HMA永久變形（流動型車轍）多尺度分析的研究結(jié)題摘要

本課題針對瀝青混凝土路面常出現(xiàn)的車轍問題，通過數(shù)值計算和試驗研究，建立了一套基于微觀-細觀-宏觀聯(lián)動的多尺度研究方法。該課題主要在以下三方面做了深入探討：一、瀝青混合料非連續(xù)多尺度計算模型的建立；二、瀝青路面永久變形的微細觀觀測與車轍演化規(guī)律研究；三、抗車轍瀝青混合料的設(shè)計思路。并得到了如下成果：（1）提出并實現(xiàn)了瀝青混合料試件分步壓縮成型方法及級配控制方法，該方法能有效地保留瀝青混凝土的細觀特征，同時也適應于各種骨料形狀模型的建立；（2）利用瀝青混凝土虛擬三軸試驗，研究了骨架結(jié)構(gòu)和瀝青膠漿與瀝青混凝土抗壓強度、彈性模量、泊松比、Mohr-Coulomb強度及動態(tài)模量等宏觀參數(shù)之間的對應關(guān)系；（3）利用顆粒組合技術(shù)，以離散元和Matlab軟件為平臺，實現(xiàn)了瀝青混合料多面體顆粒的影響規(guī)律分析，提出了利用長細比（EL）和扁平比（FL）為指標的骨料形狀分類，該分類方法能夠直觀地反映瀝青混凝土的力學特征；（4）以AC、SMA和OGFC三種典型結(jié)構(gòu)為例，研究了級配對瀝青混凝土力學性能的影響，總結(jié)出了骨架結(jié)構(gòu)性能評價的力學指標及顆粒嵌擠與干涉的基本規(guī)律；（5）利用自主開發(fā)的圖像采集系統(tǒng)完成了永久變形演化規(guī)律的試驗，研究了不同骨料形狀和級配對流動型車轍性能的影響關(guān)系，實現(xiàn)了以泊松比和力鏈為基礎(chǔ)的定量表達；（6）建立了離散元、DDA與有限元耦合的瀝青路面多尺度計算方法，該方法一方面發(fā)揮有限元對大尺度路面結(jié)構(gòu)的高效計算，另一方面發(fā)揮離散元和DDA在材料細觀層次上的不連續(xù)模擬，解決了離散元等不連續(xù)方法模擬大尺度結(jié)構(gòu)方面時的不足；（7）基于上述多項研究，總結(jié)得出了抗車轍瀝青混合料設(shè)計原則；（8）對沈山高速和淮徐高速車轍病害路段進行了現(xiàn)場觀測和芯樣力學分析，并以大孔隙瀝青混合料為例對淮徐高速進行了車轍修補設(shè)計，試驗證明了該設(shè)計原則的有效性。 2100433B

針對目前瀝青路面流動型車轍問題的嚴峻性，課題以HMA材料設(shè)計為目標，采用非連續(xù)數(shù)值計算和實驗手段兩種途徑，對HMA永久變形發(fā)展過程進行多尺度研究，揭示微細觀結(jié)構(gòu)對宏觀性能的內(nèi)在影響，形成基于微觀-細觀-宏觀聯(lián)系的串行多尺度研究方法。并以這種方法為基礎(chǔ)，反演指導骨料級配設(shè)計與復合膠漿的組分設(shè)計，最終建立基于多尺度聯(lián)系的抗流動型車轍HMA材料設(shè)計方法。.本課題的研究成果將為轉(zhuǎn)變HMA材料設(shè)計思路、促進納米級復合改性瀝青膠漿的開發(fā)、以及減少瀝青路面的流動型車轍病害奠定基礎(chǔ)。

序

Preface

前言

第1章導論

1.1材料的特性源自材料的原子結(jié)構(gòu)與微觀結(jié)構(gòu)

1.2多尺度分析的研究目標、內(nèi)容及串行式與并行式的研究方法

1.3材料設(shè)計中多尺度分析方法的選擇

1.4兩類空間多尺度問題及時問多尺度

1.4.1兩類空間多尺度問題

1.4.2兩類問題的基本區(qū)別

1.4.3時間多尺度問題

1.5不同應用背景下多尺度問題的示例

1.5.1珠光體鋼軌鋼力學行為的微、細、宏觀多尺度分析

1.5.2生物活躍材料與人體醫(yī)療植入物的多尺度分析

1.5.3納米陶瓷涂層抗腐蝕的多尺度分析

1.5.4波形蛋白質(zhì)纖維的嵌套結(jié)構(gòu)與多物理、多尺度性能

1.5.5材料脆韌轉(zhuǎn)換分析中原子尺度與連續(xù)介質(zhì)尺度的連接

1.6國際上多尺度分析的發(fā)展概況

1.6.1總的態(tài)勢

1.6.2跨原子/連續(xù)介質(zhì)(第一類)多尺度分析

1.6.3跨連續(xù)介質(zhì)微/細/宏觀(第二類)多尺度分析

1.6.4時間多尺度分析

1.6.5存在的問題及所作的努力

1.7兼顧前瞻性的內(nèi)容設(shè)置

思考與探索

參考文獻

第2章分子動力學要義及其與量子力學的能量連接

2.1分子動力學的發(fā)展概況及其重要性

2.1.1從發(fā)展趨勢看研究分子動力學的意義

2.1.2分子動力學的一些研究領(lǐng)域

2.1.3分子動力學的時空尺度

2.2分子動力學的運動方程、勢能函數(shù)、力與應力

2.2.1質(zhì)點運動的拉格朗日方程

2.2.2勢能函數(shù)U及作用于原子上的力與應力

2.3分子動力學的算法及其精度

2.3.1數(shù)值積分過程

2.3.2差分表達式

2.3.3Vetlet數(shù)值算法、精度分析及簡例

2.3.4其他常用的算法

2.4力的計算與邊界條件的處理

2.4.1分子動力學程序中力的計算算法

2.4.2分子動力學程序中力的并行算法

2.4.3分子動力學中邊界條件的處理方法

2.5多體交互作用與嵌入原子法

2.5.1考慮多體作用的Tersoft與Brenner對勢

2.5.2嵌入原子法

2.6陶瓷材料分子動力學模擬

2.6.1引言

2.6.2Born固體模型與考慮極化的殼體模型

2.7如何確定經(jīng)驗勢中的參數(shù)

2.7.1LJ對勢函數(shù)參數(shù)e與a的估算

2.7.2LB混合律對指數(shù)勢及Morse勢三參數(shù)的估算

2.7.3陶瓷氧化物勢函數(shù)及其參數(shù)的確定

2.7.4用于研究磷酸鹽生化活躍材料的勢函數(shù)

2.7.5分數(shù)式離子鍵固體勢函數(shù)

2.8如何確定分子動力學模型的原子結(jié)構(gòu)坐標及進行圖形顯示

2.8.1分子動力學模型原子結(jié)構(gòu)坐標的確定

2.8.2分子動力學的圖形顯示

2.9如何采用軟件進行分子動力學的計算

2.9.1DL_Poly軟件簡介

2.9.2DL_Poly_2.18的文件庫及輸入文件的內(nèi)容

2.9.3DL_Poly_2.18的輸出文件

2.10量子力學與分子動力學的能量連接

2.10.1原子內(nèi)的能量平衡及量子力學的基本概念

2.10.2分子動力學與量子力學的耦合

2.10.3薛定諤方程求解孤立原子的能量

2.10.4耦合系統(tǒng)的能量

2.10.5求解量子力學基本方程實現(xiàn)耦合的三種基本方法

2.10.6緊束縛方法

2.10.7Hartree-Fock理論及其相關(guān)的方法

2.10.8電子密度泛函理論

2.11實例：納米涂層及植入物與液體界面分析中的分子動力學計算

2.11.1基本方法

2.11.2對勢函數(shù)的確定

2.11.3氮化鐵與基體鐵界面剪切抗力的計算

2.11.4植入物與水一蛋白質(zhì)系統(tǒng)界面的分子動力學計算

參考文獻

第3章跨原子/連續(xù)介質(zhì)多尺度分析

3.1引言

3.2跨第一原理/原子/宏觀多尺度變形與破壞分析

3.2.1模型區(qū)域的分割及其耦合

3.2.2系統(tǒng)的總哈密頓量及其分解

3.2.3握手區(qū)的一般設(shè)計及MAAD的特點

3.2.4MAAD存在的問題

3.3一維模型

3.3.1FE/MD耦合運動方程的推導

3.3.2分子動力學與有限元耦合的數(shù)值例子

3.4Cauchy-Born法則及跨原子一連續(xù)介質(zhì)尺度的解析方法

3.4.1Cauchy-Born法則

3.4.2關(guān)于Cauchy-Born法則精度的討論

3.4.3基于Cauchy-Born法則的跨原子/連續(xù)介質(zhì)尺度的解析方法

3.4.4解析方法的應用

3.5變形與破壞的擬連續(xù)介質(zhì)多尺度分析

3.5.1QC方法的基本模型及能量計算

3.5.2QC方法邊界的不協(xié)調(diào)性及鬼力

3.5.3QC方法的特殊貢獻

3.5.4全部非局部化的QC方法

3.6QC與離散位錯動力學耦合的多尺度分析

3.6.1基本模型

3.6.2解法：三種邊值問題的疊加

3.6.3過渡區(qū)的處理及位錯穿越過渡區(qū)

3.7用于動力學模擬的搭接區(qū)多尺度分析

3.8用于動力學模擬的橋接區(qū)多尺度分析

3.8.1位移場在兩個不同尺度的分解

3.8.2運動的多尺度方程及其討論

3.8.3橋接法多尺度框架及廣義朗之萬方程

3.8.4數(shù)值例題

3.8.5對橋接法的簡短評論

3.9幾種模型界面不協(xié)調(diào)性的比較

參考文獻

第4章廣義質(zhì)點動力學多尺度模擬方法

4.1引言

4.2廣義質(zhì)點動力學方法的多尺度幾何模型

4.2.1多尺度區(qū)的形成

4.2.2廣義質(zhì)點的級別與其表征的原子數(shù)的定量關(guān)系

4.2.3模型實例

4.3逆映射法求解廣義質(zhì)點系動力學方程

4.3.1對等價剛度規(guī)則的質(zhì)疑

4.3.2映射與逆映射

4.4多尺度區(qū)的自然邊界條件

4.4.1原子區(qū)與連續(xù)介質(zhì)區(qū)邊界的內(nèi)稟不協(xié)調(diào)性

4.4.2廣義質(zhì)點動力學各尺度區(qū)問的自然邊界

4.5廣義質(zhì)點動力學方法的驗證

4.6廣義質(zhì)點動力學方法的初步應用

4.6.1相變

4.6.2相變的機制

參考文獻

第5章串行嵌套式多尺度方法及復相材料循環(huán)彈塑性多尺度分析

5.1引言

5.2跨微/細/宏觀三尺度分析的基本框架及尺度間的信息傳遞

5.3基于改進的自洽模型的細一宏觀定量關(guān)系

5.3.1改進的自洽模型

5.3.2基于改進的自治方法的宏/細觀定量關(guān)系

5.4非均質(zhì)材料組成相的彈塑性本構(gòu)關(guān)系

5.4.1帶耗散的彈簧滑塊模型對彈塑性材料本構(gòu)關(guān)系的描述

5.4.2描述塑性響應的遺傳型本構(gòu)方程

5.4.3經(jīng)典塑性理論及其非經(jīng)典塑性理論的比較

5.5基于微觀分析的微一細觀定量關(guān)系

5.6基于原子位錯分析的微觀尺度塑性參數(shù)及其尺度效應

5.7由細觀塑性應變決定宏觀參量的數(shù)值方法

5.8復相材料循環(huán)彈塑性尺度效應的試驗研究

5.9多尺度分析數(shù)值結(jié)果及其與試驗結(jié)果的比較

參考文獻

附注5A

附注5B

第6章串行耦合式多尺度方法及損傷層合復合材料的多尺度分析

6.1引言

6.2通過中間單元體聯(lián)系大小尺度的串行嵌套式多尺度模型

6.2.1無損傷的條件下層合板(宏觀)與片層(細觀)的連接

6.2.2微觀單元體等效本構(gòu)方程與基體、纖維特性的關(guān)系

6.3損傷層合復合材料串行耦合式多尺度分析

6.3.1復合材料迭層方式對損傷起始及演化影響的試驗結(jié)果

6.3.2含損傷時層合復合材料多尺度分析的特點

6.3.3損傷層片等效本構(gòu)方程的形式

6.4細/宏觀耦合模型及在位損傷函數(shù)的確定

6.4.1等效約束模型

6.4.2沿每一片層厚度的平均

6.4.3沿單元體寬度方向的平均過程，二維剪切滯后模型

6.4.4在位損傷函數(shù)的確定與表達式

6.4.5串行耦合式與串行嵌套式多尺度分析方法的區(qū)別

6.5基于損傷準則的串行耦合式多尺度破壞分析

6.6計及基體開裂演化的多尺度分析的計算結(jié)果及討論

6.6.1沿縱向(y向)受拉伸時[O/90]s類型層合板就地損傷函數(shù)Azz及A66的確定

6.6.2沿縱向受拉伸載荷時[O/90]s類型層合板剛度的下降

6.6.3損傷裂紋的起始與演化

6.6.4多尺度模型的預言及其與試驗結(jié)果的比較

參考文獻

附注6A

附注6B

附錄A原子與生物大分子的結(jié)構(gòu)、排列及其運動

A.1原子的基本結(jié)構(gòu)與電子結(jié)構(gòu)

A.1.1原子的結(jié)構(gòu)

A.1.2原子的電子結(jié)構(gòu)

A.2原子的鍵連接

A.2.1金屬鍵

A.2.2共價鍵

A.2.3離子鍵

A.2.4范德瓦耳斯鍵

A.2.5混合鍵連接

A.2.6鍵能量與原子間距

A.2.7對原子結(jié)構(gòu)的小結(jié)

A.3原子的排列布置與單元晶胞

A.3.1三種級別的原子布置

A.3.2單元晶胞

A.4晶體結(jié)構(gòu)的點、方向與平面

A.4.1點的坐標

A.4.2晶體的方向

A.4.3晶面的表征

A.4.4滑移系

A.5原子的穩(wěn)定性與擴散

A.5.1擴散的描述

A.5.2擴散的機制

A.6蛋白質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)

A.6.1蛋白質(zhì)的多肽(polypeptides)鏈結(jié)構(gòu)

A.6.2由側(cè)鏈R決定的20種氨基酸的三組類型

A.6.3氨基酸的其他結(jié)構(gòu)特點

A.7脫氧核糖核酸(DNA)的結(jié)構(gòu)

A.7.1生物大分子與結(jié)構(gòu)形成的一般規(guī)則

A.7.2核糖核酸(RNA)與脫氧核糖核酸(DNA)的結(jié)構(gòu)

參考文獻

附錄B對比與評鑒：RCMM多尺度分析工作學術(shù)評論匯集

卷后語2100433B

本書清晰地闡述了多尺度結(jié)構(gòu)性能關(guān)系的概念。在介紹量子理論和分子動力學經(jīng)驗方法的基礎(chǔ)上，范教授深入地探討了如何把這些方法與粗晶粒和連續(xù)介質(zhì)模型相結(jié)合，并應用到工程上所關(guān)心的大尺度問題中，以滿足器件與產(chǎn)品的設(shè)計要求。該書進一步強調(diào)了機械性能的多尺度模型，深入淺出地介紹了多尺度材料變形和破壞分析這一交叉學科領(lǐng)域，并特別留意了讀者主動吸收信息、深入理解思考以及展望前景所需的知識與方法。

圍繞將多尺度分析分為兩大類以形成大范圍分析框架的思路，本書闡述了分子動力學要義及其與量子力學的能量聯(lián)結(jié)，評介了跨原子/連續(xù)介質(zhì)的多尺度分析方法，闡述了提出的嵌套與耦合串行式跨微/細/宏觀分析的原理與方法，并以復相彈塑性與損傷復合材料為例，介紹了相關(guān)的概念、步驟、結(jié)果及其與實驗的比較。

范鏡泓畢業(yè)于上海交通大學造船工程系，于美國辛辛那提大學先后獲得碩士與博士學位。1983年回國后長期擔任重慶大學教授，曾在上海交通大學、喬治亞理工學院擔任兼職教授及高級科學家，現(xiàn)任美國阿爾弗雷德大學終生教授及重慶大學材料工程力學研究中心主任。研究領(lǐng)域包括材料本構(gòu)關(guān)系理論、塑性力學及多尺度分析。主持過多項與上述領(lǐng)域相關(guān)的國家自然科學基金項目，發(fā)表論文140佘篇，出版了《非線性連續(xù)介質(zhì)力學基礎(chǔ)》，主持了國際非均質(zhì)材料力學會議。