连续、铰接功能梯度路面热屈曲与热后屈曲数值分析

发布时间：2020-05-30 21:07

【摘要】：由于路面长期暴露在太阳照射下,产生的热应力极易造成路面热屈曲与热后屈曲问题,并且路面上下表面极易产生温度差。在实际中路面多采用单一均质传统混凝土材料如普通硅酸盐(PPC),此类材料不仅刚度不高,且容易产生大量的温室气体危害环境。因此,本文提出了一种新的功能梯度混凝土路面,实现增强路面的抗热屈曲与抗热后屈曲性能同时降低碳排放量的目标。在此功能梯度材料中使用了纤维增强混凝土(FRC)、无机聚合物混凝土(GPC),不仅能帮助提高结构刚度并且相较于PPC更为环保,然而PPC由于其价格低廉也仍被考虑使用在功能梯度路面中。与板梁问题不同,路面的密度大并且路面底层和基底都极为粗糙,因此在分析路面热屈曲与热后屈曲行为时不能忽略重力与摩擦力的作用,即无法使用板梁的热屈曲与热后屈曲理论进行求解。此外,在路面中又引入了功能梯度材料,使得其热屈曲和热后屈曲理论变得非常复杂且尚未有相关文献作出报道,而路面铺设成本大且实验周期长,所以本文采用有限元数值模拟手段(使用有限元商业软件ABAQUS)对功能梯度路面热屈曲与热后屈曲问题进行研究。特别讨论了功能梯度材料参数与路面结构几何参数的影响,同时研究了均匀和非均匀温度场的作用。主要研究内容如下:1.根据不同长度的混凝土路面,在有限元中建立连续路面和铰接路面模型。连续路面由于实际铺设时可能在路面或是基底内引入缺陷,可分为缺陷形式I和缺陷形式II;铰接路面根据两长路面中间铰接或长路面与刚体铰接(如桥墩、路牙等)两种情况可分为铰接形式I和铰接形式II。2.验证有限元模型的合理性与网格收敛性。求解单一均质PPC路面的有限元热屈曲与热后屈曲结果,并与文献基于实验推导的理论解进行对比验证,说明路面热屈曲与热后屈曲的有限元建模过程的准确性。同时,使用有限元求解功能梯度梁的热后屈曲结果与微分求积法计算结果进行对比,确保功能梯度材料有限元建模方式的准确性。随后,对不同网格密度的有限元模拟结果进行讨论,在保证精度的同时选用最少网格数量。3.对添加与未添加重力和摩擦力的路面的热屈曲与热后屈曲结果进行对比;对路面长厚比、缺陷幅值等参数对功能梯度路面的临界热屈曲温度和热后屈曲曲线的影响进行讨论。此外,改变功能梯度层厚度和体积分数指数数值,计算相应材料参数并赋予在有限元模型中。根据计算结果预测其对功能梯度路面热屈曲和热后屈曲问题的影响。4.使用ABAQUS的子程序UTEMP对模型定义非均匀温度场。利用线性插值函数沿路面厚度方向定义温度梯度场并与均匀温度场作用下的路面临界热屈曲温度与热后屈曲曲线进行对比,验证在考虑该问题时使用非均匀温度场的重要性。本文通过建立合理可靠的计算功能梯度路面热屈曲与热后屈曲的有限元模型,帮助设计功能梯度材料分布方式,控制功能梯度层的属性(包括层厚与层的体积分数指数)。在控制成本的基础上,实现提升路面抗热屈曲与抗热后屈曲性能并且减少碳排放量的目标。同时,研究重力摩擦力、缺陷幅值、长厚比与非均匀温度场对功能梯度路面热屈曲与热后屈曲的影响。
【图文】：

功能梯度材料,绪论,热力学性能,均质材料

来自自然界的功能梯度材料[8]

热屈曲,路面,现象

浙江工业大学硕士学位论文（学术型）升起屈曲所涉及的力学问题，其中一类模式类似于在一维梁中的模式，同样适用于铁轨道、海底管道和路面等结构，并提出了路面可能发生的不同缺陷情况。Yang Bradford[41, 42]在这些基础上研究了路面端部转角刚性对路面热屈曲和热后屈曲的影响
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U416.2

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