【博士】SMA粗集料骨架結(jié)構(gòu)的細(xì)觀力學(xué)模型研究【2007】

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內(nèi)容簡介

　　學(xué)科專業(yè)：道路與鐵道工程　　授予學(xué)位：博士　　學(xué)位授予單位：西南交通大學(xué)　　學(xué)位年度： 2007年　　瀝青混合料由離散剛體和連續(xù)粘性膠結(jié)介質(zhì)組成，為典型的多相復(fù)合體材料。從宏觀角度看，瀝青混合料對外荷載的響應(yīng)呈非線性，為固體與粘彈塑性體的聯(lián)合響應(yīng)，而且瀝青膠結(jié)體的粘彈塑性對溫度非常敏感，所以該復(fù)合材料的性質(zhì)十分復(fù)雜。從微觀角度看，瀝青混合料以粗細(xì)集料顆粒作為剛性固體、瀝青材料為膠結(jié)體，并且集料體積約占瀝青混合料總體積的90％?！　〖项w粒之間會(huì)產(chǎn)生嵌擠、摩擦作用。因此集料各組分的物理力學(xué)性質(zhì)、幾何形態(tài)、它們之間的相互作用及混合料各體積組成必然對瀝青混合料的力學(xué)性質(zhì)有很大影響?！　r青混合料內(nèi)部的粗集料結(jié)構(gòu)既不是完全的有序也不是完全的隨機(jī)排列。鑒于此，本文提出了基于蒙特卡羅法的集料空間分布模型，即由蒙特卡羅法隨機(jī)產(chǎn)生集料粒子，考慮集料下落、滾動(dòng)等堆積過程和穩(wěn)定性準(zhǔn)則等，按相容條件進(jìn)行集成。SMA粗集料骨架集成的應(yīng)用實(shí)踐表明，該模型能根據(jù)給定的級配曲線和邊界條件很好地集成混合料內(nèi)部集料的空間分布形態(tài)，經(jīng)計(jì)算機(jī)成像處理能清晰看出混合料級配設(shè)計(jì)的實(shí)際效果，為可視化級配設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)?！　♂槍项w粒間摩擦、接觸和嵌擠等復(fù)雜的相互作用機(jī)制，提出以集料空間分布模型確定單元的劃分，進(jìn)而采用離散元模擬的數(shù)值計(jì)算方法，建立了適用于離散集料微觀模擬的細(xì)觀力學(xué)離散單元模型，并在vC++平臺(tái)上開發(fā)了相應(yīng)的計(jì)算分析程序。經(jīng)以單一粒徑球體以及兩種粒徑球體組成的結(jié)構(gòu)框架情況進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證實(shí)所開發(fā)的程序能很好地模擬集料顆粒體在重力場內(nèi)的堆積重構(gòu)。基于傳統(tǒng)窗口法的鄰近元搜索算法難以適應(yīng)瀝青混合料集料粒徑分布范圍寬、單元位移大的特點(diǎn)，據(jù)此，本文在對窗口合理大小的選取進(jìn)行了改進(jìn)的基礎(chǔ)上，提出適宜的鄰近元二次搜索算法。該接觸搜索算法極大地提高了計(jì)算效率，使離散單元法與隨機(jī)堆積模擬的耦合計(jì)算方法能在SMA粗集料重力場內(nèi)的堆積重構(gòu)得以實(shí)際應(yīng)用?！　”疚臄?shù)值模型的另一特色是針對振動(dòng)堆積實(shí)驗(yàn)過程中復(fù)雜的振動(dòng)特性，引入膨脹機(jī)制模擬物理實(shí)驗(yàn)中的振動(dòng)作用。振動(dòng)模擬驅(qū)使顆粒體進(jìn)一步發(fā)生重排、空隙進(jìn)一步被充填、結(jié)構(gòu)更為致密。經(jīng)檢驗(yàn)，該模型能很好地再現(xiàn)振動(dòng)堆積物理實(shí)驗(yàn)?！　樯钊胙芯縎MA粗集料骨架結(jié)構(gòu)，開展了單一分組粒徑和SMAl6上限、中值及下限三種級配的粗集料干插搗堆積密度和空隙率實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：單一分組粒徑集料骨架間隙率VCAoRc相差不大；SMAl6三種典型級配的粗集料骨架間隙率vcADRc也比較接近；由于多組集料之間的相互充填，三種級配粗集料骨架間隙率較單一分組粒徑集料的骨架間隙率小?！　≡趯?shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，利用本文的計(jì)算分析程序從微觀層面開展單一分組粒徑和SMAl6三種級配的粗集料骨架結(jié)構(gòu)的數(shù)值實(shí)驗(yàn)。從粗集料骨架間隙率VCADRc這一宏觀靜態(tài)指標(biāo)的分析結(jié)果看，數(shù)值模擬與上述室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。同時(shí)，本文還統(tǒng)計(jì)分析了目前物理實(shí)驗(yàn)很難測得的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)——配位數(shù)，發(fā)現(xiàn)：(1)各分組粗集料骨架結(jié)構(gòu)內(nèi)部集料的配位數(shù)分布相差不大，由于單一分組粒徑集料之間相互充填，與等粒徑粗集料骨架結(jié)構(gòu)相比，配位數(shù)分布向增大方向移動(dòng)，其平均配位數(shù)相對較大；(2)相對于單一分組粒徑集料骨架結(jié)構(gòu)而言，SMA粗集料骨架內(nèi)部集料的配位數(shù)分布范圍相當(dāng)寬，最大值可達(dá)23； (3)SMA混合料骨架內(nèi)部集料配位數(shù)等于3的比例較高，說明由于大粒徑集料顆粒的屏蔽，混合料內(nèi)部較多的小集料顆粒僅起填充作用，不直接支撐其他集料顆粒，這也是SMA內(nèi)部應(yīng)力傳遞形式極為復(fù)雜的重要原因，從而在理論上證實(shí)：SMA試件其力學(xué)性能指標(biāo)的測試，應(yīng)考慮骨架結(jié)構(gòu)的不均勻性，采用與集料組成相適應(yīng)的試件尺寸?！　?

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