[发明专利]一种基于扩展有限元的路面结构疲劳开裂数值模拟方法

权利要求书

1.一种基于扩展有限元的路面结构疲劳开裂数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，进行室内材料试验，确定道路材料无损伤条件下的力学参数和热学参数，以及材料的疲劳寿命数据；所述力学参数包括弹性模量与泊松比，并对弹性模量和泊松比与温度的关系进行拟合；弹性模量与泊松比之后将被编入子程序UMAT，用于结构瞬态温度场下的力学响应；所述热学参数包括热导率与比热，用于路面结构的温度场模拟；所述疲劳寿命数据需测定控制应变模式不同温度条件下的疲劳寿命；

步骤2，根据损伤力学，利用材料的疲劳寿命数据对疲劳损伤模型进行拟合得到适用对应路面材料的疲劳损伤模型；

步骤3，将步骤2中得到的疲劳损伤模型编入ABAQUS有限元软件用户材料子程序UMAT，在重复荷载作用时，ABAQUS主程序中的应力应变温度数据接入子程序UMAT，在子程序中实现材料的力学性质与热学性质定义，利用所述疲劳损伤模型对单元材料实现疲劳损伤的积累，之后更新节点的应力应变数据返回给主程序；

步骤4，将扩展有限元裂缝XFEM性质赋予整个路面结构，使用ABAQUS提供的用户子程序UDMGINI定义损伤材料的裂缝成核起始准则；

步骤5，预先利用当地路面的气象数据，对路面的不同季节典型温度场进行模拟；

步骤6，重复设置所述温度场，并对路面结构施加适当荷载，利用热力耦合分析，实现瞬态温度场下的路面结构疲劳-开裂全过程模拟，具体包括如下过程：

利用热力耦合分布步设置适当的交通荷载并重复设置季节温度场，模拟多年气温连续变化条件下的路面性能发展；分析中将温度场数据传递给子程序UMAT，完成路面结构在瞬态温度场中的力学响应，随后使结构在瞬态温度场中按照步骤3和步骤4中所定义的疲劳损伤-开裂机制发展。

2.根据权利要求1所述的基于扩展有限元的路面结构疲劳开裂数值模拟方法，其特征在于，所述步骤2中疲劳损伤模型采用下式所示非线性疲劳损伤模型：

上式中：D为疲劳损伤度；N为应力循环次数；a^*，p，q均为疲劳参数。

3.根据权利要求1所述的基于扩展有限元的路面结构疲劳开裂数值模拟方法，其特征在于，所述步骤3中需将ABAQUS主程序中的应力应变温度数据接入子程序UMAT，在子程序中利用步骤2中所得到的疲劳模型对单元材料实现疲劳损伤的积累，随后更新该节点的应力应变数据返回给主程序。

4.根据权利要求1所述的基于扩展有限元的路面结构疲劳开裂数值模拟方法，其特征在于，所述步骤4具体包括如下过程：

子程序UDMGINI定义损伤材料的裂缝成核起始准则采用下式所示模型：

上式中：S为剩余强度；S₀为材料起始强度；D_ms，D_m分别为以强度定义的疲劳损伤临界值以及以劲度定义的疲劳损伤临界值；D为当前材料的疲劳损伤度，ω为材料参数；

利用步骤3中积累的材料的疲劳损伤度，以及主程序传入的应力数据，计算材料的剩余强度S与节点最大主应力σ_max；之后计算损伤准则指标值FINDEX以及开裂方向FNORMAL；所述损伤准则指标值定义为：

若FINDEX满足条件，则激活XFEM开裂机制，之后材料行为由XFEM开裂机制控制。

5.根据权利要求1所述的基于扩展有限元的路面结构疲劳开裂数值模拟方法，其特征在于，所述步骤5具体包括如下过程：利用气象数据，得出当地各季节的平均日照辐射，风速与平均日气温变化数据，之后利用此边界条件，模拟路面结构的季节温度场。