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沥青混合料细观结构的粘弹性力学及断裂力学数值分析

作　者: 王新飞
导　师: 黄志义
学　校: 浙江大学
专　业: 道路与铁道工程
关键词: 沥青混合料细观结构粘弹性力学断裂力学扩展有限元裂纹
分类号: U414
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 244次
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内容摘要

沥青混合料是由集料、沥青胶浆及空隙组成的复合型材料,不仅组成成分的含量对沥青混合料的力学特性有着影响,并且组成成分的空间分布对其力学特性的影响更加深刻。介入沥青混合料细观结构从而深入了解其各种复杂的力学行为有着积极意义。本文通过数字图像处理技术分析沥青混合料内部细观结构特征,提取粒径大于2.36mm的粗集料颗粒的边界及位置信息,从而分析其细观结构的特征,包括粗集料的几何形态及空间形态特征,以及粗集料的边界及位置信息,从而构建数值分析所需的几何模型。在这几何模型基础之上,通过对沥青胶砂与粗集料分别赋予不同的材料属性,粗集料被定义为弹性材料,沥青胶砂按蠕变实验定义为粘弹性材料,从而研究分析了在劈裂实验中沥青混合料的粘弹性力学响应特性,分析沥青混合料内部结构的Mises应力、蠕变应变、总位移及水平位移的分布规律。另外,本文通过结合扩展有限元数值计算方法及断裂力学的数值模拟,分析了在不同裂纹荷载作用下沥青胶砂中的裂纹扩展规律,以及粗集料对沥青胶砂中裂纹扩展的影响。研究结果揭示了在虚拟劈裂实验中沥青混合料细观结构内部的应力应变分布规律,蠕变应变与粗集料间距之间的关系,裂纹在沥青胶砂中的发展规律,以及粗集料对沥青胶砂中裂纹发展规律的影响。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-6
Abstract  6-7
目录  7-9
一、绪论  9-16
  1.1 研究背景与意义  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-13
  1.3 主要研究内容和方法  13-16
二、数字图像处理与分析技术  16-30
  2.1 概述  16-17
  2.2 数字图像处理与分析体系  17-18
    2.2.1 图像采集  17
    2.2.2 图像处理与分析基础理论  17-18
    2.2.3 实现工具  18
  2.3 数字图像处理与分析的主要步骤  18-24
    2.3.1 图像采集与数字图像的表示  18-20
    2.3.2 图像增强  20-21
    2.3.3 图像分割  21-24
  2.4 图像分析与描述  24-29
    2.4.1 粗集料形态特征  24-27
    2.4.2 粗集料分布特征  27-29
  2.5 本章小结  29-30
三、粘弹性力学理论与数值模拟  30-60
  3.1 粘弹性材料的基本特性  30-32
    3.1.1 力学响应的不可逆性  30-31
    3.1.2 力学响应的记忆性  31
    3.1.3 温度及时间相关性  31
    3.1.4 蠕变与应力松弛特性  31-32
  3.2 粘弹性材料的积分型本构方程  32-36
    3.2.1 松弛函数与蠕变函数  32-34
    3.2.2 本构关系  34-35
    3.2.3 粘弹性材料参数之间的相互关系  35-36
  3.3 粘弹性本构关系的模型理论  36-40
    3.3.1 元件  36-37
    3.3.2 两个基本模型  37-38
    3.3.3 Burgers模型  38-39
    3.3.4 广义Maxwell模型  39-40
  3.4 数值模拟  40-58
    3.4.1 数值计算模型  40-46
    3.4.2 数值计算结果  46-58
  3.5 本章小结  58-60
四、断裂力学基础理论  60-80
  4.1 概述  60-61
  4.2 断裂力学中的基本概念  61-63
    4.2.1 裂纹的开裂模式  61-62
    4.2.2 远场与近场  62
    4.2.3 场条件与近场条件  62-63
    4.2.4 对称与反对称条件  63
    4.2.5 局部解与全场解  63
    4.2.6 准静态定常扩展裂纹与动态定常扩展裂纹  63
  4.3 线弹性断裂力学  63-74
    4.3.1 裂纹尖端奇异场  64-66
    4.3.2 应力强度因子  66-67
    4.3.3 线弹性断裂准则体系  67-74
  4.4 弹塑性断裂力学  74-79
    4.4.1 概述  74
    4.4.2 COD理论  74-76
    4.4.3 J积分理论  76-78
    4.4.4 COD与J积分的关系  78-79
  4.5 本章小结  79-80
五、扩展有限元基本理论与数值模拟  80-114
  5.1 概述  80-81
  5.2 基本思想  81-82
    5.2.1 单位分解法  81-82
  5.3 实施步骤与方程系统的建立  82-89
    5.3.1 位移模式的构造  83-85
    5.3.2 裂纹位置的描述  85-86
    5.3.3 改进结点与改进单元的选取  86-87
    5.3.4 分解单元与积分方案  87-88
    5.3.5 虚功原理与离散方程体系  88-89
  5.4 数值模拟  89-113
    5.4.1 数值计算模型  89-92
    5.4.2 数值计算结果  92-113
  5.5 本章小结  113-114
六、主要结论与展望  114-117
  6.1 本文主要结论  114-116
  6.2 展望  116-117
参考文献  117-121

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