【博士】三維譜單元及其在路面檢測(cè)中的應(yīng)用和路面材料本構(gòu)模型研究【2006】

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　　學(xué)科專業(yè)：固體力學(xué)　　授予學(xué)位：博士　　學(xué)位授予單位：上海交通大學(xué)　　學(xué)位年度： 2006年　　在現(xiàn)今的道路路面工程中，F(xiàn)WD(Falling Weight Deflectometer)路面動(dòng)力無損檢測(cè)和路面路基材料的試驗(yàn)檢測(cè)是路面檢測(cè)的兩個(gè)重要內(nèi)容。FWD是近年來流行的先進(jìn)的無損檢測(cè)設(shè)備，由于能很好地模擬行車荷載對(duì)路面的作用，因而比起其它靜態(tài)檢測(cè)技術(shù)具有明顯優(yōu)勢(shì)。而試驗(yàn)檢測(cè)可以顯示不同環(huán)境條件下，某材料試件從加載到破壞的全過程，因此以上兩種檢測(cè)在路面工程中相輔相成，相互補(bǔ)充?！　♂槍?duì)FWD無損檢測(cè)設(shè)備，本文開發(fā)了適于反演的三維譜單元?jiǎng)恿δＰ?。此模型利用譜單元原理，提出了三維兩節(jié)點(diǎn)譜單元和三維一節(jié)點(diǎn)譜單元這兩種新的單元，用于計(jì)算三維層狀系統(tǒng)受到?jīng)_擊荷載的動(dòng)力解．一層為一個(gè)單元，其中層單元用于描述層結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)單元用于描述半無限的地基．三維譜單元的勁度矩陣是由三維系統(tǒng)的動(dòng)力精確解推導(dǎo)出來的，單元之間的連接類似有限單元法．動(dòng)力解通過基于頻率上波數(shù)的疊加而得到，有效地避免了無窮積分?jǐn)?shù)值方法帶來的效率不高的問題。從時(shí)域到頻率域的轉(zhuǎn)換，使用的方法是快速傅立葉變換(FI可)．本研究編制了基于三維譜單元的程序，對(duì)沖擊荷載下的層狀系統(tǒng)進(jìn)行分析。通過與三維有限元結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果的比較，驗(yàn)證了整個(gè)系統(tǒng)的正確性；同時(shí)通過計(jì)算時(shí)間的對(duì)比，證明了三維譜單元系統(tǒng)的高效性?！　】輳椥匀S譜單元模型將粘彈性本構(gòu)關(guān)系與三維譜單元模型聯(lián)系在一起。　　為解決這類動(dòng)力問題，選用四參量Burgers粘彈性模型。其微分算子的數(shù)學(xué)表達(dá)直接與譜單元力學(xué)模型相聯(lián)系。將Burgers的微分算子代入運(yùn)動(dòng)微分方程，使得譜單元的計(jì)算摸在頻率域內(nèi)進(jìn)行。依據(jù)文中原理，編制了粘彈性三維譜單元程序。通過彈性材料和粘彈性材料受到相同荷載時(shí)位移反應(yīng)的比較，說明了粘彈性材料的粘滯回復(fù)現(xiàn)象對(duì)位移的影響。　　基于三維譜單元的力學(xué)模型，本文開發(fā)了動(dòng)力全程反分析系統(tǒng)。反分析的輸入是各個(gè)傳感器全程的位移反應(yīng)數(shù)據(jù)，輸出是層系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)物理量。因?yàn)閯?dòng)力方程為非線性的，所以采用無約束非線性優(yōu)化方法——改進(jìn)的Powell方法，優(yōu)化迭代過程在頻率域內(nèi)進(jìn)行。優(yōu)化目標(biāo)是理論和實(shí)測(cè)位移的差值最小。三維粘彈性譜單元的全程反分析系統(tǒng)根據(jù)正分析模型，使用非線性優(yōu)化，直接反演出粘彈性層體的復(fù)彈性模量。相應(yīng)的程序使用FORTRAN語言編寫，通過對(duì)三層或四層剛性、柔性路面體系和粘彈性的層狀體系的反演結(jié)果證明，反算過程穩(wěn)定收斂且效率高?！　”疚耐瑫r(shí)應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)，殲發(fā)了基于三維譜單元系統(tǒng)的動(dòng)力峰值反分析系統(tǒng)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)選用誤差反向傳播算法(BP網(wǎng)絡(luò))。各個(gè)傳感器的峰值位移作為系統(tǒng)輸入，結(jié)構(gòu)參量作為系統(tǒng)輸出，通過訓(xùn)練學(xué)習(xí)建立輸入單元和輸出單元之問的非線性映射．由三維動(dòng)力譜單元法計(jì)算得到的峰值位移作為學(xué)習(xí)樣本．反分析系統(tǒng)可以同時(shí)反演層彈性模量和層厚。典型的三層路面體系反演結(jié)果證明，系統(tǒng)誤差符合工程要求。　　應(yīng)用動(dòng)態(tài)全程反分析系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)峰值反分析系統(tǒng)對(duì)連續(xù)配筋水泥混凝土路面(CRCP)的FWD實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演．并且與靜力反分析的結(jié)果作比較。證明了所開發(fā)的動(dòng)力全程反分析法的精度較高，所開發(fā)的動(dòng)力峰值反分析法實(shí)用且精度滿足工程要求。　　針對(duì)檢測(cè)荷載和車輛荷載下路面材料出現(xiàn)的非線性問題，本文對(duì)路面材料不同應(yīng)變率下的檢測(cè)進(jìn)行了非線性分析．瀝青混凝土材料試驗(yàn)檢測(cè)的數(shù)值分析應(yīng)用I)csai塑性理論中的重要本構(gòu)模型HIsS模型，對(duì)模型參數(shù)與屈服面方程的關(guān)系進(jìn)行了研究．利用單軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)確定HISS模型中的參量，通過調(diào)整參量來模擬本構(gòu)關(guān)系中的軟化段和硬化段。HISS本構(gòu)模型和三維有限元的結(jié)合，開發(fā)了基于Desai模型的三維非線性有限元程序?！　∫霝r青混凝土的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，將應(yīng)變率要素作為變量放入確定模型參量的方程中，建立應(yīng)變率變量與模型參量的關(guān)系。有限元模擬瀝青混凝土的單軸試驗(yàn)從加載到破壞的全過程。計(jì)算與試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)交關(guān)系吻合良好．同時(shí)利用材料已有的HISS模型參量，對(duì)間接拉伸試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值分析。　　

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