比较两种典型的专业项目机械分析沥青路面结构的层间粘结

文摘

的机械分析沥青路面的层间粘结问题是由弹性层状体系理论和有限元方法(FEM);然后,很多专业项目基于上述理论出现的先后,BISAR3.0和EverStressFE相当代表。为了进一步阐明BISAR3.0的特点和EverStressFE为研究沥青路面层间结合的问题,本文将从具体的实现进行一个全面的比较观点,如层间结合的原则、建模、计算处理、结果处理,将一个具体的例子来比较和分析它们的功能。结果表明,这两个项目有一定的可比性分析沥青路面的层间粘结问题,这将有助于合理选择的基础沥青路面结构的力学分析程序。

1。介绍

沥青路面结构的一个主要路面形式,已被广泛用于其优势的平坦,无缝,施工周期短,方便维护,而沥青路面的祸患,如滑移、发情,反射裂缝,尤其严重。取心SH 114后2007年,路面在德克萨斯州,Walubita和厨房帮手发现沥青表面经常显示层间界面分离,滑移等现象。除此之外,国家公路交通安全管理局曾经进行了一项调查的44个主要公路,其中13道路被发情的损坏,这是关于调查总数的29.5%1- - - - - -3]。

困苦的沥青路面不仅取决于每一层的力学参数,但也明显受到层间结合条件的影响。Lepert等人表示,严重损害引起的路面层间结合条件的恶化占5%的高速公路网络当时在法国4]。Kruntcheva等人研究了沥青路面结构的使用寿命与不同层间结合条件BISAR3.0和有限元程序,并得出结论,使用寿命降低80%以上是由于层间结合条件差(5]。目前的设计方法是基于连续弹性层状体系理论在大多数国家,它假定相邻层的结构是连续的,但假设通常是没有达到实际工程由于以下因素:(1)形成的沥青路面结构不是一次而是铺和压实每一层从下到上,导致层间剥离;(2)之间的界面层很容易被自然或人为因素在施工过程中污染;(3)由于在相邻层的建筑材料性质差异显著,成为薄弱环节之间的界面层。总之,真正的层之间的层间结合条件与假设不一致的层路面结构是完全连续的设计,导致不合理的结构设计,然后祸患发生。

显然,这对设计非常重要,建设和维护的路面层间结合条件的影响研究沥青路面结构。传统的研究主要集中在基于实验方法进行层间粘结问题。Uzan和Crispino研究沥青层之间的界面的力学性能在实验室的标本和空心现场6,7]。多诺万et al ., Canestrari et al .,和Raposeiras等人研究了温度的影响,剂量和类型的粘结层的层间粘结沥青路面(8- - - - - -10]。Romanoschi et al ., Kruntcheva et al .,和小肉片等人研究了界面处理的影响,材料类型,和其他因素对路面结构的层间粘结通过实验室实验,发现材料类型是影响层间性能的主要因素11- - - - - -13]。Jaskula和变化进行了现场和实验室测试,分析材料的粘结层三个部分,并总结了层间结合质量差的原因(14]。显然,上述研究主要依赖于特定大小的标本,不能完全反映路面结构的力学响应和设计指数路操作期间由于其体积小,不真实的边界条件。

随着计算机技术的发展,一些程序开发计算沥青路面力学行为的数值模拟,可以准确地占沥青路面的结构问题。与此同时,它可以有效地应对设计指标和力学性能。因此,基于弹性层状体系理论,有限元方法(FEM),连续的有限层法(15),沥青路面专业项目先后出现,包括KENLAYER [16],BISAR [17),圆(18],EVERSTREES [19],EverStressFE [20.],MICHPAVE [21),和3 d-move分析(22),其中不同力学模型采用模拟层间结合条件,例如古德曼模型(23),剪切弹簧模型(24),和库仑摩擦模型(25]。和上面的专业项目沥青路面力学分析的强劲性能和克服复杂性和针对性不足的大型通用程序,如有限元分析、ANSYS,艾迪娜[26- - - - - -28]。BISAR3.0,由沥青企业集团基于弹性层状体系理论,和EverStressFE,由威廉·g·戴维斯从缅因大学基于有限元法(FEM),是最典型的机械分析沥青路面在专业项目。这两个项目已经被广泛应用于领域方面的沥青路面层间结合的问题。然而,仍有差距的基本原理和计算机建模。因此,研究上述两个项目之间的差异是非常重要的建立一个基础沥青路面结构的成功应用和发展专业项目。

在此基础上,本文选择了两种典型的专业项目,BISAR3.0 EverStressFE,可以更好地解决沥青路面结构层间粘结问题。上述程序进行的平行比较方面的原理和算法,并给出一个例子来讨论层间结合条件的影响沥青路面结构的力学响应,包括路面表面偏转,弯拉应变,和最大竖向压应变的路基,它提供了有价值的参考分析程序的合理选择。

2。比较BISAR3.0 EverStressFE

BISAR3.0和EverStressFE是基于弹性层状体系理论和有限元方法(FEM),分别。弹性层状体系理论方法研究了位移和应力负荷下系统的弹性,弹性力学的一个分支。在这个理论中,通过建立未知和已知量之间的关系(平衡条件、几何条件和物理力的条件),可以得到一组方程。在推导的过程中,如果各种因素被认为是准确的,由此产生的方程将极其复杂,甚至无法得到解决。因此,在分析的过程中应力、应变、挠度,路面力学和其他流程通过使用弹性分层系统,介绍的基本假设通常为了方便解决方案(29日]。有限元法(FEM)是一种有效的数值模拟方法。它的基本思想是将连续的整体划分为许多元素仅在节点和连接以节点位移为基本未知量的结构。在此基础上,有限元法(FEM)分析过程包括离散单元特性分析、整体分析,和其他步骤,根据基本力学定理(虚功原理和变分原理),平衡关系,连续条件,和其他结构的力学响应分析在给定边界条件下(15,30.]。因此,两种沥青路面分析程序将直接决定项目的差异在层间结合的治疗问题,建模,解决方案的过程,和结果后处理,这是基于不同的研究和开发原则(如图1)。

2.1。层间结合的原则

古德曼模型、剪切弹簧模型和库仑模型的三种常用的模型层间结合条件的评估。古德曼模型广泛应用于路面结构的分析。BISAR3.0和EverStressFE项目都是基于古德曼模型模拟的层间界面。这个模型显示在图的表达2。结合直接剪切试验,试样的平均层间抗剪强度在一定条件下可以获得,所表达的是层间附着系数K。当层间的相对水平位移 ,层间附着系数K和层间剪切应力τ表示如下:

它有一个清晰的物理意义与系数来描述层间结合条件K。当K⟶0,层间往往完全结合。当K⟶∞,层间往往是全面下滑。当0 <K<∞,层间完全之间的状态下滑,充分结合。

BISAR3.0程序使一个细微的变化在模拟层间结合,结合古德曼力学模型的基础。上下水平结构层之间的界面被认为是无限薄夹层。层间表达的强度标准剪切弹簧合规AK,和层间结合状态的价值由AK表示,这是倒数的层间粘结系数K古德曼模型。身体上,假设层间界面上的剪应力作用引起的相对水平位移之间的上部和下部结构层,这是成正比的压力作用于层间界面。标准的剪切弹簧合规AK定义如下:

在BISAR程序中,标准的引入剪切弹簧合规AK党不是一个著名的“古典”摩擦系数,这显示了路面结构的界面结合状态。人们普遍知道的值在动态和静态条件下摩擦系数是不同的。如果使用摩擦系数,BISAR需要解决不连续的问题(即。阶跃函数)。然而,BISAR模型是连续的数学假设所有的参数,它从未解决不连续的问题,所以介绍了标准剪切弹簧合规AK在这种情况下(17]。

标准之间的关系剪切弹簧合规AK和摩擦参数α表示如下:

在这里,α是无量纲摩擦参数(α是在0和1之间,当α= 0意味着完整的摩擦,当α= 1意味着完整滑),正义与发展党是标准的剪切弹簧合规(m³/ N),一个加载圆的半径,E是上面的层界面的弹性模量,然后呢是这一层的泊松比。应该注意的是,这里的摩擦参数是不同的摩擦系数K提到的古德曼模型,它不仅受材料特性的影响,还取决于加载圆的直径。

标准剪切弹簧的合规AK,很难给它一个准确的理论分析的价值,因此有必要引入灵敏度分析的另一个系数。在这种情况下,BISAR程序定义了另一个参数来描述层间结合条件,即减少剪切弹簧合规alaska airlines (m),碱性和摩擦参数之间的关系α、剪切弹簧合规AK表示如下:

每个变量的具体含义的符号在上面的方程是一样的。

BISAR模型中,当体内碱性增加从0到100一个(一个是承载面积的半径),它代表了变化过程充分结合全面下滑。指出,每一层的BISAR程序可以设置为完全结合,部分下滑,或完全下滑。如果是部分下滑或全面下滑,需要通过设置特定值反映剪切弹簧合规AK或减少剪切弹簧的遵从性筛选。

EverStressFE也是基于古德曼模型。保持路面的刚度方程的对称系统,和特殊的界面元素将定义路面结构的层间结合条件,使层间的解决方案和分析过程路面结构的力学响应更简洁。

有两种类型的元素类型EverStressFE有限元模型,即标准元素与20节点和接口与16个节点元素(31日]。所有元素类型的中间节点在任何方面是严格的中心,和边缘的元素总是第一个接触和转移压力。为了保持匹配程度不同的元素类型和普遍性,配有所有元素等于参数四边形接触表面,和8个积分的高斯积分点用于数值计算。结构层间的剪应力由专门治疗转移16-node界面元素。为了模拟零厚度剪切应力转移尽可能的厚度EverStressFE界面元素设置为1毫米。库仑摩擦模型,不同元素的本构关系是独立于一般压力保持路面的刚度方程的对称系统,这是非常重要的实现条件共轭梯度法在EverStressFE距离。只是指出,界面元素是用于完全粘结或部分层间结合条件。层间完全滑动时,两个接口分离和剪切应力不能被转移,导致界面元素是不合适的。

为了描述层间界面粘结条件和剪切应力的转移,16个节点与特殊待遇设置在层间界面,在界面刚度(N /毫米³)介绍了参数化的不同焊接条件下路面结构的层间界面。界面刚度的意义是可以表示为剪切应力的比值τ(N /毫米²)的顶部和底部界面元素的相对剪切位移δ在x或y如以下所示方向之间的节点方程:

如方程所示(5),界面刚度越大,层间结合条件越好,也就是说,接近完全粘结状态。相反,糟糕的层间结合状态,越倾向于下滑状态。趋向于0和∞时,层间粘结在两种极端状态的全面下滑,充分结合,分别。什么时候是一个中间值,层间粘结部分结合状态。

与BISAR相似,有必要定义值来确定接口是否完全结合,全面下滑,或部分结合,虽然EverStressFE设置层间结合条件。没有必要时界面刚度值输入层间完全结合。当层间完全滑动或部分成键,输入0或输入大于0的值是根据实际的情况。并指出EverStressFE可以定义最多两个接口的焊接条件。如果路面系统层结构,subbase-subgrade接口被定义为默认完全结合。

2.2。加载

BISAR程序可以同时考虑垂直力和水平力。tire-pavement接触表面必须是圆形的形状,和车轮负荷可以达到的最大数量10来模拟multiaxle和多轮群体。半径的大小、分布、接触应力的循环分布式轮载荷,只有两个因素是独立的。它可以输入三个模式:轮载荷和加载圆半径、接触应力和轮载荷和接触应力和加载圆半径,而特定区域(即位置。轮间距,轴间距)是由整体坐标设定在圆圈的中心。这个程序不能直接指定轮轴配置。如果是单轴双轮组或平衡悬架轴双轮集团,车轮间距和轴间距大小需要意识到轮装载的数量,相对的平面位置,等。EverStressFE程序更方便设置轮轴组合,可以直接设置轮数,轴型、轮间距,轴间距,单轮载荷大小、接触应力和其他参数。程序也可以设置tire-pavement接触表面的形状和大小,如圆形分布,均匀分布,和用户定义的(考虑到的矩形分布面积减少)并设置轮加载特定格式的数据文件(后缀是节点)通过单击保存自定义加载按钮。轮载荷EverStressFE项目的最大特点是嵌入的胎面设计,可以轻松地设置数量的胎面花纹,每胎面花纹的宽度、分布力的峰值在每个胎面花纹,沿着轮胎长度方向和分布形式(常数,抛物线形状或半正弦波形状,等等)。用户甚至可以编辑和生成轮数据文件后缀节点在一定的格式,然后导入程序计算。

2.3。结构层和计算点

BISAR,最多10层结构层可以考虑,其中最后一层从上到下被视为半无限空间体,无需输入厚度。其他结构层的厚度可以分别指定。每个结构层被认为是一个线性弹性体,需要输入弹性模量和泊松比。EverStressFE程序可以考虑四层的结构和视每一层为一个线性弹性体与设置厚度、弹性模量和泊松比。为了避免边界条件的影响,路基的厚度取决于验算。BISAR可以指定多达10个计算点,可由输入三维(3 d)整体坐标系统的坐标。的点是位于层间界面,程序的用户还需要确定上层底部还是较低的。EverStressFE不需要指定计算点在预处理阶段。上部和下部之间的界面层,该程序可以选择后处理的结果。

2.4。模型的解决方案

BISAR模型建立之后,它被保存的数据计算和点击F5按钮或Result-Calculate菜单。在EverStressFE,建模和保存数据后,解决方案将被显示在屏幕上选择过程解决当前的模型菜单,点击解决按钮。特别是,通过选择使用批处理列表菜单,程序可以解决多个模型在批处理和秩序,这有利于大规模的并行操作。

2.5。结果输出

BISAR将显示计算结果的形式块的报告,详细的报告,块表,详细的表。在块表,它输出三个正常的压力和紧张,每个计算点在一个页面,并表示为XX/YY/ZZ根据固定的笛卡儿坐标系统下的方向,和三个单轴位移表示为用户体验/UY/是乌斯。的详细的报告给出了计算结果的更详细的信息页面上的每个计算点。当块表和详细的表,可以粘贴到剪贴板数据表示。

EverStressFE显示为标准的计算结果通过深度2 d图,等高线图,和变形网格,由Dplot Jr。标准的2 d图通过深度需要指定平面的坐标点和程序给三个正常菌株的分布,三个切向压力,和三个位移组件应垂直向下对应点的深度。等高线图给九机械响应分布X- - - - - -Y节中,Y- - - - - -Z节,X- - - - - -Z部分。给出了变形网格根据一定的位移比。程序也给一些特殊的机械反应点对称轴上,这是很方便的使用性能预测。

2.6。其他方面

为了减少计算时间和节省存储空间,EverStressFE只考虑1/4对称结构,load-pavement接触模型也是1/4对称。例如,单轴双轮的循环加载和平衡悬架轴双轮图所示3。模型的水平方向和深度方向范围需要由某些实验计算。在网格生成的方面,局部细化网格或者简单的网格可以选择在水平方向。如果只是简单的网格,元素平均数量的确认飞机的轮胎宽度方向和行驶方向是必要的。如果它是一个局部细化网格,细化区域的位置和区域应确定第一,然后是元素的平均数量X/Y在这一领域方向决定。相等的元素的数量决定根据各结构层的厚度在深度方向上。模型边界,左右对称的模型飞机,和后面,右,和底部的模型由模拟无限区域和有限的区域,从而实现有限元与无限元之间的耦合。

3所示。实例分析和讨论

3.1。问题描述

w·g·戴维斯和j·d·克拉普(20.)提供的一个例子与EverStressFE计算。适度的修改后的基础上文献[20.),一个新的例子EverStressFE和BISAR提供。在这个例子中,有三层的路面结构层。从上到下,沥青表层细粒度的基础层,路基被视为线弹性模型。表1显示了厚度和材料参数。

3.2。建模

BISAR和EverStressFE模型采用圆形垂直荷载单轴双轮集团(单轮载荷50 kN),而轮胎压力P0.70 MPa,等效圆直径的单轮压力传输表面d是21.30厘米,中心轮间距是31.95厘米。BISAR模型,基于关键计算分轮隙中心和单圈负荷中心,利用对称性,它进一步增加的密度计算点到200点的区间0.125 d飞机,和1/4点来计算简化计算步骤。这是如图4(一)-4(c),Ai Bi⋯“透明国际”代表每个结构层的计算点。选择标准的剪切弹簧合规AK模拟层间结合条件。基础表面之间的界面层,完全粘结和完全滑动AK 0和4.92×10⁻⁹,分别。根据结构的对称性和轮载荷形式以及EverStressFE程序的特点,它选择1/4模型,几何尺寸是1 m×1米×1.4米(驾驶方向××路面横截面方向深度方向)。右边和底部的模型无限边界,和背面的模型是无约束自由边界,而左和前模型的两侧是对称的脸。整个模型分为10010个元素和45616个节点。为了提高计算精度,网格的局部区域(0到500毫米之间X设在和Y设在方向)下轮载荷集中分为15元素沿X和Y方向,稀疏网格远离轮载荷,与9沿着这两个元素X和Y方向,如图5。

3.3。结果分析和讨论

BISAR程序的输出结果以文本的形式,和视觉描述使用第三方软件,而EverStressFE程序的输出结果可直接显示在等高线图和2 d图基于Dpolt Jr或形式的文本。为了促进可视化两个项目之间的比较,使用第三方软件进行可视化处理结果输出的文本。交通荷载下路面结构的力学响应,如路面表面挠度值、弯拉应变,和最大竖向压应变的路基相比,充分结合和充分的条件分析了下滑的基础表面之间的界面层。

上面的示例的分析可以得出结论如下:(1)图中可以看到6的条件下,两种层间粘结,路面表面挠度值的空间分布计算的两个程序是相似的,从宏观的角度对称。双轮荷载的地方,都是盆状和下行削弱部分削弱位置重叠,和顶点位于负荷中心的两个等价的圈子。为了进一步观察路面表面偏差值在不同的层间结合条件下的特定值,值(x= 0)中选择特定的路面的横截面分析,如图7。可以看出,路面表面获得的挠度值两个层间结合条件下的两个项目分布在“W”的形式,和两轮间隙的中心对称的。最大值发生在x= 0.1 m任何层间结合条件下,计算的路面表面最大挠度值BISAR和EverStressFE 0.4805毫米和0.44485毫米的条件完全基础表面层之间的粘结。值是0.5445毫米和0.54863毫米的基础表面层之间的全面下滑,分别。结果表明,符合的程度是完美的。(2)在图8,弯拉应变的空间分布相似,分布在两层间结合条件下相对一致。有极端的价值观基础表面夹层接口和base-subgrade层间界面。条件的充分基础表面之间的粘结层,然而,由于存在轻微差异不同建模方法两个项目的层间的接口。(3)根据图的结果9条件的充分结合,最大竖向压应变的路基EverStressFE计算是217.7×10⁻⁶虽然是214.47×10⁻⁶这是由BISAR计算。的最大路基顶部垂直压缩应变计算EverStressFE是260.9×10⁻⁶虽然是262.91×10⁻⁶由BISAR计算,这两个条件的全面下滑的基础表面之间的界面层。结果表明,符合的程度是满意的。

4所示。结论和建议

基于不同的理论基础,BISAR和EverStressFE项目有自己的特征层间结合的原则,建模,解决方案的过程,结果后处理,一个具体的例子进行了分析和比较它们的功能。结论如下:(1)EverStressFE主要应用于柔性路面的力学行为分析在不同轮轴组合和非均匀载荷分布。在程序中,层间结合条件可以建模为完全滑动和部分粘结刚度是通过设置界面,可以可视化和结果输出2 d图和等高线图。程序采用20-node离散元素,左边和前面的模型都是对称的表面。然而,一些参数可以由用户自由设置,包括特定的3 d模型的几何尺寸、边界条件的权利,,和底部,元素的密度网格。建议扩大模型的几何,合理设置边界条件和啮合更高的计算精度。(2)释放BISAR3.0,所有功能的初始程序可以在Windows环境下实现。程序不受用户的主体性,其计算结果本身主要是有限的。程序不仅可以考虑多层路面结构,还可以计算出压力,紧张,挠度和层间剪切应力。程序可以设置特定的值为标准弹簧合规AK或减少弹簧合规筛选描述真正的路面结构的层间结合条件,包括完全结合,全面下滑,部分结合。如果可以可视化结果输出,它将成为一个更优秀的专业机械分析沥青路面。(3)两个项目可以完全模拟沥青路面层间粘结问题的简化和抽象后的实际问题。力学响应的具体的例子表明,总体分布趋势是相同的和特定的值是相似的。在进行力学分析中,毫无疑问,这两个专业的典型程序都是优秀的和可用的计算工具。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。所有的数据都是通过BISAR3.0和EverStressFE基于参数。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由国家重点支持研究和发展计划(批准号2018 yfc0406702)。

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