بررسی اثر ترمیم در رفتار مکانیکی بستر آسفالت هوشمند و تغییرشکل دائمی ناشی از بارگذاری حرکتی بر روی آن در قالب تحلیل اجزاء محدود

نوع مقاله: مقاله مکانیک

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، مهندسی مکانیک-طراحی کاربردی، دانشگاه تهران

2 دانشیار، مهندسی مکانیک، دانشگاه تهران، تهران

3 دکتری، مکانیک جامدات، دانشگاه تهران

چکیده

پلیمرهای خودترمیم دسته‌ای از مواد هوشمند می‌باشند که بدلیل توانایی منحصر بفرد خود مورد توجه بسیاری از محققان قرار گرفته‌اند. این مواد دارای قابلیت ترمیم بخشی از آسیب وارد شده به آن‌ها بدون نیاز به شناسایی محل آسیب می‌باشند. جهت مطالعه رفتار این پلیمرها حین اعمال بارگذاری، یک مدل سازگار ترمودینامیکی برای پیش‌بینی پاسخ مکانیکی آن‌ها در نظر گرفته شده است. بدین منظور مدل ساختاری استفاده شده را به صورت ضمنی گسسته‌‍سازی زمانی کرده تا در قالب زیربرنامه UMAT در نرم‌افزار اجزا محدود ABAQUS مورد تحلیل قرار گیرد. دراین گسسته‌سازی از روش نیوتون-رافسون برای بروز کردن متفیرهای داخلی مانند مؤلفه‌های کرنش ویسکوپلاستیک استفاده شده است. همچنین با توجه به واسنجی پارامترهای مادی مدل توسط نتایج آزمایشگاهی نمونه آسفالتی، به شبیه‌سازی حرکت وسیله نقلیه بر روی بستر مورد نظر پرداخته شده است. در این پژوهش ضمن ارائه توضیح نحوه تحلیل اجزاء محدود رفتار مکانیکی بستر آسفالت با استفاده از مدل ساختاری و گسسته‌سازی ضمنی آن، اعتبارسنجی آن با نتایج تجربی موجود نیز انجام گرفته است که این روش، خود راهکاری مناسب جهت اعمال بارگذاری‌های مختلف در قالب تحلیل اجزاء محدود و همچنین پیش‌بینی عمر بسترهای آسفالت خودترمیم می‌باشد. لذا در این پژوهش مقایسه‌ای میان شبیه‌سازی بدون اثرگذاری ترمیم و همچنین با اعمال ترمیم جهت مقایسه میزان آسیب و تغییرشکل‌های دائمی در بستر انجام گرفته است. از نتایج حاصل از تحلیل اجزاء محدود انجام گرفته می‌توان به نقش بسزای ترمیم در عمر بستر اشاره کرد که با اثرگذاری آن می‌توان تا 20% بازیابی آسیب را افزایش داد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Study of healing effect on mechanical behavior of a smart asphalt pavement and permanent deformations due to a moving load in the framework of finite element analysis

نویسندگان [English]

  • Roozbeh Eghbalpoor 1
  • Mostafa Baghani 2
  • Hamid Shahsavari 3
  • Mohammad Shojaeifard 1
1 School of Mechanical Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran
2 Sُchool of Mechanical Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
3 School of Mechanical Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
چکیده [English]

Self-healing polymers are a class of smart materials that have attracted many researchers due to their unique ability. These materials are able to heal part of the damage without the need to identify the site. In order to study the behavior of these polymers, a thermodynamically consistent model is proposed to predict the mechanical response. Along with this, the implicit time-discrete form of the constitutive model is presented in order to utilize in ABAQUS software by UMAT subroutine. In the discretization, the Newton-Raphson method has been used to update internal variables such as viscoplastic strain components. Considering the calibration of the material parameters by the experimental results of the asphalt sample, the movement of vehicle on the desired pavement has simulated. In this research, a detailed explanation of how to perform the finite element analysis of mechanical behavior of asphalt pavements is presented using constitutive model and its implicit discretization. In the following, its validation with existing experimental results is also carried out. Next, a comparison between the simulations is performed without and with healing effect. From the results of finite element analysis, the important role of healing in the life of the pavement can be noted, which can increase the recovery of damage up to 20%.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Self-Healing Polymer
  • Damage Recovery
  • Implicit Discretization
  • Asphalt Pavement

 

[1]      R. Trask, H. Williams, and I. Bond, "Self-healing polymer composites: mimicking nature to enhance performance". Bioinspiration & Biomimetics, Vol. 2, No. 1, 2007, pp. P1.

[2]      R.K.A. Al-Rub, et al., "A micro-damage healing model that improves prediction of fatigue life in asphalt mixes". International Journal of Engineering Science, Vol. 48, No. 11, 2010, pp. 966-990.

[3]      H. Shahsavari, et al., "A thermodynamically consistent viscoelastic–viscoplastic constitutive model for self-healing materials". Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol., No., 2017, pp. 1045389X17730914.

[4]      J. Lemaitre, A course on damage mechanics, Springer Science & Business Media, 2012.

[5]      E. Masad, et al., "Viscoplastic modeling of asphalt mixes with the effects of anisotropy, damage and aggregate characteristics". Mechanics of Materials, Vol. 37, No. 12, 2005, pp. 1242-1256.

[6]      G.Z. Voyiadjis and P.I. Kattan, "Investigation of the damage variable basic issues in continuum damage and healing mechanics". Mechanics Research Communications, Vol. 68, No., 2015, pp. 89-94.

[7]      M.K. Darabi, R.K.A. Al-Rub, and D.N. Little, "A continuum damage mechanics framework for modeling micro-damage healing". International Journal of Solids and Structures, Vol. 49, No. 3, 2012, pp. 492-513.

[8]      M.K. Darabi, et al., "A thermo-viscoelastic–viscoplastic–viscodamage constitutive model for asphaltic materials". International Journal of Solids and Structures, Vol. 48, No. 1, 2011, pp. 191-207.

[9]      R.K.A. Al-Rub and M.K. Darabi, "A thermodynamic framework for constitutive modeling of time-and rate-dependent materials. Part I: Theory". International Journal of Plasticity, Vol. 34, No., 2012, pp. 61-92.

[10]    M.K. Darabi, et al., "A thermodynamic framework for constitutive modeling of time-and rate-dependent materials. Part II: Numerical aspects and application to asphalt concrete". International Journal of Plasticity, Vol. 35, No., 2012, pp. 67-99.

[11]    R.K. Abu Al-Rub, et al., "Comparing finite element and constitutive modelling techniques for predicting rutting of asphalt pavements". International Journal of Pavement Engineering, Vol. 13, No. 4, 2012, pp. 322-338.

[12]    R.K.A. Al-Rub, et al., "A unified continuum damage mechanics model for predicting the mechanical response of asphalt mixtures and pavements". International Journal of Roads and Airports, Vol. 1, No. 1, 2011, pp. 68-84.

[13]    R. Zanganeh, A. Keramat, and A. Ahmadi, "Investigation of the Effects of Viscoelastic Support Properties Simulated by the Generalized Kelvin-Voigt Model on the Axial Vibration of a Rod". Journal of Modeling in Engineering, Vol. 13, No. 41, 2015, pp. 93-111.

[14]    M. Fakhri, M. Dolatali Zadeh, and A. Ghanizadeh, "Developing A Model To Predict The Pulse Duration of Tensile Response At The Bottom Of Asphalt Layer". Journal of Modeling in Engineering, Vol. 11, No. 33, 2013, pp. 83-98.

[15]    G. Shafabakhsh, H. naderpour, and M. Motamedi, "Optimal Response Modeling of Asphalt Pavement Using Finite Element Method". Journal of Modeling in Engineering, Vol. 14, No. 47, 2017, pp. 33-40.

[16]    M.K. Darabi, et al., "Thermodynamic‐based model for coupling temperature‐dependent viscoelastic, viscoplastic, and viscodamage constitutive behavior of asphalt mixtures". International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, Vol. 36, No. 7, 2012, pp. 817-854.

[17]    M. De Beer and C. Fisher, "Stress-In-Motion (SIM) system for capturing tri-axial tyre–road interaction in the contact patch". Measurement, Vol. 46, No. 7, 2013, pp. 2155-2173.