基于黏弹性理论的沥青罩面层力学响应研究

 根据黏弹性理论构建沥青罩面层三维黏弹性有限元模型,运用大型有限元软件ABAQUS进行动态荷载试验,研究了沥青罩面层的力学响应。结果表明,沥青罩面层由于其本身的黏弹性,在动态载荷作用下会产生与弹性材料不同且更为复杂的应力响应,应力状态随加载和卸载而不断变化,加载时其表面为压应力,底层为拉应力,卸载时则相反,其表面为拉应力,底层为压应力;循环载荷下沥青罩面层受压应力和拉应力的交替重复作用,其表面和层底会产生残余应力,随温度的升高,其松弛模量增强,黏弹性减弱,残余应力逐渐减小。相对于把沥青罩面层作为弹性材料的方法,基于黏弹性的分析方法能够更准确地描述沥青罩面层的力学行为特征。     

钢桥面沥青混合料铺装体系黏弹性力学响应分析

常用为钢桥面铺装层的沥青混合料是一种典型的黏弹性材料,任何一个时刻的力学响应不仅和该时刻的加载条件有关,而且和结构所经历的加载历史有关。运用沥青混合料黏弹性分析的基本方法,对三种常用钢桥面铺装材料在不同温度下的应力应变及挠度变化规律进行分析,并进行了加卸载条件下铺装层的黏弹性响应分析,为进一步了解和掌握钢桥面铺装层开裂、车辙、疲劳等破坏问题的机理提供相应的依据。     

分数黏弹性可压缩油气井管杆准静态响应分析

将水平油气井管杆简化为受弹性约束的黏弹性圆柱管模型,采用分数阶黏弹性理论描述管杆的本构关系,并结合弹性力学理论,建立了可压缩黏弹性管杆平衡方程,求解得到了可压缩管杆体的黏弹性应力位移解析解.数值算例的分析结果表明:分数阶导数数值越大,所对应的管杆内壁处的初始应力越大,圆柱管内壁处的径向和环向应力值越大,所对应的竖向应力的上升段越大,管杆的竖向应力稳定值越大;外围套管泊松比越大,径向位移值越小,所对应的径向应力值越小,泊松比的大小对环向应力的影响并不明显,会对径向应力产生显著影响;套管的弹性模量对径向位移的影响较小;模型常数比越大,所对应的径向和环向应力值越大;外围套管的厚度对柱管内壁处的环向应力的影响很小,厚度越大,内壁所受的径向应力越大,竖向应力值会减小.     

岩石泊松比的应力依赖性

为了揭示泊松比的影响因素及现行测试方法存在的问题，阐述了岩石变形的阶段性和泊松比的主要影响因素，指出了岩石泊松比存在应力依赖性。通过单轴压缩试验、不同应力路径的加卸载试验，研究了标准岩石试样的泊松比在无侧限受压变形过程中的变化规律。试验发现，泊松比与应力水平密切相关，割线泊松比、切线泊松比和平均泊松比均随应力水平的提升而单调增大，卸载阶段的泊松比较加载阶段更为稳定，受应力水平的影响小。基于试验结果讨论了泊松比测试与取值方法，指出现行的基于单轴加载的测试方法的结果缺乏稳定性，与泊松比弹性常数的定义不符，如何获取岩石材料真实的弹性泊松效应值得进一步研究。     

谱元法在多层粘弹性路基中位移计算的研究

研究以落锤式弯沉仪对路基的无损检测为工程背景,以线弹性得到的谱元法理论为基础,对路基的粘弹性层结构模型进行分析,得到了适用于粘弹性层的计算方法即式(24)和式(25)。此法主要是在经过快速傅立叶变换后的频域中进行,将得到的频域中的响应再次逆变换为时域中的响应,由此可避免遇到时域中难以解决的无穷积分的计算问题。研究进一步运用伯格斯模型,分别以泊松比随时间变化和泊松比不随时间变化为例,利用自编语言代码计算出粘弹性层受瞬态力作用下的响应,结果发现两种情况下都发生了符合动力学分析的位移响应滞后现象。     

轴向变速运动黏弹性梁稳态响应：近似分析及其数值验证

用近似解析方法分析轴向变速黏弹性梁横向非线性参数振动并进行数值验证．基于轴向速度有周期涨落的有限小变形细长梁的非线性模型,用多尺度法建立了亚谐波共振时的可解性条件,进而导出稳态周期响应的幅值及其存在条件．稳定稳态周期解的幅值随轴向速度涨落幅值的增大而增大,随黏弹性系数或非线性系数的增大而减小;使稳态周期响应存在的解谐参数下限随轴向速度涨落幅值的增大而减小,随黏弹性系数的增大而增大．采用有限差分法数值求解描述梁横向运动的非线性偏微分方程和非线性偏微分——积分方程．计算结果定性验证了近似解析方法预测的相关参数对稳定稳态周期响应幅值和存在条件的影响,定量比较表明解析结果有较高的精度．     

基于光纤光栅传感技术的沥青路面永久变形计算方法

为推广光纤光栅技术在道路工程中的应用,解决沥青路面结构内部应变和温度信息的监测及分析难题,提出基于足尺寸道路监测信息的永久变形计算方法.采用修正的Burgers黏弹性模型,建立了由多类型光纤Bragg光栅传感器组合的道路监测系统,获取了各埋设层内的最大压应变、温度以及车辆的动态加载时间等参数.实例计算表明,利用光纤光栅传感技术进行沥青路面永久变形计算是完全可行的.     

环氧沥青道面高温足尺加速加载动力响应

利用MLS66加速加载试验系统对某军用机场试验段2种典型的环氧沥青道面进行足尺加速加载试验.考虑到高温环境影响,将道面加热至60℃,研究2种道面的环氧沥青面层以及沥青混凝土下卧层的动力响应特性.环氧沥青面层响应在加载初期均为拉压交替变化,而加载后期半刚性基层道面以拉应变为主,复合道面以压应变为主;沥青混凝土层均以压应变为主.通过响应结果分析可知,在高温条件下受沥青黏弹性和流变性影响,道面的力学行为和状态随加载次数的增加发生变化;不同力学响应导致环氧沥青道面结构高温条件破坏机理不同,因而设计控制指标亦不同,复合道面控制压应变,半刚性基层道面控制拉应变.     

分子动力学方法模拟Be高温和高压的状态方程和力学性质

利用分子动力学方法,采用修正镶嵌原子势函数,在两组势参数下模拟Be单晶的等温、等压状态方程.通过径向分布函数,均方根位移随时间的变化分析Be的结构信息.比较两组参数的模拟结果,第一组势参数作用下体系原子间作用较小,较易压缩.两组势参数300K等温压率比较,第二组势参数的模拟结果与实验符合的更好.对于弹性常数,第二组势参数不能考虑温度和压强的影响.用第一组势参数计算Be单晶的弹性常数,根据弹性常数随压强的变化判断材料的低温相变,相变压强为320GPa,与第一性原理计算符合较好;弹性常数随温度增加而减小,与实验结果相符.总体而言,第一组势函数能更全面的反映Be单晶的结构特点.     

基于分子动力学模拟的天然橡胶黏弹性材料力学行为

以天然橡胶为例,采用分子动力学模拟方法,研究了单轴拉伸条件下材料分子链聚合度参数p、环境温度T和加载率R对黏弹性材料力学性能的影响.结果 表明,材料应力随分子链聚合度和加载率的增加而增加,随温度的升高而降低,低温高频下材料呈现出塑性特点.在R=108 s-1,T=250 K的条件下,p=20,40时,材料应力峰值分别为79.8和99.8 MPa;当p=40,R=1010 s-1时,T=100,250 K条件下,应力幅值分别为134.9和103.9 MPa;在p=40,T=250 K情况下,R=109,1010 s-1时,应力峰值分别为122.7和134.9MPa.在加载过程中,非键结势能对系统总势能的变化起主导作用,分子动力学模拟方法可以较好地分析分子链聚合度、环境温度和加载率等参数对黏弹性材料应力、系统能量和自由体积变化的影响.     

二硼化钪硬度及高压下弹性性质的第一性原理研究

用密度泛函理论的局域密度近似和广义梯度近似下赝势平面波,得到了二硼化钪的电子结构、硬度及高压下弹性性质.从电子结构上看,二硼化钪的化学键是具有共价、离子及金属键性质的混合键.得到的弹性常数（Cij）、体弹模量（B）和剪切模量（G）与其它结果进行了比较;并得出德拜温度、线性压缩率及泊松比;用布居数计算得到硬度.     

暴雨温度骤降下沥青路面有限元分析

基于热弹性层状理论,采用ANSYS建立沥青路面三维有限元模型,对暴雨温度骤降情况下沥青路面温度作用和荷载作用进行耦合分析,研究该环境影响下沥青路面力学响应规律的变化,并将结果与高温作用下沥青路面响应规律比较.结果表明沥青路面结构在受到暴雨作用温度骤降情况下,沥青路面竖向变形值、竖向压应力变小;沥青路面路表由压应力变为拉应力,并使沥青层层底拉应力减小;暴雨骤降使沥青路面最大剪应力增大.     

ETFE膜材泊松比对膜结构变形的影响分析

研究了ETFE膜材波松比对经纬向张力比处于1-0.5之间的三种膜结构变形的影响。首先根据正交异性弹性薄膜理论推导出ETFE膜材泊松比计算公式,利用自制双向张拉设备对ETFE膜材泊松比进行了测试。通过数值模拟对比分析了泊松比与弹性常数对经纬向张力比处于1-0.5之间膜结构充气变形的影响。分析表明经纬向张力比为1膜结构波松比的变化对结构变形影响较小,而弹性模量变化对结构变形影响明显。对于经纬向张力比处于1-0.5之间的充气管与飞艇外形的膜结构波松比变化对变形的影响大于弹性模量。针对张力比不同膜结构的泊松比合理取值给出建议。提出的膜材泊松比取值方法对膜结构工程设计有参考价值。     

沥青混合料在重复荷载作用下的黏弹性变形

为了研究沥青混合料在不同温度、不同应力下黏弹性变形响应,提出了基于三轴重复荷载试验评价沥青混合料抗车辙能力的方法,并对沥青路面车辙发展规律进行了分析。采用半正弦波荷载来模拟路面实际车辆荷载,基于黏弹性五单元八参数模型,推导了能够适用于三轴重复荷载试验的力学模型。结合三轴重复荷载试验的试验结果,利用Origin 8.5软件,对三轴重复荷载试验数据进行拟合,得到了相应的黏弹性参数。对比计算流动数和实测流动数,分析沥青混合料黏弹性变形特性。研究结果表明,温度越高、应力越大,混合料黏弹性变形越大,流变性越小;重复荷载作用下沥青混合料永久变形黏弹性力学模型参数拟合相关系数达到95%以上,表明该模型可以有效地反映沥青混合料黏弹性变形特性。     

冻融循环条件下沥青混合料强度衰减的评价方法

对沥青混合料在不同冻融循环条件下的破坏机理及其强度衰减评价方法进行研究.通过比较不同温度、不同频率及不同冻融循环条件下沥青混合料动态模量及其损伤变量的变化规律,探讨沥青路面冻融破坏机理,并确定冻融循环条件下其强度衰减的评价方法及指标.研究结果表明:当温度在5～15℃之间时,沥青混合料的动态模量迅速变化,温度继续升高之后趋于稳定;比较直接冻融、饱水加载后冻融和加载冻融同时作用3种不同冻融循环试验方法,以加载冻融同时作用的条件最为苛刻;确定在25℃和10 Hz下,进行900 N边加载边冻融试验作为沥青混合料强度衰减评价方法,损伤变量达到10%时作为沥青混合料的损伤破坏评价指标.     

解析解下沥青路面动力响应分析及应用

根据沥青路面不仅具有弹性而且具有黏滞性的特点,将沥青路面简化为支撑在黏弹性地基上的黏弹性梁.建立了移动载荷作用下粱的动力学模型并求得了其解析解.通过对解析解进行数值计算,研究了车辆速度、轴载和面层黏性阻尼等主要参数对路面动力响应的影响.结果表明,沥青路面动力响应随着车辆速度的减小而增大,与轴载成线性比例增加关系,并随着面层黏性阻尼的增大而减小.     

沥青混合料相位角预估模型

为了给沥青路面材料设计提供科学依据,针对沥青混合料黏弹性特性,依托简单性能试验(SPT)结果,分析加载频率与温度耦合作用下相位角的变化特征,基于这一规律,提取不同温度T下相位角随加载频率的变化曲线,以拐点温度区为阈值,将整个试验过程划分为T≤25℃、25℃T30℃、T≥30℃这3个温度段,引入温度、频率、材料级配等参数。首先采用控制变量法对各个因子与相位角的相关性进行分析论证,确定各参变量的引进形式;然后采用Levenberg-Marquadt方法结合通用全局优化算法对试验数据进行综合处理,提出包含温度、频率、油石比、空隙率和级配特性等因素的相位角预估模型。研究结果表明:每种混合料都存在一个拐点温度,拐点温度附近,无论频率如何变化,相位角基本恒定;温度低于拐点温度时,相位角随加载频率的增加而降低,温度高于拐点温度时,相位角随加载频率的增加而增加;中、高温条件下改性剂的作用越来越明显,导致T≤25℃时的预估精度明显高于T≥30℃时的预估精度,因此对高温状态相位角的预估要分别考虑基质沥青和改性沥青2种情况,但在引入油石比、空隙率对预估模型进行修正后,避免了高温状态需针对沥青类型分别预估的问题,提高了预估精度,且模型相关系数较高。     

长大纵坡沥青路面车辆动载响应黏弹性分析

为研究车辆载荷作用下长大上坡沥青路面的动力响应规律,以东风EQ1108G6D13车辆作为代表车型,通过上坡车辆载荷计算模型以及研究路面的黏弹性本构关系在有限元分析中的实现,建立路面的三维瞬态黏弹性有限元模型,并进行非线性求解,分析坡度、载荷大小和环境温度变化时的动力响应规律,并根据仿真分析结果,进行动力响应现场实测试验.结果表明:随着坡度的增加,动力响应增加的幅度很小;动力响应随载荷和温度的增加有明显的增加,增加幅度较大,尤其在高温时增加幅度很大;对于所研究的路面结构,纵向剪应变最大值出现在路表下方5 cm附近,横向剪应变最大值出现在路表下方5~17 cm处.因此,中面层最易遭到剪切破坏,应提高其抗剪切能力.仿真数据与试验实测数据误差基本在20%以内,表明该模型能较好的模拟爬坡车辆作用下沥青路面的动力响应.     

短轴向剪切加载模式下超大型黏弹阻尼墙力学性能试验

为了提高黏弹性阻尼装置温度相关性的准确度、最大阻尼力和力学性能,首先开展了黏弹性材料的温度扫描试验,然后设计了一种新式阻尼装置试验方法,即短轴向剪切加载模式方法,采用该试验方法对新型"5+4"式超大型黏弹性阻尼墙构件进行了力学性能试验.试验给出了黏弹性材料的tanδ-T,G'-T,G″-T曲线、黏弹性阻尼墙构件力-位移滞回曲线以及力学性能参数(最大阻尼力、损耗因子、等效阻尼系数、存储刚度、损耗刚度、剪切损耗模量、剪切储能模量等)的频率相关性和位移幅值相关性等.结果表明:黏弹性阻尼墙损耗因子峰值(0.77)与由黏弹性材料温度扫描试验得出的损耗因子峰值(0.79)只有微小差别,说明所设计的"5+4"黏弹性阻尼墙构件在短轴向剪切加载模式下可以很好发挥黏弹性阻尼材料的阻尼性能.     

基于FWD荷载下的沥青路面实测动力响应分析

沥青路面基于高度条件和重载作用,其受力状态以及静载模式下的受力条件都会产生极大差异.通过试验分析基于动载激励条件下沥青路面的动态响应规律,在此基础上分析沥青路面的损害机理.为研究动态荷载作用下沥青路面的实测动力响应,基于实际工程,构筑了3种典型的沥青路面,采用FWD(落锤式弯沉仪)分析沥青路面的动态弯沉盆特性,通过动态应变传感器,得到基于动态荷载下的层底弯拉应变响应.结果表明:沥青路面结构的动态响应随FWD荷载的变化表现出非线性特性,3种沥青路面结构的面层底具有较低的应变状态,且几乎不对路面累计疲劳造成损伤,相对于横向应变,具有较大的纵向应变能力.