Modelowanie efektów niesprężystych w nawierzchniach asfaltowych. Opis konstytutywny i symulacje numeryczne

Modelowanie efektów niesprężystych w nawierzchniach asfaltowych. Opis konstytutywny i symulacje numeryczne

rok wydania: 2022, wydanie pierwsze
ISBN: 978-83-8156-219-5
ilość stron: 200
format: B5
oprawa: miękka

Opis

Treść monografii zawarto w ośmiu rozdziałach, a jej zakres obejmuje zagadnienia formułowania relacji konstytutywnych materiałów warstw konstrukcyjnych nawierzchni drogowych oraz prezentację ich wykorzystania w symulacjach numerycznych. W opracowaniu uwzględniono niesprężyste własności mieszanek mineralno-asfaltowych, poprzez zastosowanie modeli konstytutywnych sformułowanych w ramach fenomenologicznej teorii sprężysto-lepkoplastyczności.

Symulacje przeprowadzono z wykorzystaniem modeli zaproponowanych i zaimplementowanych przez autorów w systemie metody elementów skończonych Abaqus. Badano układy wielowarstwowe odwzorowujące podatne rozwiązania konstrukcyjne stosowane w budownictwie drogowym. Kluczowym zagadnieniem był dobór odpowiednich relacji konstytutywnych definiujących odpowiedź konstrukcji poddanej działaniu obciążeń komunikacyjnych i środowiskowych.

Powszechnie stosowany model sprężysty nie pozwala w pełni uwzględnić wpływu temperatury, czasu oraz intensywności obciążenia na zjawiska zachodzące w nawierzchni podatnej.

Przedstawiony w pracy sposób modelowania, uwzględniający oddziaływania dynamiczne, parametry reologiczne oraz ich zmienność wraz z temperaturą, jest bardziej uniwersalny.

Istotnym zagadnieniem podjętym w pracy jest również problematyka doboru parametrów (stałych materiałowych) występujących w relacjach konstytutywnych. Rozwiązanie tego złożonego zagadnienia wymaga wyników badań laboratoryjnych, ale jest też możliwe dzięki umiejętnemu wykorzystaniu danych dostępnych w literaturze. W pracy posłużono się w tym celu autorskim oprogramowaniem, w którym zaimplementowano algorytmy optymalizacyjne dopasowania krzywych reprezentujących charakterystyki teoretyczne modeli konstytutywnych do wyników badań. Poniżej zaprezentowano szczegółowo układ monografii.

Spis treści

1. Wstęp / 7
1.1. Przedmiot rozważań / 7
1.2. Układ i zawartość pracy / 11

2. Modele konstytutywne materiałów warstw asfaltowych / 15
2.1. Wprowadzenie / 15
2.2. Podstawowe elementy reologiczne / 17
2.2.1. Materiał liniowo-sprężysty (Hooke’a) / 17
2.2.2. Materiał lepki (ciecz Newtona) / 19
2.2.3. Model sztywno-idealnie plastyczny / 20
2.2.4. Budowa wieloparametrowych struktur reologicznych / 22
2.3. Liniowa lepkosprężystość / 23
2.3.1. Zasada superpozycji Boltzmana / 24
2.3.2. Idea podstawowych testów doświadczalnych / 26
2.4. Model lepkosprężysty / 33
2.4.1. Uogólniony model Maxwella / 35
2.4.2. Reprezentacja relacji konstytutywnych w postaci równań stanu / 36
2.5. Modele hyposprężysto-lepkoplastyczne / 42
2.5.1. Kinematyka / 42
2.5.2. Relacje konstytutywne / 44
2.6. Propozycja modelu lepkosprężysto-plastycznego / 45
2.6.1. Uogólniony model Maxwella z plastycznością / 45
2.6.2. Uogólniony model Maxwella z pojedynczą gałęzią plastyczną / 47
2.6.3. Uogólniony model Maxwella z plastycznością i wzmocnieniem / 48

3. Implementacja numeryczna modeli konstytutywnych / 53
3.1. Procedura UMAT / 53
3.2. Całkowanie relacji konstytutywnych / 55
3.2.1. Jawny algorytm całkowania / 56
3.2.2. Niejawny algorytm całkowania / 57
3.3. Miary odkształcenia i naprężenia w programie ABAQUS / 59
3.4. Uwagi o implementacji numerycznej / 61
3.5. Podstawowe testy numeryczne / 63

4. Dobór parametrów materiałowych / 69
4.1. Wprowadzenie / 69
4.2. Zespolony moduł sztywności / 70
4.3. Superpozycja czasowo-temperaturowa. Krzywa wiodąca / 74
4.3.1. Tworzenie krzywej wiodącej / 77
4.3.2. Równanie Arrheniusa / 79
4.3.3. Funkcja WLF / 80
4.3.4. Inne funkcje / 82
4.4. Widmo czasów relaksacji / 82
4.5. Algorytm doboru parametrów / 83
4.5.1. Konstrukcja krzywej wiodącej / 84
4.5.2. Kalibracja modelu / 85
4.6. Wyznaczanie parametrów plastycznych / 90
4.7. Podsumowanie rozdziału / 91

5. Projektowanie konstrukcji nawierzchni / 93
5.1. Wprowadzenie / 93
5.2. Projektowanie nawierzchni metodą mechanistyczną / 94
5.2.1. Kryteria zmęczeniowe / 97
5.3. Projektowanie wzmocnień nawierzchni / 102

6. Określanie wytężenia nawierzchni podatnych / 107
6.1. Metody analityczne - teoria półprzestrzeni warstwowej / 107
6.2. Metody numeryczne - zastosowanie elelemtów nieskończonych / 116
6.2.1. Sformułowanie w przypadku statyki / 118
6.2.2. Sformułowanie w przypadku dynamiki / 122
6.2.3. Przykład obliczeniowy / 124

7. Symulacje numeryczne / 129
7.1. Model obrotowo-symetryczny / 130
7.1.1. Dane wejściowe / 131
7.1.2. Wyniki obliczeń statycznych / 133
7.1.3. Wpływ prędkości przejazdu / 136
7.1.4. Wpływ temperatury warstw asfaltowych / 138
7.2. Nawierzchnia lotniskowa / 141
7.2.1. Wyniki obliczeń / 147
7.3. Nawierzchnia na obiekcie mostowym / 151
7.3.1. Opis wybranego mostu / 152
7.3.2. Model numeryczny mostu / 153
7.3.3. Zastosowanie submodelingu / 155
7.3.4. Wyniki obliczeń / 159

8. Podsumowanie / 169
A. Skrócone opisy programów komputerowych / 175
B. Dane materiałowe / 179
Spis rysunków / 186
Spis tablic / 192
Bibliografia / 193