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

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內(nèi)容簡介

　　學科專業(yè)：道路與鐵道工程　　授予學位：博士　　學位授予單位：西南交通大學　　學位年度： 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，為典型的多相復合體材料。從宏觀角度看，瀝青混合料對外荷載的響應呈非線性，為固體與粘彈塑性體的聯(lián)合響應，而且瀝青膠結(jié)體的粘彈塑性對溫度非常敏感，所以該復合材料的性質(zhì)十分復雜。從微觀角度看，瀝青混合料以粗細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％。　　集料顆粒之間會產(chǎn)生嵌擠、摩擦作用。因此集料各組分的物理力學性質(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產(chǎn)生集料粒子，考慮集料下落、滾動等堆積過程和穩(wěn)定性準則等，按相容條件進行集成。SMA粗集料骨架集成的應用實踐表明，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)計算機成像處理能清晰看出混合料級配設(shè)計的實際效果，為可視化級配設(shè)計奠定了基礎(chǔ)?！　♂槍项w粒間摩擦、接觸和嵌擠等復雜的相互作用機制，提出以集料空間分布模型確定單元的劃分，進而采用離散元模擬的數(shù)值計算方法，建立了適用于離散集料微觀模擬的細觀力學離散單元模型，并在vC++平臺上開發(fā)了相應的計算分析程序。經(jīng)以單一粒徑球體以及兩種粒徑球體組成的結(jié)構(gòu)框架情況進行數(shù)值實驗驗證，證實所開發(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)?；趥鹘y(tǒng)窗口法的鄰近元搜索算法難以適應瀝青混合料集料粒徑分布范圍寬、單元位移大的特點，據(jù)此，本文在對窗口合理大小的選取進行了改進的基礎(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算效率，使離散單元法與隨機堆積模擬的耦合計算方法能在SMA粗集料重力場內(nèi)的堆積重構(gòu)得以實際應用?！　”疚臄?shù)值模型的另一特色是針對振動堆積實驗過程中復雜的振動特性，引入膨脹機制模擬物理實驗中的振動作用。振動模擬驅(qū)使顆粒體進一步發(fā)生重排、空隙進一步被充填、結(jié)構(gòu)更為致密。經(jīng)檢驗，該模型能很好地再現(xiàn)振動堆積物理實驗?！　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驗，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?！　≡趯嶒炑芯康幕A(chǔ)上，利用本文的計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)值實驗。從粗集料骨架間隙率VCADRc這一宏觀靜態(tài)指標的分析結(jié)果看，數(shù)值模擬與上述室內(nèi)實驗結(jié)果相吻合。同時，本文還統(tǒng)計分析了目前物理實驗很難測得的微觀結(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，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)分布范圍相當寬，最大值可達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)部應力傳遞形式極為復雜的重要原因，從而在理論上證實：SMA試件其力學性能指標的測試，應考慮骨架結(jié)構(gòu)的不均勻性，采用與集料組成相適應的試件尺寸。　　

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