CN111693380A - 一种基于有限元的沥青路面疲劳损伤预测方法 - Google Patents

一种基于有限元的沥青路面疲劳损伤预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于有限元的沥青路面疲劳损伤预测方法，是基于力学—热—损伤耦合控制方程，模拟沥青路面在车辆荷载和温度应力作用下的疲劳损伤，本方法包括以下步骤：选择路面构造类型和几何尺寸，定义车辆荷载和路表温度函数；指定路面材料的力学参数、热力学参数和损伤参数；分别构建力学响应模组、热传导模组和损伤演化模组；针对计算结果进行后处理分析。本发明准确识别了沥青路面的车辆荷载损伤和温度应力损伤，从而表征沥青路面损伤病害在实际环境中的产生机理、分布区域和发展趋势，最终助力于改善沥青路面的服务性能和使用年限。

Description

一种基于有限元的沥青路面疲劳损伤预测方法
技术领域
本发明涉及沥青路面使用性能的预测，具体涉及一种基于有限元的沥青路面疲劳损伤预测方法。
背景技术
在沥青路面的服役过程中，交通荷载和温度应力引起的路面裂缝是最为主要的病害形式。在低温寒冷地区，沥青混合料脆性的增强使得沥青面层承受了更大的路面应力，使得拉伸和温缩开裂问题尤为显著。而在高温环境中，沥青面层抗变形能力有所衰弱，这使得路表剪切开裂快速发展。由此可见，重复车辆荷载引发的疲劳开裂总是与温度损伤共同发展和演化，且外界环境对其产生了显著影响。
尽管如此，研究者的精力往往集中于上述某种荷载作用下的沥青路面开裂，仅研究其中某种损伤的作用机理和影响因素，从而忽略了车载损伤和温度损伤相伴发展的客观事实。因此，如何正确理解车载损伤和温度损伤的分布位置和产生机理，并进一步地准确表征这两种损伤共存时的沥青路面使用性能，是当前亟待解决的重要问题。
发明内容
为弥补现有路面疲劳损伤研究中的不足之处，本发明提供了一种基于有限元的沥青路面疲劳损伤预测方法。通过耦合力学响应、热传导和损伤演化方程，该预测方法准确识别了沥青路面的车辆荷载损伤和温度应力损伤，从而表征沥青路面损伤病害在实际环境中的产生机理、分布区域和发展趋势，最终助力于改善沥青路面的服务性能和使用年限。
本发明为解决技术问题，采用如下技术方案：
一种基于有限元的沥青路面疲劳损伤预测方法，是在有限元数值模拟软件中按如下步骤进行：
步骤1：以实际沥青路面为依据，选择路面的构造类型和几何尺寸，定义车辆荷载和路表温度函数；
所述选择路面的构造类型和几何尺寸是指：按照待预测沥青路面的实际基层类型，将所述路面的构造类型选择为柔性基层沥青路面、刚性基层沥青路面或半刚性基层沥青路面；按照待预测的沥青路面的实际尺寸，定义路面的几何尺寸，从而构建出沥青路面的有限元数值模型；
所述车辆荷载可根据需要选择为准静态车辆荷载或移动车辆荷载；
所述路表温度函数是通过对实际路段的实测温度数据随时间的变化曲线进行拟合获得，由式(1)所表征：
Figure BDA0002547643750000021
其中：Tsur为路表温度；A和T0为温度拟合系数，分别代表温度幅值和初始温度；d为天数；
步骤2：指定沥青路面的力学参数、热力学参数和损伤参数；
所述沥青路面的结构层包括沥青面层、基层和地基层；
所述力学参数包括各结构层的杨氏模量、泊松比和密度，以及结构层中沥青面层的黏弹性参数；
所述热力学参数包括各结构层的导热系数和比热容；
所述损伤参数包括沥青面层的损伤黏度参数、损伤演化参数和温度敏感参数；
步骤3：构建力学响应模组，从而表征沥青路面各结构层在车辆荷载作用下的力学特性；
所述力学响应模组由式(2)所表征：
Figure BDA0002547643750000022
式中：σ和ε分别为应力和应变，E为杨氏模量，t和ξ分别为时间和缩减时间，φ为损伤密度；
所述力学特性包括沥青面层所表现的线黏弹性特性，以及基层和地基层所表现的线弹性特性；
步骤4：将各结构层材料视为热胀冷缩的均匀导热介质，构建热传导模组，从而表征沥青路面的热力学特性；
所述热传导模组由式(3)所表征：
Figure BDA0002547643750000023
式中：ρs和Cp分别为材料密度和比热容，k为导热系数，
Figure BDA0002547643750000024
为路面内部温度的一阶时间导数，▽T为温度梯度，
Figure BDA0002547643750000025
为热源；
步骤5：构建沥青面层的损伤演化模组，从而表征沥青面层在车辆荷载和热应力作用下的损伤特性；
所述损伤演化模组由式(4)所表征：
Figure BDA0002547643750000031
式中：
Figure BDA0002547643750000032
为沥青面层的损伤密度速率；θ为沥青面层的温度敏感参数；T和TR分别为温度和参考温度；Γ为沥青面层的损伤黏度参数，κ和μ为沥青面层的损伤演化参数，等效应变
Figure BDA0002547643750000033
步骤6：针对计算结果进行后处理分析
所述计算结果包括由力学响应模组确定的沥青路面的应力、应变数据，由热传导模组确定的路面内部温度数据，以及由损伤演化模组确定的沥青面层的损伤密度速率数据；
所述后处理分析包括对路面结构进行力学分析和损伤分析，从而深入理解沥青路面损伤的形成机理、分布位置和演化趋势。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明耦合考虑了沥青路面的力学场、温度场和损伤场，实现了沥青路面的疲劳损伤数值模拟和预测，从而准确表征疲劳损伤对沥青路面使用性能的影响，对延长路面使用寿命和提高道路服务质量具有良好的指导意义；
2、本发明将沥青路面疲劳损伤识别为路表剪切损伤、层底拉伸损伤和低温拉伸损伤，借此预测沥青路面在重复车辆荷载和温度应力作用下的水损伤分布位置和演化趋势，对减缓沥青路面的损伤裂缝病害具有良好的指导意义；
3、本发明考虑了温度对沥青路面力学性能和损伤演化的影响，以及上述三种疲劳损伤共同发展演化时的影响作用，从而表征真实环境中的路面疲劳损伤演化，为分析路面损伤的影响机理奠定了坚实的基础；
4、本发明提供的沥青路面疲劳损伤数值预测方法具有简单、高效的特点，具有良好的工程实际应用效果，同时还丰富了有限元数值模拟方法在路面工程行业的应用。
附图说明
图1为本发明基于有限元的沥青路面疲劳损伤预测方法流程图；
图2为本发明实施例中的沥青路面结构示意图；
图3为本发明实施例中的实测路表温度数据图；
图4为本发明实施例中的沥青路面疲劳损伤分布图；
图5为本发明实施例中的沥青路面疲劳损伤演化图。
具体实施方式
参阅图1，本发明实施例以柔性基层沥青路面为模拟对象，在有限元数值模拟软件中按如下步骤，逐步实现本发明所提出的基于有限元的沥青路面疲劳损伤预测方法：
步骤1：以实际沥青路面为依据，选择路面的构造类型和几何尺寸，定义车辆荷载和路表温度函数；
本实施例中的路面构造类型为柔性基层沥青路面，其构造和几何尺寸分别如图2和表1所示，其中各结构层由上至下为：面层1，基层2和地基层3；
表1沥青路面几何尺寸(m)
Figure BDA0002547643750000041
基于实际加载频率和作用时长，将车辆荷载简化为准静态荷载，相应的半正矢波形函数由式(5)所表征：
Figure BDA0002547643750000042
式中：F(t)为t时刻的加载值，P为轮胎胎压，t0和tc分别为加载时间和加载周期，N为自然数(如0、1、2、3……)；
如图3所示，路表温度函数是通过对实际路段的实测温度数据随时间的变化曲线进行拟合获得，由式(1)所表征：
Figure BDA0002547643750000043
其中：Tsur为路表温度；A和T0为温度拟合系数，分别代表温度幅值和初始温度；d为天数；
步骤2：指定沥青路面的力学参数、热参数和损伤参数；
沥青路面的结构层包括沥青面层、基层和地基层；力学参数包括各结构层的杨氏模量、泊松比和密度，以及结构层中沥青面层的黏弹性参数；热力学参数包括各结构层的导热系数和比热容；损伤参数包括沥青面层的损伤黏度参数、损伤演化参数和温度敏感参数。表2列出了本实施例所涉及的材料参数值。
表2沥青路面材料的力学、热力学和损伤参数
Figure BDA0002547643750000044
Figure BDA0002547643750000051
步骤3：构建力学响应模组，从而表征沥青路面各结构层在车辆荷载作用下的力学特性；
力学响应模组由式(2)所表征：
Figure BDA0002547643750000052
式中：σ和ε分别为应力和应变，E为杨氏模量，t和ξ分别为时间和缩减时间，φ为损伤密度；
力学特性是指，沥青面层表现为线黏弹性特性，以及基层和地基层表现为线弹性特性。
步骤4：将各结构层材料视为热胀冷缩的均匀导热介质，构建热传导模组，从而表征沥青路面的热力学特性；
热传导模组由式(3)所表征：
Figure BDA0002547643750000053
式中：ρs和Cp分别为材料密度和比热容，k为导热系数，
Figure BDA0002547643750000054
为路面内部温度的一阶时间导数，▽T为温度梯度，
Figure BDA0002547643750000055
为热源。
步骤5：构建沥青面层的损伤演化模组，从而表征沥青面层在车辆荷载和热应力作用下的损伤特性；
损伤演化模组由式(4)所表征：
Figure BDA0002547643750000061
式中：
Figure BDA0002547643750000062
为沥青面层的损伤密度速率；θ为沥青面层的温度敏感参数；T和TR分别为温度和参考温度；Γ为沥青面层的损伤黏度参数，κ和μ为沥青面层的损伤演化参数，等效应变
Figure BDA0002547643750000063
步骤6：针对计算结果进行后处理分析。
计算结果包括由力学响应模组确定的沥青路面的应力、应变数据，由热传导模组确定的路面内部温度数据，以及由损伤演化模组确定的沥青面层的损伤密度速率数据；
后处理分析包括对路面结构进行力学分析和损伤分析。
通过计算和后处理分析，可获得如图4所示的沥青路面疲劳损伤分布图，以及如图5所示的沥青路面疲劳损伤演化图。
图4展示了本实施例中车辆荷载和温度应力作用下的沥青面层疲劳损伤分布云图。显然，沥青面层底部和轮胎外侧路表处存在显著的路面损伤，最大损伤密度约为53％。这种路面损伤并非单纯的拉伸损伤或剪切损伤，而是路表剪切损伤、层底拉伸损伤和低温拉伸损伤共同发展的结果。与此同时，温度应力还使得其余面层区域存在一定大小的低温拉伸损伤密度(约为27％)。也就是说，车辆荷载仅能在较小范围内产生局部损伤，而低温拉伸热应力则产生了覆盖整个面层的整体损伤。
图5展示了本实施例中面层底部和轮胎外侧路表处的疲劳损伤演化趋势。对于面层底部而言，在低温拉伸应力和拉伸车载应力作用下，损伤往往仅在低温条件下得以发展累积。与之不同的是，低温拉伸应力产生的温度损伤和高温剪切变形产生的剪切损伤，使得轮胎外侧路表处的疲劳损伤在高温和低温环境中均得到显著的发展。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出：凡在不脱离本发明原理的前提下，所作的等同替换、改进、润饰等，都视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于有限元的沥青路面疲劳损伤预测方法，其特征在于，所述预测方法是在有限元数值模拟软件中按如下步骤进行：
步骤1：以实际沥青路面为依据，选择路面的构造类型和几何尺寸，定义车辆荷载和路表温度函数；
所述选择路面的构造类型和几何尺寸是指：按照待预测沥青路面的实际基层类型，将所述路面的构造类型选择为柔性基层沥青路面、刚性基层沥青路面或半刚性基层沥青路面；按照待预测的沥青路面的实际尺寸，定义路面的几何尺寸，从而构建出沥青路面的有限元数值模型；
所述车辆荷载可根据需要选择为准静态车辆荷载或移动车辆荷载；
所述路表温度函数是通过对实际路段的实测温度数据随时间的变化曲线进行拟合获得，由式(1)所表征：
Figure FDA0002547643740000011
其中：Tsur为路表温度；A和T0为温度拟合系数，分别代表温度幅值和初始温度；d为天数；
步骤2：指定沥青路面的力学参数、热力学参数和损伤参数；
所述沥青路面的结构层包括沥青面层、基层和地基层；
所述力学参数包括各结构层的杨氏模量、泊松比和密度，以及结构层中沥青面层的黏弹性参数；
所述热力学参数包括各结构层的导热系数和比热容；
所述损伤参数包括沥青面层的损伤黏度参数、损伤演化参数和温度敏感参数；
步骤3：构建力学响应模组，从而表征沥青路面各结构层在车辆荷载作用下的力学特性；
所述力学响应模组由式(2)所表征：
Figure FDA0002547643740000012
式中：σ和ε分别为应力和应变，E为杨氏模量，t和ξ分别为时间和缩减时间，φ为损伤密度；
所述力学特性包括沥青面层所表现的线黏弹性特性，以及基层和地基层所表现的线弹性特性；
步骤4：将各结构层材料视为热胀冷缩的均匀导热介质，构建热传导模组，从而表征沥青路面的热力学特性；
所述热传导模组由式(3)所表征：
Figure FDA0002547643740000021
式中：ρs和Cp分别为材料密度和比热容，k为导热系数，
Figure FDA0002547643740000022
为路面内部温度的一阶时间导数，
Figure FDA0002547643740000023
为温度梯度，
Figure FDA0002547643740000024
为热源；
步骤5：构建沥青面层的损伤演化模组，从而表征沥青面层在车辆荷载和热应力作用下的损伤特性；
所述损伤演化模组由式(4)所表征：
Figure FDA0002547643740000025
式中：
Figure FDA0002547643740000026
为沥青面层的损伤密度速率；θ为沥青面层的温度敏感参数；T和TR分别为温度和参考温度；Γ为沥青面层的损伤黏度参数，κ和μ为沥青面层的损伤演化参数，等效应变
Figure FDA0002547643740000027
步骤6：针对计算结果进行后处理分析；
所述计算结果包括由力学响应模组确定的沥青路面的应力、应变数据，由热传导模组确定的路面内部温度数据，以及由损伤演化模组确定的沥青面层的损伤密度速率数据；
所述后处理分析包括对路面结构进行力学分析和损伤分析。
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