沥青混合料三维仿真设计及虚拟剪切试验研究

使用凸包算法和Bubble Pack算法生成clump块体模拟粗集料颗粒,并基于PFC 5.0 3D平台实现虚拟粗集料颗粒的装配、虚拟砂浆及空隙的生成,完成沥青混合料虚拟试样的构建.最终,基于伺服控制原理进行虚拟三轴剪切试验,并对比分析室内试验及虚拟试验数据.结果表明:基于PFC5.0 3D平台在沥青混合料虚拟试样中采用clump块体直接表征粗集料颗粒,精度可控,表面结构更加拟真;构建的沥青混合料三维离散元数值模型能够有效描述沥青混合料的力学行为.     

沥青混合料三维离散元虚拟单轴蠕变试验

为了从沥青混合料不连续特征的角度研究其永久变形行为,采用离散元方法进行了沥青混合料三维离散元虚拟单轴蠕变试验,生成了包含粗集料、沥青砂浆及空隙的沥青混合料三维离散元虚拟试件,对虚拟试件微观组成成分之间的接触赋予了相应的微观接触模型,并采用基于时温等效原理的方法对粘弹性离散元模型的计算效率进行了优化,最后将三维虚拟试验结果与二维虚拟试验及室内试验结果进行了比较.研究表明:时温等效原理能够大大减少粘弹性离散元模型的计算时间;三维虚拟试验结果与室内试验结果相差无几,二维虚拟试验结果大于三维虚拟试验及室内试验结果,且随着荷载的增大差异也随之增大.     

基于三维离散元法的沥青混合料断裂过程模拟

为了从材料细观结构角度研究沥青混凝土的断裂机理,运用离散元程序PFC3D内的"Fish"语言,采用多球相互重叠的方法描述粗集料颗粒的空间不规则形状,结合集料颗粒的随机投放算法和离散元的空隙处理方法,建立了沥青混凝土小梁试件的三维离散元模型;通过室内沥青砂浆单轴压缩试验和劈裂试验,并结合宏观性能与微观力学参数的转化关系,获得了用于离散元模拟的各类微观参数;采用三维离散元程序PFC3D,进行了-10℃和15℃条件下小梁中点弯曲断裂试验的离散元模拟,获得了弯曲断裂曲线;采用与混合料三维离散元结构相同沥青用量、空隙率和级配在室内成型了沥青混合料的小梁试件,并获得了室内实测断裂曲线.研究结果表明:所建立的离散元模型可以充分考虑集料颗粒的不规则形状、集料级配特征和空隙大小;三维离散元方法可以较好地模拟沥青混合料弯曲断裂过程中裂纹起始和扩展的现象,模拟结果与室内实测结果基本相当;三维离散元模拟可以作为研究沥青混合料断裂特征的辅助手段.     

基于离散元的蓄盐沥青混合料低温劈裂试验分析

为了对比探究蓄盐沥青混合料低温劈裂下的细观特性,在室内劈裂试验的基础上,基于离散元随机生成算法,按照室内试验相应的级配比例和试验参数,分别构建了蓄盐沥青混合料和普通沥青混合料数学模型,并进行了数值模拟试验。通过改变粗集料形态、摩擦因数以及试件空隙率时,在细观层面对其劈裂强度、裂纹类型及数量等方面进行了对比分析。实验表明：普通沥青混合料的劈裂强度明显高于蓄盐沥青混合料,且裂纹数目相对较少;当粗集料形态在中值时,可以获得较大的劈裂强度值,此时,其摩擦因数对混合料的劈裂强度影响不大,而且,随着空隙率的减小,劈裂强度还会有所提高。宏观和细观试验研究认为：添加蓄盐材料后对混合料的低温抗裂性能会有一定劣化影响;沥青混合料的空隙率与劈裂强度为负相关,而集料的摩擦因数对劈裂强度没有显著影响。当沥青混合料中集料的形态和空隙率适当时,可以获得较好的低温性能。研究成果对于融雪路面的推广和应用具有实际意义。     

基于颗粒流离散元的粘性土三轴剪切试验数值模拟

为了研究粘性土体的工程力学性质,本文通过对粘性试样进行室内三轴固结排水试验,得到了试样土体的应力—应变关系曲线以及强度指标,基于颗粒流离散元法的原理,利用PFC3D软件建立三轴试样模型,并设定颗粒间的接触为接触黏结模型,通过颗粒流数值试验对细观参数进行标定,从细观角度对粘性土的工程力学特性做了一定的研究。对比了不同围压下数值试验与室内试验的应力应变关系曲线,得到了较好的模拟效果。分析细观参数的变化对粘性土的应力—应变关系曲线的影响,得出边界条件、孔隙率、粘结强度、摩擦系数、接触刚度等细观参数的取值对粘性土的宏观力学性质有着显著的影响并对影响规律做了探讨,为今后的三轴试验颗粒流数值模拟提供了有价值的参考。     

内聚力模型在泡沫沥青混合料离散元模拟中的应用

为研究内聚力本构模型对泡沫沥青冷拌混合料的适用性,基于内聚力本构模型,结合Matlab软件"凸包法"和三维ODEC算法,建立了泡沫沥青冷拌混合料的三维模型试件.同时,对不同级配的混合料进行模拟劈裂试验,用对比分析和统计分析的方法观察数值模拟与室内试验的结果.研究结果表明:"凸包法"和三维ODEC算法相结合能够模拟泡沫沥青冷拌混合料中的粗集料棱角性,数值模拟的劈裂试验强度-变形曲线发展趋势和实际的劈裂试验规律基本相符.模拟数据与试验数据具有良好的相关性,表明内聚力本构模型的三维离散元模拟能有效应用于泡沫沥青冷拌混合料设计.     

沥青混合料三维离散元模型及其重构技术

为了真实反映沥青混合料的结构特征,构建沥青混合料微观结构模型,解决沥青混合料微观结构分析存在的关键问题,采用多模型体随机产生技术,以球形单元为基本计算单元,多个球形单元粘结在一起形成不同形状的多面体与混合料中粗集料匹配,较小的具有粘性的球形单元（一般小于0.1 mm）模拟沥青玛蹄脂,从而重构沥青混合料微观结构.与传统重构技术相比,该方法无需大量试验及复杂的处理技术,操作简单;不仅能够考虑沥青混合料中粗集料的形状、级配、空间排列及表面纹理等情况,而且能够考虑特殊颗粒（针片状颗粒）体积分数等条件.     

沥青混合料局部三轴压缩试验方法

为了优化常规三轴压缩试验与单轴贯入试验,介绍了局部三轴压缩试验原理、试验设计方法及过程等.基于与沥青路面实际受力情况相似的原则,通过ANASYS有限元论证了该方法的可行性.认为公称最大粒径及试件提供的围压是影响压头直径的主要影响因素,实际路面层厚与试件径高比是确定试件高度的主要因素,并设计了压头和试件的直径与高度.对AC13,SMA13和PA13三种级配沥青混合料进行局部三轴压缩试验,结果发现,该试验与常规三轴压缩试验的结果规律性一致.该试验具有应力状态明确,符合实际路面围压情况,所得参数的规律性、稳定性和准确性较好,且试验方法简单的优点.     

基于离散元方法的沥青混合料矢量场细观分析

为了从细观角度描述沥青混合料中集料和砂浆的矢量场随加载时间的变化,以简单性能试验(SPT)测定沥青混合料的动态模量和相位角,采用数字图像处理和Matlab提取沥青混合料截面图像的像素坐标,利用离散元方法重构沥青混合料数字试件,在验证数字试件合理性的基础上,通过追踪集料和砂浆的位移场和速度场,分析了不同加载时间集料和砂浆矢量场的差异。研究结果表明:沥青混合料动态模量的预测值与实测值仅相差4.76%,相位角的预测值与实测值的差异为8.57%;集料和砂浆的位移场方向主要沿竖向向下,由上至下位移减小,整体集料与典型集料、整体砂浆与典型砂浆的最大位移相差较小,最大差异分别为5.20%和2.45%,砂浆的位移稍大于集料;随着加载时间的增大,整体集料和砂浆、典型集料和砂浆的最大速度均逐渐增大,砂浆的速度基本大于集料。     

沥青混合料单轴压缩试验的离散元仿真

沥青混合料是一种具有非连续性特征的道路材料,而当前的道路设计理论却将其处理成连续均质体系,这使得材料的细观力学性质得不到应有的考虑。为突破常规数值方法基于连续性的理想假设,进行了某级配的沥青混合料单轴压缩试验的离散元模拟,并将模拟试验与室内试验进行了比较。结果表明,离散单元数值方法能够通过改变计算模型中颗粒单元的性质给出与实际试验相符的本构行为。此外,还针对离散元仿真试件的细观力学特征对沥青混合料本构行为的影响进行了初步的参数研究,并揭示了一些规律,这对于离散元方法今后在道路材料和结构工程中的实际应用提供了有益的指导。     

沥青混合料抗剪强度的影响因素

为了研究沥青混合料抗剪强度的影响因素,基于单轴贯入试验,在温度为60℃时,直接对集料级配、集料性质、沥青性质、含油量、空隙率以及均匀对沥青混合料抗剪强度的影响进行研究.研究结果表明:集料级配和公称最大集料粒径对沥青混合料抗剪强度有显著的影响;沥青混合料抗剪强度受其集料中针片状含量的影响较大,集料中针片状含量增大,沥青混合料抗剪强度减小;结合料的性质,特别是针入度、软化点和粘度对沥青混合料抗剪强度有较大的影响,随着针入度减小,软化点和粘度增大,沥青混合料抗剪强度增大;含油量对沥青混合料抗剪强度有较大影响,随着油石比的增大,沥青混合料抗剪强度减小;沥青混合料抗剪强度受其空隙率的影响较大,一般随着空隙率的增大,其抗剪强度减小;沥青混合料均匀性与沥青混合料抗剪强度绝对数值间没有明显的关联,而与数值间的变异性有着很好的相关性.     

沥青混合料水损害试验方法探究

详细研究了国内外沥青混凝土水损害试验的不同方法和原理，提出各试验方法所反映出的水损害的主要影响因素及各试验方法存在的问题，为路面工程建设提供了有效的、能避免或减少沥青路面水损害的分析．     

基于CT技术和有限元方法的沥青混合料虚拟劈裂试验研究

为弄清劈裂荷载条件下,沥青混合料试件内部的应力分布状态,基于X-ray CT技术、数字图像处理技术和有限元方法建立二维非均质数值模型,分析通过试件中心的垂直方向与水平方向路径条件下不同位置截面的内部应力分布情况,并与均质模型内部应力进行比较.结果表明,与均质模型不同,不同位置截面的非均质模型内部应力峰值没有出现在模型中心处,而是分布在试件中部呈现多峰值状态且较好地反应各个组分的力学行为;在分析路径上,不同位置截面的非均质模型应力分布趋势相同,但应力峰值出现的位置以及应力最大值均存在差异,说明试验截面的选取对二维虚拟试验结果影响较大.     

贝雷法参数CA比对沥青混合料性能的影响

通过贝雷法选择5种不同CA比的沥青混合料级配，对其进行马歇尔试验、粗集料松装空隙率试验、车辙试验和旋转压实试验，分析了CA比对沥青混合料各项性能的影响。结果表明：CA比对沥青混舍料的空隙率、矿料间隙率、粗集料骨架的形成、抗车辙性能和压实性能具有显著影响；CA比在0．4～0．6之间的沥青混合料具有较好的稳定性；CA比同沥青混合料中整个集料骨架的形成之间并无较好的规律性关系。     

单剪试验的细观模拟研究

采用离散单元法的颗粒流理论,模拟了松砂和密砂的单剪固结排水试验,研究了单剪试验中砂土细观力学行为和细观组构的演化规律。本文采用PFC2D实现了单剪试验的模拟,记录了实验中颗粒的分布图,接触力分布图,位移图等,同时也测得应力-应变关系,以及配位数等,并用origin软件将其绘制成图表。分析了砂土变形过程中细观组构的变化,并对比分析了松砂、密砂在剪切过程中变形机制的区别。最后阐述了剪切过程中应力主轴的旋转问题。     

采用离散元方法评价集料的骨架结构

为了从细观结构角度深入研究骨架型沥青混合料集料的受力特征,在离散元程序PFC3D内,采用多球相互重叠的方法描述粗集料颗粒的三维不规则形状,并建立了考虑级配特征的集料混合物生成方法.按照集料粒径由大到小的顺序,在PFC3D中对各档集料进行了虚拟的逐级填充,并定量分析了各粒径集料对逐级填充后混合物中集料间隙率、集料之间的接触点数量、接触力等参数的影响.结果表明:集料混合物中,较粗集料受到的接触力大于较细集料;在较粗集料的混合物中,加入大于2.36 mm的较细集料有助于增加集料混合物的接触点数量,降低较粗集料所承担的接触力;粒径4.75～9.50 mm集料对接触点数量的增加最为显著;4.75 mm是骨架型沥青混合料的关键粒径.     

基于离散单元法的发射装药挤压破碎动力学仿真

为了探寻发射装药低温下挤压破碎机理,研究发射装药挤压破碎对发射安全性的影响,本文利用离散单元法模拟了发射装药动态挤压破碎过程.将发射药粒离散成弹簧-球单元系统,建立了发射药床挤压破碎动力学模型,仿真了发射药床在动态冲击载荷下的挤压破碎动力学过程.采用统计的方法定量地获得了破碎后发射药床的表面积,其结果与试验较为接近,验证了本文理论与模型的正确性.研究结果为进一步研究发射装药低温下挤压破碎对发射安全性的影响奠定了基础.     

沥青混合料有限元断裂分析的网格特性

文章建立沥青混合料小梁的数值试件,以应力强度因子KⅠ值及J积分值为控制指标,分析小梁的尺寸效应并给出合理的网格密度;通过断裂力学的分析方法,在不同尺寸的数值试件中分别选择一系列的网格划分方式,对相应的控制指标进行曲线拟合。结果表明:在不同尺寸的数值试件中,控制指标计算值与试件网格密度的大小均成正相关变化,但逐渐趋于稳定;小梁数值试件存在合理的网格密度,但对不同尺寸的试件该值存在差异。通过Matlab GUI对计算结果建立交互界面,能直接给出不同尺寸试件的合理网格密度。