CN108801821B - 一种沥青混合料多序列动态加载的实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种沥青混合料多序列动态加载的实现方法，包括以下步骤：设置测试系统，然后设置输入参数、加载参数、加载曲线及测试状态序列，接着定义计算变量，设置测试数据及图表显示，最后设置加载架的参数及进行通道分配。采用本方法可以在一次蠕变试验中可添加多达99个加载序列，每个加载序列的加载参数均可进行个性化调整从而实现对试件施加复杂的荷载组合，一个周期内的采样频率为500，能够记录和计算完整的半正弦脉冲荷载下材料的力学响应。除粘塑性变形外，还可以从基于时间序列的变形数据中提取出材料的弹性、粘弹性变形。

Description

一种沥青混合料多序列动态加载的实现方法
技术领域
本发明具体涉及一种属于沥青混合料多序列动态加载的实现方法，属于道路工程技术领域。
背景技术
美国NCHRP研究计划推荐的动态蠕变试验是目前被广泛应用的探究沥青混合料高温蠕变特性的室内试验，该试验采用半正弦波脉冲加载，被认为是最接近实际路面上车辆荷载的作用形式。但是，该试验方法的加载模式是单一荷载的半正弦波加载，即在一次试验中半正弦波的波长和振幅都无法改变，这与实际路面所受的复杂的轴载状况不符。
由于该试验在试验条件设置上过于单一，单次试验中无法模拟变化的、复杂的受力状况，因此，一些学者在该试验方法的基础上提出了改进版，如基于轴载谱的多级加载动态蠕变试验(蒋继望，发明专利《基于轴载谱的沥青混合料多级加载高温蠕变曲线分析方法》)，该试验设置了无围压状态下的四种不同应力级别的两组循环加载，提出了复合流变次数等评价指标。该试验方法使用的加载程序是UTS037，适用于万能试验机UTM-25，最多添加八个加载序列，每个序列可改变的加载参数有接触压力、半正弦波的振幅、围压大小、及重复加载次数。根据已有的研究成果，高温、重载、低速对路面永久变形影响最为显著，因此，对于室内动态蠕变试验来说，试验的温度、所施加的半正弦波的振幅、波长分别可以对应和模拟实际路面上这三种重要的影响因素。而现有的UTS037加载程序仅能提供不同振幅的半正弦波的多级加载，却无法提供不同波长的半正弦波的多序列加载，也就不能实现在一次试验中进行不同振幅及波长组合的半正弦波的多序列加载。因此，如果想要在一次试验中覆盖到实际路面中复杂的应力状况组合，必须要实现可自定义添加随意多个数的加载序列，而且每个序列中荷载的各项参数均可自定义，然而现有的蠕变试验程序不能实现上述功能。
另外，现有的动态蠕变及多级加载的试验程序在每个加载周期内只采集一个变形数据，即采样频率为1，并且，该采样点的位置信息是未知的，即无法判断该点对应于半正弦波荷载周期的哪个阶段，这对于后期分析处理数据造成了不便。目前的试验程序均无法自定义采样频率，即无法获取试件在完整的半正弦荷载加卸载周期内的全部变形响应。通过提高采样频率来获取整个加载周期内试件的变形数据，这对于准确分析试验数据及全面了解沥青混合料的粘弹塑性变形行为是必要的。
发明内容
技术问题：本发明的目的是为了克服现有的动态蠕变试验方法中无法自定义采样频率、自定义加载序列个数、修改加载波形各项参数等缺陷，利用万能试验机的Testlab平台中的实验设计器功能开发了一种多序列动态加载试验方法，可提供更灵活、方便的加载参数的输入及采集到更丰富的试件变形数据。
技术方案：本发明提供了一种沥青混合料多序列动态加载的实现方法，该方法包括以下步骤：
1)设置测试系统：将测试布局风格设置为多序列多图表；在试件选项部分将试件形状设置为环状；在通道配置部分添加三个通道，分别是COO作动器位移、CO1荷载、C02温度,其中COO和C01均是轴控制1模式，C02是仅采集模式；
2)设置输入参数：设置的输入参数分别为：目标试验温度、最大永久应变；
3)设置加载参数：设置的加载参数分别为：脉冲宽度、频率、重复加载次数、最大应力、接触应力、序列间等待时间、荷载周期；
4)设置加载曲线：设置三个荷载控制模块，分别为：预加载模块、加载模块、卸载模块；
5)设置测试状态序列；共有四个测试状态序列，分别为停止、预加载，加载、卸载，对应的状态编号分别为0、1、2、3；预加载测试状态下强制停止时的测试状态为3，下一测试状态为2；加载测试状态下强制停止时的测试状态为3，下一测试状态仍为3；其中，加载测试序列下设置加载序列最大个数设为99；勾选序列间等待时间，并在等待时长后的引用框中输入序列间等待时间的参数名；序列终止检测后选择主时钟重复次数递减到零；在一个序列中显示的最大周期个数后输入1；待上述设置完成后，需要对测试状态1、2、3分别进行采集设置；
6)定义计算变量：计算变量名系统中默认以V开头，后跟两位数字，只要未被系统占用，数字可从00-99中任意选择；
7)设置测试数据：系统将测试数据分为两组，一组是与加载序列相互独立的数据，变量名可从D00-D11之间进行任意选择；另一组是与加载序列密切相关的数据，变量名从D12-D40之间进行任意选择；
8)设置图表显示：分别在图表类型区域的左右轴下添加四个新组，在底轴下添加两个项目，对每个项目进行命名并指定其引用变量名，此处的项目名称不一定与其引用的计算变量名的描述一致；
9)设置加载架参数：在主菜单栏的工具下拉菜单中选择实验选项，然后选择加载架，分别对主轴动力源、作动器、围压室进行设置；
10)进行通道分配：在主菜单栏的工具下拉菜单中选择系统配置，选择其中的通道分配选项，然后设置作动器位移传感器、荷载传感器和温度传感器的接口、机械限位或量程。
其中，
所述步骤4)中预加载模块设置为斜坡，在目标值处引用最小参考荷载的变量名，时长为2000-5000ms；加载模块设置为半正弦脉冲波形，波形的最大和最小荷载处分别引用最大参考应力和最小参考应力的变量名，脉冲宽度处引用脉冲宽度的参数名，并勾选在波形结束时跳转，勾选模块跳转条件里的周期数，并引用重复加载次数的参数名，设置周期数结束后跳转至模块2；卸载模块设置为斜坡，目标值为0，时长为3000-5000ms。
所述步骤5)测试状态1的采集设置采集模式为零点采集；采集任务下勾选C00作动器位移、C01荷载、C02温度的主任务。
所述步骤5)测试状态2的采集设置：采集模式为单任务采集；采集任务下勾选C00作动器位移、C01荷载、C02温度的主任务；时序发生器设置中在主时钟事件间隔后引用荷载周期的参数名，勾选固定重复次数并引用重复加载次数的参数名；启动触发器后选择主时钟事件，扫描时长处引用荷载周期的参数名，采样间隔处引用采样间隔的计算变量名；数据存储缓冲区大小设为5000，数据存储缩减设置为自动线性抽取；勾选时间序列采集模式，设置采集周期1-100000，在显示宽度处引用扫描时长的计算变量名。
所述步骤5)测试状态3的采集设置：采集模式为无，其余无需设置。
所述步骤6)中定义的计算变量包括：测试时间、重复加载次数、总加载次数、序列号、温度、接触应力、轴向峰值荷载、频率、时间序列、荷载序列、扫描时长、轴向应力序列、采样间隔、轴向峰值应力、最大参考荷载、最小参考荷载、非零项、拟合荷载序列、荷载标准差、荷载偏移、终止条件、作动器位移、作动器零点、应变率、累积应变。
所述步骤7)中设置的测试数据分别为：测试时间、总加载次数、序列号、作动器零点、温度、频率、重复加载次数、接触应力、轴向峰值应力、荷载标准差、荷载偏移、应变率、累积应变。
所述步骤8)图表类型中，左右轴中包含四个新组：应变、应力、荷载、位移；底轴下包含两个项目：时间序列、测试周期数。
所述步骤9)的主轴动力源为液压，作动器为顶部加载，围压室为手动操作。
所述步骤10)中作动器位移传感器的接口为1A，机械限位最大25.0mm，最小-25.0mm；荷载传感器的接口为1B，机械限位最大25.0kN，最小-25.0kN；温度传感器的接口为1C，量程从-15C到85C。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：
本方法可以在一次蠕变试验中可添加最多99个加载序列，每个加载序列的加载参数均可进行个性化调整从而实现对试件施加复杂的荷载组合，由于采样频率较传统蠕变试验提高了五百倍，因此能够记录和计算完整的半正弦脉冲荷载下材料的力学响应。除粘塑性变形外，还可以从基于时间序列的变形数据中提取出材料的弹性、粘弹性变形。
附图说明
图1为本发明步骤的流程图；
图2为不同应力幅值的半正弦荷载周期示意图；
图3为不同脉冲宽度(波长)的半正弦荷载周期示意图；
图4为传统动态蠕变试验采样频率为1时的蠕变曲线与多序列动态加载试验采样频率为500时的蠕变曲线对比。
具体实施方式
结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
本发明方法包括以下步骤：
1)设置测试系统；
将测试布局风格设置为多序列多图表，这意味着在试验时每个加载序列分别对应一张图进行采集数据的实时展示，若将采集数据输出，则所有加载序列对应的采集数据将会导出到一个Excel文件中，每个加载序列采集到的数据对应输出至该文件的一张表格中。
在通道配置中增加三个通道，分别是COO作动器位移、CO1荷载、C02温度,其中COO和C01均是轴控制1模式，C02是仅采集模式。这意味着试验中分别需要使用到作动器位移传感器、荷载传感器及温度传感器进行相关数据的采集。
在试件选项处将形状选择为环状，缺省尺寸单位为毫米，这意味着试验中采用的试件形状为圆柱体，需要在试验前在实验参数界面输入试件的高度及压头的接触半径，用以计算试验中施加的荷载及材料产生的应变等。
2)设置输入参数；
系统中默认输入参数名以P开头，预设了P00-P23等24个参数名，可根据需要随意选择对某个或某几个参数名进行描述和各项参数设置。本发明中设置了两个输入参数：P01目标测试温度和P14最大永久应变，其相关参数设置见表1。
表1输入参数设置
变量名 描述 显示精度 单位 默认值 最大值 最小值
P01 目标测试温度 1 C 0 75 0
P14 最大永久应变 0 με 0 100000 0
3)设置加载参数；
系统中默认加载参数名以L开头，预设了L20-P43等24个参数名，其中L20-L31用来定义测试静态参数，L32-L43至用来定义测试序列参数，可根据需要随意选择对某个或某几个参数名进行描述和各项参数设置。本发明中设置了七个测试序列参数(其中L33处引用计算变量V10，即频率值由系统提供，无需操作者输入)，具体参数设置见表2。
表2加载参数设置
Figure BDA0001651576430000051
Figure BDA0001651576430000061
4)设置加载曲线；
分别添加三个控制模块，每个模块的加载参数设置见表3。由于不同的加载序列可设置不同的接触应力，所以接触应力采用一个变量进行描述。V44代表的是接触应力所对应的接触荷载(也即最小参考荷载，在下文的计算变量中将给出它的表达式)。
表3加载参数设置
控制:[模块] 1:[1] 1:[2] 1:[3]
控制模式 [C01]Load [C01]Load [C01]Load
描述 预加载 加载 卸载
加载模式 斜坡 波形 斜坡
比例增益 3500 5600 2000
积分增益 15 12 12
微分增益 1200 1200 1200
目标/kN 引用V44 —— 0
时长/ms 2000 —— 5000
对于模块2，波形设置为半正弦，需要用最大值(波峰)和最小值(波谷)来进行描述，由于不同加载序列可设置不同峰值应力的半正弦波形(如图2所示，一般对路面材料施加的应力范围在700-1400kPa之间)，因此，最大值和最小值处分别引用两个计算变量V42(最大参考荷载)和V44(最小参考荷载)。半正弦荷载的宽度(即脉冲荷载的波长，如图3所示，对于路面材料，脉冲荷载的宽度通常设置在0.1-0.4s之间)处引用输入变量L32(脉冲宽度)，同时勾选自适应控制下的脉冲，并勾选在波形结束时跳转。在模块跳转条件下勾选周期数，并引用输入变量L34(重复加载次数)，跳转至模块2(即一个加载序列的重复加载次数完成后，开始下一个序列的加载)。
5)设置测试状态序列；
按照表4所示，对各个测试序列进行顺序调整及采集设置。将四个测试序列在强制停止时的测试状态均设置为3，并将测试序列1的下一测试状态设置为2，测试序列2的下一测试状态设置为3。
表4测试序列控制设置
状态 状态描述 采集模式 Contro-1 Blocks
0 Idle-Stopped —— [B00]Block Zero
1 Initialising Zero [B01]Pre-Test Load
2 Main Loading Main [B02]Loading
3 Unload —— [B03]Unload
其中，状态2(Main Loading)还需要对序列加载选项进行设置：指定加载序列的最大个数为99(即在加载状态下可最多设置99个加载序列)；序列终止检测选定为主时钟重复次数递减到零；勾选序列间等待，并引用输入变量L37(序列间等待时间)；一个序列中显示的最大周期个数设置为1。
除上述设置外，仍需要对状态1、状态2、状态3进行采集设置。状态1的采集模式是零点采集，采集任务包括三个主任务，分别是C00作动器位移、C01加载和C02温度。状态2的采集模式为单任务，采集任务同样包括了上述三个通道的主任务；在时序发生器下的主时钟事件间隔后引用变量L38(荷载周期)，勾选固定重复次数，并引用输入变量L34(重复加载次数)；在采集任务设置区，设置主时钟事件来启动触发器，通道数默认为3，在扫描时长处引用输入变量L38(荷载周期)，采样间隔后引用计算变量V30(采样间隔)；在数据存储选项区域，将存储缓冲区大小设置为5000，数据存储缩减选择自动线性抽取；在时间序列采集区域，勾选时间序列采集模式(基于采集周期)，显示宽度后引用计算变量V17(扫描时长)，然后勾选手动设置周期，启用编辑选项，在弹出的设置周期窗口中输入周期范围1-100000，即基于时间序列的采集模式将采集和记录从1到100000次加载周期内的数据。状态3的采集模式是无，其余无需设置。
6)定义计算变量；
计算变量名系统中默认以V开头，后跟两位数字，只要未被系统占用，数字可从00-99中任意选择。依次定义如表5所示的各个计算变量及其表达式。表达式的书写规则和函数功能可从UTM自带的相关说明文档中进行查询。经实测和验算，所定义的各个变量均能正常使用，计算结果准确有效。
表5设置的计算变量
Figure BDA0001651576430000081
Figure BDA0001651576430000091
采样频率设置为一个周期500个点，即当荷载周期为1s时，对应的采样间隔为2ms(系统中支持的最小的采用间隔为1ms)。2ms采集一个数据足以使最终导出的基于时间序列的材料的累计应变的变化真实反映出材料在半正弦波荷载作用全过程的实时响应，若采样间隔设置为1ms，则导出的数据量过大，不利于数据处理。
如图4所示，通过采样频率500与采样频率1的蠕变曲线(只截取了前十个加载周期)对比可发现，采样频率为1在试件加载的前十个荷载周期内只记录了十个变形点(图中黑色圆点所示)，而采样频率为500则在十个周期内共采集了5000个变形点(图中浅色虚线所示，由于点过于密集，并未使用真实密度的点图显示)。采样频率为500的蠕变曲线不仅记录了材料随时间变化的粘塑性变形，还准确记录了材料包含弹性、粘弹性的全部变形特征，为后续分析材料的力学响应提供了更丰富、有效的变形数据。
7)设置测试数据；
为了在试验过程中对测试数据在表格中进行实时观察，需要对表格中实时显示的数据进行定义，系统将测试数据可分为两组，一组是与加载序列相互独立的数据(变量名可从D00-D11之间进行任意选择)，如温度、测试时间等，另一组是与加载序列密切相关的数据(变量名可从D12-D40之间进行任意选择)，如该加载序列的应力大小、重复加载次数等。设置好的测试数据分别如表6和表7所示(此处对测试数据变量名的描述可不与其引用的计算变量名的描述一致)。
表6设置需要被实时显示的数据
变量名 描述 引用 显示精度 单位
D00 测试时间 V00 0 sec
D01 总加载次数 V02 0 ——
D02 序列号 V03 0 ——
D04 作动器零点 V91 6 mm
D05 温度 V05 1 C
表7设置序列中需要被实时显示的数据
Figure BDA0001651576430000101
8)设置图表显示；
为了在试验的过程中对一些数据进行实时作图显示，需要对在图形中实时显示的数据进行定义。分别在图表类型区域的左右轴下添加四个新组(应变组、应立组、荷载组、位移组)，在底轴下添加两个项目，对每个项目进行命名并指定其引用变量名(此处的项目名称不一定与其引用的计算变量名的描述一致)。如表8所示：
表8设置图表显示项目
Figure BDA0001651576430000111
当底轴选择为时间序列时，输出图形中相关数据的采样频率为500(如V18、V90等是基于时间序列来采集)。当底轴选择为测试周期数时，输出图形的相关数据的采样频率为1(如V98、V99是基于测试周期数来采集)。
9)设置加载架参数；
在主菜单栏的工具下拉菜单中选择实验选项，然后选择加载架设置页面，将主轴动力源设置为液压，作动器方向设置为顶部加载，围压室设置为手动。
10)进行通道分配。
在主菜单栏的工具下拉菜单中选择系统配置，然后选择其中的通道分配，由于在测试系统中设置了三个通道，因此需要对这三个通道中的相关传感器选择校准文件、分配通道、和编辑必要的参数。
接入测试系统的传感器都自带与其对应的标定文件，需要在此界面选定各自的标定文件，然后对每个传感器分配接口、设置机械限位或量程。作动器位移传感器的接口为1A，机械限位最大25.0mm，最小-25.0mm；荷载传感器的接口为1B，机械限位最大25.0kN，最小-25.0kN；温度传感器的接口为1C，量程从-15C到85C。需要注意的是，传感器的接口要根据其实际接入UTM控制器的接口来指定，即先将传感器接入到控制器的某一接口，然后在此界面输入其接口名。传感器的机械限位或量程根据所使用的传感器的实际参数来进行设置。

Claims (10)

1.一种沥青混合料多序列动态加载的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)设置测试系统：将测试布局风格设置为多序列多图表；在试件选项部分将试件形状设置为环状；在通道配置部分添加三个通道，分别是COO作动器位移、CO1荷载、C02温度,其中COO和C01均是轴控制1模式，C02是仅采集模式；
2)设置输入参数：设置的输入参数分别为：目标试验温度、最大永久应变；
3)设置加载参数：设置的加载参数分别为：脉冲宽度、频率、重复加载次数、最大应力、接触应力、序列间等待时间、荷载周期；
4)设置加载曲线：设置三个荷载控制模块，分别为：预加载模块、加载模块、卸载模块；
5)设置测试状态序列；共有四个测试状态序列，分别为停止、预加载，加载、卸载，对应的状态编号分别为0、1、2、3；预加载测试状态下强制停止时的测试状态为3，下一测试状态为2；加载测试状态下强制停止时的测试状态为3，下一测试状态仍为3；其中，加载测试序列下设置加载序列最大个数为99；勾选序列间等待时间，并在等待时长后的引用框中输入序列间等待时间的参数名；序列终止检测后选择主时钟重复次数递减到零；在一个序列中显示的最大周期个数后输入1；待上述设置完成后，需要对测试状态1、2、3分别进行采集设置；
6)定义计算变量：计算变量名系统中默认以V开头，后跟两位数字，只要未被系统占用，数字可从00-99中任意选择；
7)设置测试数据：系统将测试数据分为两组，一组是与加载序列相互独立的数据，变量名可从D00-D11之间进行任意选择；另一组是与加载序列密切相关的数据，变量名从D12-D40之间进行任意选择；
8)设置图表显示：分别在图表类型区域的左右轴下添加四个新组，在底轴下添加两个项目，对每个项目进行命名并指定其引用变量名，此处的项目名称不一定与其引用的计算变量名的描述一致；
9)设置加载架参数：在主菜单栏的工具下拉菜单中选择实验选项，然后选择加载架，分别对主轴动力源、作动器、围压室进行设置；
10)进行通道分配：在主菜单栏的工具下拉菜单中选择系统配置，选择其中的通道分配选项，然后设置作动器位移传感器、荷载传感器和温度传感器的接口、机械限位或量程。
2.根据权利要求1所述的一种沥青混合料多序列动态加载的实现方法，其特征在于，所述步骤4)中预加载模块设置为斜坡，在目标值处引用最小参考荷载的变量名，时长为2000-5000ms；加载模块设置为半正弦脉冲波形，波形的最大和最小荷载处分别引用最大参考应力和最小参考应力的变量名，脉冲宽度处引用脉冲宽度的参数名，并勾选在波形结束时跳转，勾选模块跳转条件里的周期数，并引用重复加载次数的参数名，设置周期数结束后跳转至加载模块；卸载模块设置为斜坡，目标值为0，时长为3000-5000ms。
3.根据权利要求1所述的一种沥青混合料多序列动态加载的实现方法，其特征在于，所述步骤5)测试状态1的采集设置采集模式为零点采集；采集任务下勾选C00作动器位移、C01荷载、C02温度的主任务。
4.根据权利要求1所述的一种沥青混合料多序列动态加载的实现方法，其特征在于，所述步骤5)测试状态2的采集设置：采集模式为单任务采集；采集任务下勾选C00作动器位移、C01荷载、C02温度的主任务；时序发生器设置中在主时钟事件间隔后引用荷载周期的参数名，勾选固定重复次数并引用重复加载次数的参数名；启动触发器后选择主时钟事件，扫描时长处引用荷载周期的参数名，采样间隔处引用采样间隔的计算变量名；数据存储缓冲区大小设为5000，数据存储缩减设置为自动线性抽取；勾选时间序列采集模式，设置采集周期1-100000，在显示宽度处引用扫描时长的计算变量名。
5.根据权利要求1所述的一种沥青混合料多序列动态加载的实现方法，其特征在于，所述步骤5)测试状态3的采集设置：采集模式为无，其余无需设置。
6.根据权利要求1所述的一种沥青混合料多序列动态加载的实现方法，其特征在于，所述步骤6)中定义的计算变量包括：测试时间、重复加载次数、总加载次数、序列号、温度、接触应力、轴向峰值荷载、频率、时间序列、荷载序列、扫描时长、轴向应力序列、采样间隔、轴向峰值应力、最大参考荷载、最小参考荷载、非零项、拟合荷载序列、荷载标准差、荷载偏移、终止条件、作动器位移、作动器零点、应变率、累积应变。
7.根据权利要求1所述的一种沥青混合料多序列动态加载的实现方法，其特征在于，所述步骤7)中设置的测试数据分别为：测试时间、总加载次数、序列号、作动器零点、温度、频率、重复加载次数、接触应力、轴向峰值应力、荷载标准差、荷载偏移、应变率、累积应变。
8.根据权利要求1所述的一种沥青混合料多序列动态加载的实现方法，其特征在于，所述步骤8)图表类型中，左右轴中包含四个新组：应变、应力、荷载、位移；底轴下包含两个项目：时间序列、测试周期数。
9.根据权利要求1所述的一种沥青混合料多序列动态加载的实现方法，其特征在于，所述步骤9)的主轴动力源为液压，作动器为顶部加载，围压室为手动操作。
10.根据权利要求1所述的一种沥青混合料多序列动态加载的实现方法，其特征在于，所述步骤10)中作动器位移传感器的接口为1A，机械限位最大25.0mm，最小-25.0mm；荷载传感器的接口为1B，机械限位最大25.0kN，最小-25.0kN；温度传感器的接口为1C，量程从-15C到85C。
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