层间接触对沥青路面粘弹性动力响应影响研究

为分析沥青面层材料粘弹特性及路面各层间接触条件对沥青路面动力响应的影响,基于解析的方法,开展了层间非完全连续沥青路面粘弹性动力响应的求解工作．采用修正的Burgers模型定义沥青面层材料的粘弹性本构关系,考虑沥青路面层间接触条件,在车辆荷载作用下,建立沥青路面的理论计算模型;通过Laplace-Hankel积分变换将偏微分方程组转化为常微分方程组并对问题进行求解;采用转换矩阵表征层间接触条件,求得层间非完全连续沥青路面粘弹性动力响应的解析表达式．从沥青路面实例计算结果发现：修正的Burgers模型中的瞬时弹性模量参数是对弯沉计算结果影响最大的因素之一,路表弯沉随的增大呈下降趋势,特别是当较小时,这种趋势尤为明显;沥青混合料本构模型中的粘弹性修正系数B和黏性参数是影响路面路表弯沉计算结果的另两个重要因素,并且B和对弯沉峰值出现时间的影响具有相反的趋势;层间的非完全连续条件对沥青路面动态弯沉计算结果影响较大,并以面层与基层间的非完全连续对弯沉计算结果影响最为显著．     

交通荷载下沥青路面车辙三维非线性有限元分析

建立了半刚性沥青路面和柔性沥青路面的三维有限元模型,采用非线性粘弹塑性理论分析了不同交通荷载对沥青路面车辙变形和切应力的影响,并考虑了刹车、路面纵坡对路面车辙的影响。结果表明:在相同荷载作用下,两种路面结构的车辙变形和切应力分布随着路面深度呈非线性分布,但不同路面结构对交通荷载变化的敏感性存在较大的差异;不同的胎压、轮载以及刹车产生的水平力对路面车辙变形有着较大的影响。当胎压为1 050 kPa及轮载为62.5 kN时,路面产生的车辙都大于在标准荷载及标准胎压时路面产生的车辙;在坡度为1%～6%时,路面纵坡对沥青路面车辙深度的影响不明显;在坡道上行车(特别是下行)时刹车是路面车辙过大的主要原因。     

风沙粒子冲击钢结构涂层力学行为的理论与有限元分析

利用接触力学理论和三维有限元分析了钢结构受到风沙粒子冲击后其涂层表面接触区应力、涂层内部应力、涂层与基体界面上应力的分布规律。分析结果表明:涂层表面径向应力在接触中心出现最大压应力,在接触区边缘出现最大拉应力,且在接触区边缘易发生环状撕裂破坏;在涂层内部,涂层对Z向应力的承受力较好;涂层内部剪应力的最大值出现在碰撞接触点的左下方和右下方,这两个位置易受到剪切破坏,在接触点和剪应力最大值之间的剪应力变化速度较大;涂层与基体界面上r/h为0~0.4时,Z向应力变化较小;在r/h为0.4~1时,Z向应力剧烈减小;r/h1时,Z向应力基本保持不变;涂层与基体界面上剪应力最大值出现在冲击点附近,且冲击点附近剪应力变化较大,易引起剪切撕裂破坏。     

低温荷载下沥青路面非线性疲劳损伤数值模拟

为了研究沥青路面结构在温度荷载作用下的疲劳损伤特性,运用通用有限元软件ABAQUS及其二次开发平台,建立了考虑路面材料非线性疲劳损伤的沥青路面结构数值计算模型。分析了沥青路面结构损伤、水平拉应力基于温度荷载重复作用,随空间与时间的变化规律,以及沥青路面裂纹形成寿命。结果表明:损伤主要分布在沥青面层;随着温变次数的增加,面层表面的损伤度呈线性增加;面层表面损伤度均随着面层模量与温变幅度的增加而增加;面层表面水平拉应力随着温度变化次数的增加,以线性特征逐步减小;面层表面水平拉应力随着面层模量与温变幅度的增加均是先增大后减小,有一个峰值点;沥青路面面层的温度型裂纹疲劳形成寿命与面层模量有关,模量越大,裂纹形成疲劳寿命越短,因此从温度疲劳寿命的角度来说,面层不宜选择模量过大的沥青混合料。     

沥青路面弹塑性动力响应分析

采用弹塑性理论,建立了沥青路面弹塑性动力响应分析的三维有限元模型,利用有限元法分析了沥青路面的弹性和弹塑性动力响应、以及弹塑性状态下层间接触对沥青路面力学性能的影响．结果表明：在相同条件下,沥青路面为弹塑性状态时得到的弯沉和最大主应变均比弹性状态时大;卸载后,弹塑性状态时存在残余变形,说明沥青路面的弹塑性动力学响应分析得到的结果和路面实际情况较符合;沥青路面在弹塑性状态下,层间完全光滑时其弯沉是完全连续时的6 倍,上面层最大竖向应变是层间连续时的3.7 倍,下面层处最大竖向应变是层间连续时的2.3 倍;卸载后,层间完全光滑时,面层A 点与B 点均存在残余应变;随着层间摩擦系数的增大,路面弯沉值减少,说明在弹塑性状态下,层间接触状态对沥青路面的动力响应有较大影响．     

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基于结构动力学基本理论,系统地分析了路面材料阻尼系数的求解方法,以 及材料阻尼效应对路表动态弯沉的影响规律. 结果表明：利用第1,第2主振型的固有频率 计算阻尼系数的方法,能克服传统简化计算阻尼系数而带来的结果偏差;黏性阻尼系数几乎 对路表弯沉时程变化没有影响;土基阻尼效应是影响路表动态弯沉时程变化的关键因素,而 其它层材料的阻尼特征影响甚微. 研究结果为进行路面结构动力学分析时,材料阻尼参数的 计算以及合理取值提供了理论与实践依据.     

高温花岗岩遇水快速冷却后力学性质实验研究

通过对高温加热–遇水快速冷却后的花岗岩试样进行单轴和三轴实验,研究了800℃内高温花岗岩遇水快速冷却后的力学性质随温度和围压的变化规律。实验结果表明:(1) 400℃为高温加热–遇水快速冷却对花岗岩力学性质影响的阈值;(2)同一温度条件下,峰值偏应力、峰值应变随围压的增大而增大;弹性模量随围压的增大先增大后减小;(3)单轴实验中,温度低于400℃时,岩样表现为复合破坏,随着温度的升高破坏形式转变为拉破坏;三轴实验中,岩样整体上表现为剪切破坏。     

基于Hertz 理论圆柱和平面之间的滑动接触分析

当圆柱与平面之间产生摩擦滑动接触时,基于Hertz理论,推导了平面内应力分量的计算公式,分析了应力的分布,描述了应力分布的特点.在接触表面上,存在最大拉应力和最大压应力;最大拉应力出现在拖动边的边缘,而最大压应力发生在导向边的区域.因此,如果接触平面因拉或压应力引起失效,首先会出现在接触表面;第一型裂纹的产生及扩展首先会发生在拖动边的边缘.剪应力,主剪应力及Von-M ises等效应力(当摩擦系数较小时)的最大值均会出现在接触体内,存在于导向边.因此,塑性滑移开始首先会发生在接触体内,然后,才扩展到接触表面.这些结论为工程应用研究提供了依据.     

EXPERIMENTAL STUDY OF MECHANICAL PROPERTIES OF WATER-COOLED GRANITE UNDER HIGH TEMPERATURE1)

通过对高温加热-遇水快速冷却后的花岗岩试样进行单轴和三轴实验,研究了800°C内高温花岗岩遇水快速冷却后的力学性质随温度和围压的变化规律。实验结果表明：(1)400°C为高温加热-遇水快速冷却对花岗岩力学性质影响的阈值;(2)同一温度条件下,峰值偏应力、峰值应变随围压的增大而增大;弹性模量随围压的增大先增大后减小;(3)单轴实验中,温度低于400°C时,岩样表现为复合破坏,随着温度的升高破坏形式转变为拉破坏;三轴实验中,岩样整体上表现为剪切破坏。     

黄土中压力型锚索锚固段应力分析

为研究黄土地区压力型锚索锚固机理，根据压力型锚索锚固段受力状态，基于三线型剪切-滑移模型，推导了注浆体与岩土体界面在弹性阶段所对应的剪应力及轴向应力分布的闭合解．根据相关压力型锚索锚固试验数据，采用推导的闭合解计算了不同张拉荷载作用下界面的剪应力分布，并与试验结果进行了对比．结果表明，各级张拉荷载作用下注浆体/岩土体界面剪应力的分布及其最大值与试验结果基本吻合，验证了本文提出解析模型的正确性与可靠性；压力型锚索锚固界面剪应力呈指数分布规律，在承压板附近剪应力分布集中且应力较大，随着离承压板距离的增大，剪应力逐渐减小；压力型锚索锚固界面剪应力峰值随外荷载增大而增大．研究结果可为压力型锚索的设计和计算提供一种理论参考．     

冲击载荷作用下路面结构的沉降及破坏特征

随着公路在导弹的无依托随机发射中扮演更加重要的角色，研究发射期间其在发射筒冲击载荷作用下的沉降及破坏特征对提高我国武器威慑力具有重要意义。选择低等级道路结构为研究对象，基于河南省、山东省、云南省及广东省的低等级道路统计信息，建立典型低等级道路结构的1/4简化计算模型，采用一种基于有限元和离散元耦合的显式数值分析方法CDEM，并引入塑性-局部化-破裂耦合的本构模型，实现冲击载荷作用下路面沉降的三维全时程模拟，显式地展现裂纹萌生和扩展过程，实现路面结构从连续状态到非连续状态的过渡。通过与落锤弯沉仪试验的监测结果对比验证道路简化模型的正确性及CDEM的计算精度，随后各选取一个沥青混凝土和水泥混凝土道路结构进行数值模拟，并从沉降量、破裂度、破坏特征等方面分析。计算结果表明:沉降量时程曲线与冲击载荷时程曲线变化趋势一致，沉降量在冲击载荷峰值点处达到最大值；破裂面主要产生于冲击载荷急剧增大时期，约占最终全部破裂面积的97%；破裂面大体分为路面结构层内的竖向破裂面和层间的水平破裂面，破坏类型包括拉伸破坏与剪切破坏；路面结构上部易产生环状破裂面，下部易产生径向破裂面。     

Effect of irregularity and heterogeneity on the stresses produced due to a normal moving load on a rough monoclinic half-space

The present study aims to study the normal and shear stresses produced in a rough irregular heterogeneous monoclinic half-space due to a normal moving load. Closed form expressions of normal and shear stresses have been obtained. It is observed that both normal stress and shear stress are affected not only by depth, the frictional coefficient on a rough surface, and the maximum depth of irregularity but also by the heterogeneity and types of irregularity in the medium. The comparative study has been made to analyze the effect of different types of irregularity on both the stresses. There is a significant effect of depth, frictional coefficient, heterogeneity, maximum depth of irregularity and irregularity factor on the normal and shear stresses in both heterogeneous monoclinic and heterogeneous isotropic medium. A comparison is made to study the effects of the said parameters on the normal and shear stress produced in both heterogeneous medium. These effects are highlighted and depicted by means of graphs. As a special case of the problem, the stress produced due to normal moving load in an isotropic half-space with and without heterogeneity, irregularity has been discussed.     

用热光弹法研究路面裂缝稳定性问题

半刚性基层沥青路面在修建过程中,由于路表面气温的变化及其他因素的影响很容易产生裂纹,这就出现了在温度梯度作用下,路面开裂后是否稳定的问题.本文探讨用脆性断裂力学研究这些问题,研究结果表明,路面结构产生裂纹后,温变梯度作用是引起裂纹继续扩展的重要因素.     

On the stress concentration around a hole in a half-plane subject to moving contact loads

We study the stress concentration due to a pore in an elastic half-plane, subject to moving contact loading, in the entire range of possible geometrical parameters (contact area/hole diameter, hole depth/hole diameter). Since the number of cases is very large to study with FEM even with modern machines, the use of a recent simple approximate formula due to Greenwood based on the stress field in the absence of the hole is first attempted, and compared with a full FEM analysis in sample cases. To further distillate the effects of the hole distance from the free surface and of the contact area size, the limiting cases are studied of: (i) concentrated load perpendicular to the surface and aligned with the hole centre; (ii) constant unit pressure on the top surface of the half-plane and (iii) hydrostatic load. A full investigation is then conduced for the case of Hertzian load on the surface, and it is seen that the tensile stress concentration is significantly reduced with respect to that of the concentrated load, when the contact area size is of the same order of the hole radius. Results obtained with the approximate Greenwood formula are generally accurate however only if the hole distance from the surface is greater than two times the hole radius.     

基于小波理论的沥青路面稳态响应解析解研究

为了研究移动载荷作用下的沥青路面稳态响应,将沥青路面看作Kelvin粘弹性地基上不仅具有弹性,而且具有粘滞性的无限长梁,建立稳态响应计算的数学模型。利用Fourier变换和小波变换方法,得到了求解沥青路面稳态响应解析解的一种新方法,并进行了实例计算与分析。由于该方法不需要进行复杂的多重积分运算,计算快捷、方便,为研究沥青路面动力响应提供了一种有效算法。     

评估TiN薄膜与基材结合的划痕试验及有限元模拟

通过有限元模型模拟划痕试验得到的结果表明∶切应力的起伏变化?膜/基界面处切应力差值?接触区附近膜层表面张应力?高载下的几种应力集中等,对膜/基体系的失效都有重要的作用.通过模型计算临界载荷下的膜/基界面处切应力差值,可用来评价膜层与基材的结合强度;提出了划痕试验中膜/基体系失效的2种机制.不同性能基材的TiN膜/基体系划痕试验结果,可验证本文有限元模拟的有效性,并表明临界载荷是膜/基结合强度?体系承载能力?内聚结合性能等的综合反映;低载往复摩擦磨损试验的结果进一步证实,用划痕试验的临界载荷评估膜/基结合强度具有局限性.     

移动载荷作用下沥青路面稳态响应与计算

为了研究移动载荷作用下沥青路面稳态响应,将沥青路面看作为作用在Kelvin黏弹性地基 上不仅具有弹性而且具有黏滞性的无限长梁,建立了梁的稳态响应数学模型. 找到了稳态响 应与瞬态响应的关系,由瞬态响应解析解得到了稳态响应近似解析解,并进行了实例计算. 从而解决了稳态数学模型难以求解和计算的问题. 计算结果表明,依所给的道路参数和车辆 载荷,只要响应位置距初始位置一定距离,移动载荷作用下沥青路面的瞬态响应即为稳态 响应.     

弹性地基双层梁理论下的混凝土路面力学分析

为建立混凝土路面结构受力分析计算模型,以Winkler弹性地基梁模型为基础,推导出了弹性地基双层梁理论的表达式;给定边界条件,利用MATLAB软件获得了无限长弹性地基梁在集中力作用下的挠度表达式。将混凝土路面结构简化为弹性地基上的双层梁,当车辆荷载作用于混凝土路面时,在集中载荷的作用下,建立了面层与基层的微分平衡方程。应用广义“初参数”法,得到了双层梁位移和应力的解析解。通过算例,对面层及基层的变形和应力进行了分析,结果表明:增大面层、基层的轴惯性矩和地基的弹性常数,可以有效地减少面层和基层的变形量,降低最大应力数值,但抗弯刚度对基层和面层的弯矩受力影响不大。最后将结果与ANSYS分析结果进行了比较,佐证了解的可靠性,研究结果可为混凝土路面结构设计提供依据。