性本構，尤其是疊加上部分可能影響路面性能的非均布的交通荷載、隨時間變化的溫度分布等因素，幾乎不可能獲得解析解，而有限元方法則提供了一種獲得這種復雜工程問題近似解的思路。 1.2用有限元解決道路工程典型問題的基本方法 有限元方法自20世紀50年代被提出以來，就一直是獲取工程問題近似解的重要手段，并且隨著計算機技術的發展，有限元的優勢也愈發明顯。 有限元方法通過將待求域離散化，通過變分方法，使得誤差函數達到*小值并產生穩定解。類比于連接多段微小直線逼近圓的思想，有限元方法將許多小區域上的簡單方程聯系起來，并用其去估計更大區域上的復雜方程。它將待求域看成是由許多被稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的近似解，然后推導求解這個域整體的滿足條件（如結構的平衡條件），從而得到問題的解。這個解不是精確解，而是近似解，因為初始的、復雜的實際問題在離散化的過程中被較簡單的問題所代替。 市場上已經存在眾多的有限元軟件，因此使用有限元方法求解工程問題并不需要編寫所有的以變分法為基礎的全部求解方程，更多是在軟件已經打包好的操作界面進行建模并設置合理的條件。用戶只要構建合適的結構模型，設置合適的材料模型、荷載條件、邊界條件、網格劃分、求解器等，就可以完成復雜的工程問題計算。 相對于其他工程問題，道路的結構相對簡單，忽略路面內部的管網結構以及橫縱坡等，可以將路面結構簡化為數層同種材料組成的彈性層狀體系，因此道路結構的建模相對于其他領域，是較為簡單的步驟。對于求解器，則根據所求的問題是動力學的瞬時問題還是準靜態的受力分析而選擇合適的求解器即可。道路工程的有限元核心在于解決材料模型以及邊界條件的構建。 通用的有限元軟件盡管提供了大量的材料本構模型，但考慮到疲勞與車轍往往涉及復雜的損傷力學與黏塑性力學模型，軟件本身所帶的模型很難完全適用于道路工程特殊的浙青混合料與其他道路材料，研究者往往需要根據軟件提供的接口自行編輯相關的本構模型。而在本構模型之外，則需要解決道路工程的荷載與邊界條件問題。道路工程除了橫斷面與路基底部邊界條件外，主要是路面受到的交通荷載以及環境荷載。解決瀝青層底部或半剛性層底部的疲勞問題時，荷載與環境的建模的精確性要求相對較弱，只需要滿足交通荷載和溫度對于層底的影響與實際一致即可；但對于車轍問題，由于其受到荷載與環境的影響較大，因此在求解車轍問題時，應當格外注重荷載與環境問題的精確性。 1.3本書內容安排 本書將圍繞有限元仿真方法在道路工程，特別是瀝青路面研究中的應用展開。在介紹有限元方法基礎理論以及相關有限元計算軟件的基礎上，從細觀和宏觀兩個方面，分章節介紹通過有限元來分析瀝青路面車轍、疲勞以及裂縫等病害的力學行為與力學機理的過程。本書寫作采用案例形式的章節設置，每章不僅包含對于具體道路工程問題的有限元分析方法，也包括了相應的力學理論知識以及可能涉及的試驗方法，旨在使讀者能夠在一章內容中對于所感興趣的工程問題有全面系統的了解，提高可讀性和便捷性。 本書主要內容包括以下四部分： **部分為有限元基礎理論，包含第2～3章。第2章介紹有限元原理，包括有限元方法近似原理、一維和三維有限元基本的計算框架，以及對道路領域常用的有限元軟件ABAQUS進行簡單介紹；第3章介紹了瀝青混合料本構模型的有限元實現方法，主要包括使用的軟件接口、黏彈-黏塑性本構模型數值實現方法、黏彈-損傷本構模型數值實現方法。 第二部分為用有限元方法解決疲勞問題的案例，包含第4～5章。兩章分別從細觀的瀝青混合料層面研究材料疲勞的分析方法以及從宏觀道路結構層面研究瀝青路面結構疲勞的分析方法。 第三部分為用有限元方法解決斷裂問題的案例，包含第6～7章。兩章分別為從細觀的瀝青混合料層面研究材料斷裂的分析方法以及從宏觀道路結構層面研究瀝青路面結構開裂的分析方法。 第四部分為瀝青路面的車轍分析方法，為第8章。介紹了瀝青路面與輪胎相互作用的分析過程以及瀝青路面的永久變形分析方法。 第2章有限元方法簡介 嚴格依據力學的物理方程、平衡方程、邊界條件，去尋找工程問題的解析解是非常復雜的。道路工程領域涉及的瀝青混合料、水泥穩定碎石、路基、級配碎石等材料都是典型的非線性材料，使得道路工程領域的問題極難獲得甚至無法獲得解析解。但是有限元方法提供了另一條思路，有限元方法將整體劃分為有限個單元，各個單元之間通過它們的節點相互連接，并使得位移在各個單元之間保證協調。通過這種方式獲得的各個單元的解析解，是解決整體工程問題的一種近似方法。 本章將介紹利用一維以及三維的有限元進行結構分析的方法，其他的例如梁單元、板單元、平面應力或應變單元等，與一維和三維有限元基本相似的方程，在本書中就不再贅述。感興趣的讀者可以尋找專門論述有限元方法的書籍進行了解本章內容對于加深讀者對有限元基本原理的認知具有重要意義，讀者依據該原理，可以分析在使用有限元軟件中的誤差或明顯錯誤發生的原因，進而改進建模方法或求解手段。 2.1有限單元法的近似 利用解析方法去解決工程問題，所得到的解析解往往是復雜的，甚至微分方程的解析解是無窮級數的形式，使得對于復雜工程的應用很難具有通用性。而在有限元中，用一種近似解去取代完全精確的解析解，這種近似解被表示為一系列被稱為試函數（trial function）的和： （2.1） 式中，為試算函數；Ci為依據解析解與近似解之間*小誤差確定的系數。由于解析解是試函數的線性疊加，因此，數值解的精度完全依賴于試函數。 試函數與系數的選擇必須使得數值解滿足基本的邊界條件。但如果直接用整體去計算近似解，則獲得滿足邊界條件的試函數將和解析解一樣困難。有限元的一個重要思想是在整個域內將待解析的整體劃分為一組簡單的子域，然后在子域上利用式（2.1）尋找滿足邊界條件的試函數。這樣，除了邊界上的節點需要進行特殊的處理去滿足條件外，其他的單元只需要通過節點，滿足節點位移之間的相互協調變形即可。 如圖2.1所示，如果我們假設所需解決的問題的域是一維的，精確解由虛線給出，當整個域被劃分為有限個單元時，則可以通過分段連續的多項式去計算近似解。假設近似解在每個單元內部是線性的，由于共用的節點，則分段的解在節點上是相等的。需要使用足夠密的單元，數值解*終會收斂于解析解。此外，如果在單元內部使用高階的，而不是線性的多項式，則可以得到更精確的近似解。 對于不同的工程問題，可以依據問題的性質與維度采用不同的單元類型。表2.1為工程中常用的單元類型。 在將待求解的域離散化后，對于求解問題的積分式，將可以通過作用于每個單元上的和的形式，分解到每一個單元上。例如，若需要求解在（0，1）上的數學問題，對于（0，1）上的積分式，可以分解為10個單元的形式進行離散化： （2.2） 式中，f為待求問題所需要計算的積分。 在將待求域分解為一系列的簡單形狀的單元后，下一步是單元內部的求解。單元內部的解需要進一步近似為多項式的形式。繼續以一維問題為例，將一維問題簡化為一系列單元后，取其中的一個單元，如圖2.2所示。則取出的單元具有兩個節點，試函數可以利用節點的值進行構造。
瀝青路面有限元仿真原理與方法 作者簡介
馬濤，教授，博士生導師，東南大學青年首席教授，國家優秀青年科學基金獲得者。入選交通運輸部中青年科技創新領軍人才，江蘇省“333高層次人才培養工程”中青年科學技術帶頭人、“六大人才高峰”計劃；獲評中國公路青年科技獎、中國公路建設行業協會科學技術英才獎、江蘇公路優秀科技工作者、唐仲英青年學者、王秉綱青年學者、東南大學青年五四獎章。長期致力于道路工程領域的科學研究和人才培養工作。主持/參與國家重點研發計劃、國家863計劃、國家科技支撐計劃、國家自然科學基金等重要科研課題50余項；獲得省部級科技進步獎、技術發明獎以及學會/協會科學技術獎等各類獎項20余項；獲得全國微課教學比賽一等獎、省部級教學成“果獎以及東南大學“我最喜愛的研究生導師”十佳導師等教學榮譽獎勵10余項；指導學生獲得全國“互聯網+”大賽銀獎、全國交通運輸科技大賽一等獎、江蘇省研究生科研創新實踐大賽一等獎等各類學科競賽獎10余項。
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