[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

说明书

本发明公开了一种基于扩展有限元的路面结构疲劳开裂数值模拟方法，包括：实验确定力学参数、热学参数、材料的疲劳寿命数据；拟合得到适用对应路面材料的疲劳损伤模型；利用疲劳模型对单元材料实现疲劳损伤的积累；定义损伤材料的裂缝成核起始准则；模拟温度场；模拟路面结构的疲劳开裂过程。本发明考虑了疲劳与开裂的相互耦合相互影响，且模拟中采用瞬态温度场，较准确地模拟了温度对于路面疲劳开裂问题的影响；实现了在近似实际路面状况下道路材料的疲劳‑开裂全过程模拟，更加有效地将室内试验的数据用于道路疲劳寿命的预测，为道路的设计与养护工作提供依据与指导。

技术领域

本发明属于道路工程数据处理技术领域，涉及路面数据模拟方法，更为具体的说，是涉及一种基于扩展有限元的路面结构疲劳开裂数值模拟方法。

背景技术

沥青路面的疲劳开裂行为是一个复杂的综合性问题，由于实际路面的大尺度特性，沥青路面的疲劳特性很难利用室内试验取得。而目前规范以及研究中常采用的室内试验推广到实际路面的近似方法具有很大的人为性，难以得到准确的道路疲劳开裂寿命。且纯试验的方法费时费力，大型试验路与足尺度的试验更是如此。

目前，关于道路疲劳寿命的数值模拟，在荷载方式，本构关系，裂缝发展等方面都已经有较多的研究。但路面的疲劳，开裂并不是相互独立的过程，单独的研究路面结构的疲劳行为或者开裂行为都难以准确预测路面性能劣化过程。且沥青混合料做为一种温度敏感材料，温度的变化将显著的影响沥青路面的疲劳寿命。因此，研究沥青路面在连续变温条件下的疲劳-开裂的全过程对于准确预测路面疲劳寿命极其重要。

发明内容

为了弥补实验法以及现有路面疲劳数值模拟方法的不足，本发明提出了一种基于扩展有限元的路面结构疲劳开裂数值模拟方法，利用当地气象数据，建立路面结构瞬态温度场，并基于扩展有限元方法，实现了路面结构在重复荷载作用下的疲劳-开裂全过程模拟。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于扩展有限元的路面结构疲劳开裂数值模拟方法，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；

步骤2，根据损伤力学，利用疲劳损伤模型对材料的疲劳寿命数据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，利用所述疲劳模型对单元材料实现疲劳损伤的积累，之后更新该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。

进一步的，所述步骤1中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；所述热学参数包括热导率与比热；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。

进一步的，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。

进一步的，所述步骤3中还需将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。