基于尺度方法的AC-13沥青混合料弹性力学特性研究

运用尺度方法预测随机复合材料沥青混合料弹性力学性能:弹性模量E及泊松比μ。通过CT扫描技术获取AC-13沥青混合料细观图像,统计不同粒径骨料随机分布特性。根据统计的随机骨料分布特性,在有限元软件内建立AC-13沥青混合料骨料特性的二维细观模型,选取70 mm×70 mm区域作为计算尺度。对集料及基体材料赋予参数,运用尺度算法程序计算沥青混合料模型;预测得出沥青混合料的弹性力学参数E、μ。     

沥青混合料裂纹发展过程的颗粒流模拟

为了在细观尺度下描述沥青混合料的裂纹发展行为,运用离散元程序PFC2D内置“Fish”语言,重构了沥青混合料非均质(集料、胶浆和空隙)多层次(矿料级配)结构虚拟试件,对虚拟试件微观组成成分之间的接触赋予了相应的微观接触模型,采用离散元方法实施了单边切口小梁虚拟3点弯曲试验,借助数字摄像法捕捉了室内小梁试件表面裂纹发展情况,在二维尺度下探索了沥青混合料的部分断裂机理.结果表明:虚拟试验得到的宏观断裂力学响应与室内试验结果的吻合度较好,仅采用试件单面图像信息构建模型进行力学性能预测缺乏可信度;虚拟试验模拟的二维裂纹扩展路径与室内数字摄影法结果较为相似,二者都体现出材料脆性断裂特点,二维模型往往夸大了粗集料在混合料断裂过程中的作用;基于离散元程序的裂纹扩展行为分析方法,可以作为研究沥青混凝土材料断裂行为的辅助手段.     

基于颗粒流程序的沥青混合料单边切口梁试验模拟分析

为了从细观角度深入分析沥青混合料断裂机理，运用离散元方法实现了沥青混合料小梁试件的虚拟断裂试验。借助数字图像技术获取了1．18mm粒径以上的沥青混合料细观结构，基于颗粒流程序构建了包含集料、沥青砂浆、空隙在内的离散元模型，通过虚拟试验，对小梁的断裂过程进行了分析。研究结果表明：虚拟试验与室内试验的结果曲线相似度较高，模型中应力分布范围和趋势与室内试验的常规认识相符，第一条裂纹出现在集料与砂浆界面，低温条件下集料会被裂纹贯穿，一定程度上也阻碍了裂纹的继续发展。     

不同级配类型沥青混合料最优尺度选取研究

为研究不同级配类型沥青混合料最优尺度,本文选取三种级配不同的沥青混合料进行多尺度分析。根据多尺度方法,建立反映三种沥青混合料级配材料(AC-5、AC-13、AC-25)的粒料分布模型。通过利用划分的五个尺度区域(2 mm×2 mm,10 mm×10 mm,30 mm×30 mm,60 mm×60 mm,80 mm×80 mm),将3种不同级配沥青混合料从小尺度至大尺度的顺序求算反映材料基本属性的弹性模量E。分析尺度变化对不同级配变化规律,选取适合每种级配类型的最优尺度,并通过试验验证最优尺度方法的合理性。结果表明:随着计算尺度增大,每类级配的沥青混合料弹性模量均增大然后达到稳定,沥青混合料的最优尺度介于该类粒径的2倍公称最大粒径与2倍最大粒径之间。该方法可推广到沥青混合料疲劳损伤过程的力学衰减规律中。     

沥青混合料细观结构离散元分析

为了在细观层次上分析沥青混合料的力学特性,本文用多边形单元模拟粗集料,球形单元粘结在一起模拟沥青玛蹄脂,在细观尺度上建立比较直观、清晰的离散元数值模型,采用3种接触模型描述沥青混合料内部的相互作用,并进行单轴压缩虚拟试验,分析沥青混合料的变形与应力情况。论文对虚拟试验结果进行分析,得出一些重要结论,并对本文的后继研究提出有意义的建议。     

细观尺度下基于非均匀性研究沥青混合料的开裂行为

为了从细观角度,基于沥青混合料的非均匀性研究材料的开裂行为,该文运用颗粒流软件PFC2 D(Particle Flow Code),根据离散元基本理论及软件内置Fish语言编写了不规则骨料的随机生成程序,建立基于半圆弯曲室内试验处理的边界条件和伺服控制,并将模拟结果与试验结果对比分析。研究结果表明:所得到的离散元虚拟试件能够最大程度地将集料级配、骨料不规则形状、骨料随机分布和试件空隙率考虑在内,提出一种可以脱离于室内试验条件、仅用计算机软件就能够建立较准确、广泛的映射沥青混合料的PFC模型的模拟方法,为今后在细观尺度下利用PFC研究分析沥青混合料力学性质提供理论基础和辅助手段。在此基础上,从细观尺度出发,对建模要素以及骨料位置进行调整,用以分析其对混合料试件宏观力学性质的影响,为后续工作中结合室内试验继续对这些影响因素进行分析提供了一定的理论基础。     

一种基于仿真模型的柴油机虚拟标定方法

将一种基于发动机仿真模型的虚拟标定方法应用于某款小排量高压共轨柴油机的电控参数优化标定中。用商用软件建立发动机一维模型,对电控参数进行全局取点和全面虚拟试验。通过自编MATLAB优化算法对仿真试验结果进行计算与分析,完成该款柴油机电控参数的虚拟标定。与常规标定过程相比,虚拟标定方法基本脱离发动机实机试验,不仅可大量节省试验时间及经费,亦有介入发动机早期开发环节的潜力。     

沥青混合料劈裂试验的细观模型验证与分析

沥青混合料为典型夹杂体材料,其宏观材料设计方法较大程度上忽视了混合料细观不均匀性的影响。因此,该文通过沥青混合料劈裂试验的细观模拟分析,从而获得其细观分布规律。首先,基于数字图像处理技术,实现劈裂试验剖面图的二值化并建立细观有限元模型,然后通过材料试验获得断裂参数;其次,通过室内沥青混合料劈裂试验的数字散斑测量,完成细观劈裂试验的模型验证;最后,基于劈裂模型的有限元模拟,分析细观尺度下力学响应的分布规律。结果表明:水平拉应变集中出现在沥青砂浆相且沿界面传递,砂浆与界面区为抗拉薄弱区。     

考虑初始缺陷的水泥基复合材料细观开裂研究

为了研究微观初始缺陷对水泥稳定碎石基层材料（CTB）细观开裂的影响，基于离散元法（DEM）和随机算法构建了细观非均质随机骨料数值模型，结合参数反演确定了模型细观参数，并引入裂隙网络（DFN）来表征水泥砂浆内部的微观初始缺陷。通过虚拟半圆弯曲（SCB）试验模拟了细观开裂过程，比较分析了数值模拟结果和试验结果，并进一步研究了裂隙密度和宽度对结构细观开裂的影响。结果表明：细观断裂模型的数值模拟结果和试验结果基本吻合，模型能较好地表征细观随机开裂行为；材料的宏观开裂是由于细观损伤的累积导致，宏观裂纹的产生经历了平稳扩展和快速贯通的过程；张力是裂纹演化的驱动力，裂纹通常沿着砂浆与骨料的界面薄弱区进行扩展；微观缺陷显著影响水泥基材料的力学性能和断裂行为，初始裂隙通过诱导微裂纹的扩展与贯穿，降低结构整体强度，但是在一定程度上增大了结构的容许形变，其中20~40 m·m^-2的裂隙密度和0.3~0.45 mm的裂隙宽度对材料强度影响最为显著，施工过程中合理控制裂隙密度和宽度对于提高材料抗裂能力有益。所构建的细观模型可以很好地捕捉微裂纹的扩展和贯穿过程，能够实现对细观断裂的精确模拟，为探索水泥基复合材料的破坏过程和机理提供了一种新的研究手段。     

基于GT-SUITE的乘用车驾驶性仿真与应用

为了在整车性能开发早期对驾驶性进行评价,本文中使用GT-SUITE软件,考虑发动机瞬态响应和转矩控制策略,建立乘用车驾驶性仿真模型。利用仿真模型对部分典型的驾驶性工况进行仿真计算,并通过试验数据校正模型,确保仿真误差在10%以内。以某6速自动挡汽油车为例,针对3种驾驶模式的不同需求,分别对油门特性和换挡规律进行虚拟标定。最后对虚拟标定结果进行试验验证,仿真与试验误差在8%以内,充分验证了驾驶性虚拟标定的有效性和实用性。     

复杂地质条件下桥梁临水岸坡稳定性研究

以剑河至黎平高速公路清水江特大桥黎平岸岸坡为研究对象,基于地质条件建立计算模型,运用刚体极限平衡法对拱座前缘临水岸坡的整体稳定性进行计算分析,对拱桥荷载作用下岸坡的附加变形采用数值分析,运用离散元法计算了拱座基坑边坡的稳定性。稳定性分析充分考虑了岸坡自重、桥梁荷载、暴雨、地震工况、校核洪水位、最高蓄水位、死水位以及库水极端骤升骤降速率下的不利工况。结果表明:(1)主跨248米黎平岸拱座前缘临水岸坡,在死水位、库水极端骤升骤降速率条件下,其岸坡整体稳定性系数不满足安全系数控制标准;(2)黎平岸拱座基础采用桩基后,在桥梁荷载作用下的岸坡附加位移矢量最大为3. 6mm,临水岸坡不会因桥梁荷载产生大变形而发生整体破坏;(3)拱座基坑后边坡按照设计坡率及加固防护后,其边坡稳定性满足安全系数控制标准。     

张承高速高边坡稳定性离散元模拟研究

以张承高速某高边坡工程为依托,采用单轴压缩模拟试验标定出边坡各岩土层的细观参数,建立边坡的离散元模型,分析了边坡的稳定状态,并对边坡的失稳过程进行了研究。结果表明:粉土层向下滑动,并在坡脚堆积,圆砾层未发生滑动。模型中出现的裂纹主要在粉土层。边坡的破坏过程如下:首先粉土层颗粒在重力作用下黏结被破坏,由于粉土层底部颗粒先滑出坡面,使中上部颗粒失去支撑而发生大规模滑动。基于上述分析,建议对边坡开挖后采取锚索或土钉进行支护,同时对坡面采用水泥砂浆防护等加固措施。     

梯度结构混凝土构件的设计、制备与性能评价

为了提高恶劣环境下混凝土结构耐久性,基于功能梯度材料理念,利用无细观界面过渡区水泥基材料的高抗裂自修复、低离子传输能力,对混凝土构件进行梯度复合结构设计,主动增强保护层。考虑构件体型、内外层材料差异及现场施工,研究梯度结构混凝土构件制备方法,并对1∶5缩尺构件及足尺构件进行性能试验。结果表明:GSCM不会发生体积变形不一致性破坏;与传统的单层混凝土构件相比,GSCM表层的强度提高幅度为30%;GSCM面层仅存在少量宽度在0.02~0.05 mm之间不可见裂纹,而传统的单层构件存在宽度在0.2~0.5 mm的可见裂纹;GSCM渗透深度与氯离子扩散系数分别为0 mm和6.3×10~(-13)m~2/s,而传统的单层构件为15 mm和12.8×10~(-13)m~2/s;三环拼装性能良好,满足工程要求。     

基于离散元方法的沥青混合料三轴剪切试验模拟研究

为了从沥青混合不连续特征的角度更好地评价和预估其抗车辙能力,采用离散元方法建立沥青混合料细观结构模型,并进行沥青混合料三维离散元虚拟三轴剪切试验。将模拟结果与宏观试验结果进行比较,分析模型参数与试验参数之间的关系。最后将二维虚拟试验结果和三维虚拟试验结果进行对比。结果表明:三维离散元模拟结果与试验室试验结果具有较好的相关性,且规律一致,验证了模型的正确性,可基于此模型建立评价和预估沥青混合料抗车辙能力的虚拟试验方法;三维离散元模型由于更多地考虑了材料的嵌挤作用,比二维离散元模型精度更高。     

沥青混凝土材料细观损伤的数值模拟

在对沥青路面心样进行轴向压缩疲劳试验时,结合CT扫描技术拍摄了不同疲劳阶段下沥青混凝土的细观结构图像,利用细观力学及断裂力学方法建立了一细观模型,运用有限元程序对试件的宏观裂纹形成这一复杂过程进行了模拟。结果表明,该模型能有效模拟材料的损伤演化过程,在有限的实验研究基础上,运用细观力学方法数值模拟沥青混凝土的力学性能是可行的,以弥补试验的不足。     

不同喷射工况下的GDI喷雾模拟标定研究

准确模拟喷雾是提高缸内模拟准确性的关键,为了使模拟喷雾与试验喷雾更加一致,需要根据试验喷雾贯穿距及粒径对模拟喷雾进行标定。使用AVL FIRE软件建立定容弹及喷雾数值模型,对处于不同喷射工况(喷射压力、环境压力、油温)下的喷雾进行数值模拟,根据试验喷雾的贯穿距及喷嘴下方30 mm平面处SMD对模拟喷雾进行标定,并对不同喷射工况的标定参数选择进行探讨。结果表明:为了同时满足贯穿距和粒径的标定要求,需要根据工况参数对标定参数进行调整;对于本研究中的GDI喷油器,喷射压力10 MPa时使用KH-RT模型的模拟结果与试验值匹配较好,5 MPa时使用Huh-Gosman模型匹配更好;在喷射压力、环境压力和环境温度相同的条件下,高油温和低油温工况可以用同一套参数满足标定要求。     

基于随机骨料模型的钢筋混凝土柱多尺度数值模拟

作为一种典型的非匀质复合材料,混凝土的细观结构将影响钢筋混凝土结构的力学行为和破坏特征。在混凝土材料细观模型的基础上,结合随机骨料法提出了一种钢筋混凝土柱非线性力学分析二维多尺度数值模拟方法。对钢筋混凝土柱拟静力滞回性能进行了数值模拟,并与二维实体模型以及二维全骨料模型模拟结果进行了对比分析。结果表明:采用多尺度模型模拟获得的钢筋混凝土柱的宏观力学行为和细观破坏特征均与试验结果吻合良好,同时多尺度模型可以有效降低计算成本,在有限计算资源下实现计算时间与计算精度的平衡。     

基于多用户驾驶模拟平台的雾天高速公路跟驰模型参数标定及验证

高速公路连环追尾事故多发生在雾天环境下,且容易造成严重的事故人员伤亡。当前的跟驰及追尾风险研究多集中于两车跟驰,缺乏对雾天情况下车队跟驰的研究。利用雾天环境下车队跟驰轨迹数据对传统主流跟驰模型进行标定验证,基于多用户驾驶模拟平台设计了8个不同雾天等级和限速组合的高速公路虚拟场景,开展驾驶模拟试验并采集数据。试验招募了8名男性驾驶人并通过随机调整他们在车队中的位置顺序来获得足够的车队跟驰轨迹数据,根据判定标准筛选合适的车队跟驰轨迹数据,按照2:1的原则分配标定和验证阶段的数据组。选取Newell、Gipps和IDM三个主流跟车模型进行参数标定和验证,以时间序列的车头间距和相对均方根误差(RMSPE)分别作为性能指标参数和拟合优度函数,使用遗传算法搜寻目标函数最小值以标定跟驰模型参数,并用车辆轨迹完整性(CVT)和RMSPE评价验证阶段的仿真结果。结果表明:在标定阶段,Newell、Gipps和IDM三个模型的RMSPE整体平均值分别为30.1%、18.6%和27.7%,各个试验条件下Gipps模型的RMSPE值均小于另外2个模型,说明Gipps模型能更好地拟合试验数据;在验证阶段,Gipps模型的RMSPE整体平均值为21.2%,远小于另外2个模型,可见Gipps模型在局部精确度上的鲁棒性要优于Newell模型和IDM模型;Gipps模型的CVT整体平均值和波动幅度分别为98.1%和2.0%,均是3个模型中的最小值,说明Gipps模型在整体轨迹上的鲁棒性也优于另外2个模型。雾天环境下,Gipps模型具备更好的拟合能力和鲁棒性,因此推荐仿真软件使用Gipps模型模拟雾天环境下车队跟驰行为,不同雾天等级及限速下的Gipps模型参数可参考该研究标定的参数。     

高速铁路填方路基粗粒土细观力学性质的离散元模拟

基于离散元方法,建立一个表征填方路基粗粒土细观力学性质的颗粒流模型。同时,利用三维颗粒流程序PFC3D的内置FISH语言,进行二次开发,真实地模拟了粗粒土的颗粒级配曲线。通过大量的颗粒流数值模拟试验,准确地标定了表征粗粒土细观力学性质的相关细观参数。计算结果表明:离散元模拟结果和室内土工试验结果基本一致,粗粒土呈现出较大的体缩和体胀性,同时分别对比了不同围压下,路基粗粒土离散元模拟与室内三轴试验下的应力-应变曲线,其变化规律基本一致。     

级配碎石直剪试验的细观分析

基于颗粒流理论及其PFC2D程序,在细观层次上从数值分析角度研究了碎石的直剪试验,从而揭示了其抗剪强度和变形机理。研究中针对碎石提出了一种随机计算模型,并给出了随机模型的实现方法,同时对该随机模型的算法可靠性进行了验证。文中探讨了在直接剪切试验中碎石的抗剪强度随位移的变化以及最大粒径、竖向压力对其影响,并从细观力学的角度上描述了直剪试验过程中颗粒的运动机理。直剪试验过程中的碎石细观结构变化的颗粒流仿真,是关于碎石细观力学特征与宏观力学响应相关联的初步研究。