本发明属于公路交通领域，具体涉及一种指导玻纤格栅制备的方法。
背景技术：
：半刚性基层沥青路面由于半刚性材料固有的特性会不可避免的出现温缩、干缩等开裂，在行车荷载和温度应力的作用下，裂缝向上发展，在面层顶部形成与基层裂缝对应的反射裂缝。在环境因素的影响下，裂缝不断发展，破坏了路面的整体性，使路面出现各种病害，降低路面的服务年限，缩短养护的间隔时间，增加道路的养护成本。防治反射裂缝的措施有很多种，其中玻纤格栅弹性模量高、断裂延伸率小，可以有效地抵抗路面中的开裂应力和变形，延缓开裂的发展；具有良好的稳定性，能够抵抗各种化学、物理腐蚀；经涂层处理后与沥青混合料具有良好的相容性，能够形成一个整体；并且成本低、生产容易、施工便利、适用性广，是一种常用的半刚性基层沥青路面防裂措施。但是，目前相关研究中尚未考虑玻纤格栅材料组成和编织方法对其防反效果的影响，仅采用固定的正交编织网格结构，且未定量研究各因素对反射裂缝的影响规律，无法对玻纤格栅的制备进行指导，对延长路面使用寿命的意义较小。技术实现要素：针对现有技术中的问题，本发明提供了一种指导玻纤格栅制备的方法，提供考虑玻纤格栅材料参数和编织方法的玻纤格栅工程常数的求解方法，然后利用abaqus有限元软件对其防反效果进行定量预估，通过对比计算结果以指导玻纤格栅的制备。为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以解决：一种指导玻纤格栅制备的方法，包括以下步骤：步骤1：建立单向纤维束代表单胞有限元模型，计算单向纤维束的工程常数；步骤2：建立单向层板代表单胞模型，根据步骤1得到的单向纤维束的工程常数，计算单向层板代表单胞的工程常数；步骤3：建立玻纤格栅有限元模型，根据步骤2得到的单向层板代表单胞的工程常数，计算玻纤格栅的工程常数；步骤4：建立加铺玻纤格栅路面结构模型，根据步骤3得到的玻纤格栅的工程常数，计算加铺玻纤格栅路面结构的反射裂缝起裂与扩展阶段的作用次数，根据其反射裂缝起裂与扩展阶段的作用次数，对其反射裂缝的寿命进行预估；步骤5：根据步骤4中对加铺玻纤格栅路面结构的反射裂缝寿命预估结果，分析玻纤格栅材料组成以及纤维束编织方法对路面结构反射裂缝寿命的影响，其中，玻纤格栅材料组成对路面结构反射裂缝寿命的影响因素考虑玻璃纤维弹性模量的变化、涂层材料弹性模量的变化以及玻璃纤维体积分数的变化；纤维束编织方法对路面结构反射裂缝寿命的影响因素考虑纤维束编织密度以及纤维束编织角的变化；通过改变步骤1中玻璃纤维和涂层材料的材料参数探究玻璃纤维弹性模量与涂层材料弹性模量的变化对反射裂缝寿命的影响；通过改变步骤1中单向纤维束的模型结构探究玻璃纤维体积分数的变化对反射裂缝寿命的影响；通过改变步骤2与步骤3中相邻纤维束间距探究纤维束编织密度的变化对反射裂缝寿命的影响；通过改变步骤3中纤维束编织方向探究纤维束编织角的变化对反射裂缝寿命的影响；基于上述得到不同的加铺玻纤格栅路面结构的反射裂缝寿命预估结果，按照反射裂缝寿命越大对路面使用寿命越有利的原则，对玻纤格栅的制备进行优化指导。进一步地，步骤1中，所述单向纤维束代表单胞有限元模型的建立方法为：将玻璃纤维在涂层材料中的排布形状简化为正六边形，其中正六边形顶点分别为纤维束横截面中心，截取此排布方式下正六边形内部最大矩形区域，该区域拉伸单位厚度所得长方体为单向纤维束代表单胞有限元模型。进一步地，步骤1中，单向纤维束的工程常数的计算方法为：分别给玻璃纤维与涂层材料赋予材料参数，对建立的单向纤维束代表单胞有限元模型进行精细化网格划分后，对其施加周期性边界条件，求解每个网格单元的应力应变关系，根据得到的每个网格单元的应力应变关系，基于均质化方法求解单向纤维束代表单胞的平均应力应变关系，并联立横观各向同性材料的本构方程，计算得到单向纤维束的工程常数。进一步地，步骤2中，以同一编织高度相邻两束纤维束以及相邻两束纤维束中间填充的沥青混合料组成的有限元模型等效为单向层板代表单胞模型。进一步地，步骤2中，单向层板代表单胞的工程常数的计算方法为：将沥青混合料材料参数与步骤1中得到的单向纤维束的工程常数赋予单向层板代表单胞后，对单向层板代表单胞施加周期性边界条件，求解其平均应力应变关系，联立正交各向异性材料的本构方程，计算得到单向层板代表单胞的工程常数。进一步地，步骤3中，将玻纤格栅相互穿插编织形成的二轴编织结构简化为两层单向纤维束叠加而成的结构，建立两层与行车方向有固定夹角的单向层板叠加的有限元模型，将单向层板叠加的有限元模型等效为玻纤格栅有限元模型。进一步地，步骤3中，玻纤格栅的工程常数的计算方法为：将步骤2中得到的单向层板代表单胞的工程常数赋予玻纤格栅有限元模型，对玻纤格栅各层设置不同材料属性方向并施加若干独立荷载，计算玻纤格栅模型的平均应力应变关系，联立正交各向异性材料的本构方程，计算得到玻纤格栅工程常数。进一步地，步骤4中，采用四块板有限元模型，由上到下依次为面层、玻纤格栅层、半刚性基层和土基，在半刚性基层上设置一条假定宽度的贯穿裂缝，得到加铺玻纤格栅路面结构模型。进一步地，步骤4中，将面层、半刚性基层和土基的材料参数与步骤3中得到的玻纤格栅的工程常数赋予加铺玻纤格栅路面结构模型，模拟移动车辆荷载和温度应力耦合作用，计算反射裂缝起裂与扩展阶段的作用次数，根据其反射裂缝起裂与扩展阶段的作用次数，对其反射裂缝的寿命进行预估。与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明一种指导玻纤格栅制备的方法，提供考虑玻纤格栅材料参数和编织方法的玻纤格栅工程常数的求解方法，然后利用有限元软件对其防反效果进行定量预估，通过对比计算结果以指导玻纤格栅的制备。相较于各向同性本构模型，采用本发明中的玻纤格栅层的各向异性本构模型定量分析玻纤格栅的防反效果具有更高的精度。本发明中玻纤格栅的本构模型可以考虑组成成分材料参数和纤维束编织方法的不同对玻纤格栅防反效果的影响，以对玻纤格栅的制备进行指导。本发明可以通过数值分析的方法对玻纤格栅的防反效果进行预估，从而在保证足够防止反射裂缝能力的前提下，减小玻纤格栅的制备成本。为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。附图说明为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为玻纤格栅结构示意图；图2为代表单胞选取示意图；图3(a)为单向纤维束代表单胞内玻璃纤维网格划分示意图；图3(b)为单向纤维束代表单胞内涂层材料网格划分示意图；图4为加铺玻纤格栅路面结构示意图；图5(a)为12.7×12.7mm玻纤格栅示意图；图5(b)为12.7×25.4mm玻纤格栅示意图；图5(c)为25.4×12.7mm玻纤格栅示意图；图5(d)为25.4×12.7mm玻纤格栅示意图；图6为玻纤格栅工程常数随编织角变化规律图。具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。玻纤格栅的材料组成参数和编织方法见表1和表2，玻纤格栅的结构示意图见图1，其中，玻纤格栅层中沥青混合料的弹性模量为1200mpa，泊松比为0.32。表1材料组成玻璃纤维涂层材料弹性模量(mpa)67000500泊松比0.230.4体积分数(％)78.5421.46表2编织方法纤维束α向编织密度(mm)12.7β向编织密度(mm)12.7编织角α(°)0编织角β(°)90一种指导玻纤格栅制备的方法包括以下步骤：步骤1：单向纤维束代表单胞有限元模型建立及其工程常数计算如图2所示，以正六边形排布简化玻璃纤维在涂层材料中的排布方式，其中正六边形顶点分别为纤维束横截面中心，截取此排布方式下正六边形内部最大矩形区域，该区域拉伸单位厚度所得长方体为单向纤维束代表单胞有限元模型，如图3(a)为单向纤维束代表单胞有限元模型内部玻璃纤维精细化网格划分示意图，图3(b)为单向纤维束代表单胞有限元模型内部涂层材料精细化网格划分示意图。分别赋予玻璃纤维与涂层材料各自对应的材料参数，对建立的单向纤维束代表单胞模型进行精细化网格划分后对其施加周期性边界条件，具体施加方法为：①纵向单轴拉伸荷载(沿z方向拉伸0.3％)；②横向单轴拉伸荷载(沿x方向拉伸0.1％)；③两种剪切荷载(z方向上正、负方向的x-y面上的每一组对应节点在y方向的位移差为定值，在x、z方向位移一致；x方向上正负方向的y-z面上的每一组对应节点在z方向的位移差为定值，在x、y方向位移一致；按照上述条件求解每个网格单元的应力应变关系，根据得到的每个网格单元的应力应变关系，对单向纤维束代表单胞基于均质化方法进行处理，求解所有单元网格的平均应力应变关系，联立横观各向同性材料的本构方程，求解代表单胞，即单向纤维束的工程常数。步骤2：单向层板代表单胞模型建立及其工程常数计算以同一编织高度相邻两束纤维束以及相邻纤维束中间填充的沥青混合料组成的有限元模型等效为单向层板的代表单胞模型。将沥青混合料材料参数与步骤1中所得纤维束工程常数赋予单层板代表单胞，对上述代表单胞施加周期性边界条件求解其平均应力应变关系，联立正交各向异性材料的本构方程，得出等效单向层板的工程常数。步骤3：玻纤格栅有限元模型建立及其工程常数的计算将玻纤格栅相互穿插编织形成的二轴编织结构简化为两层单向纤维束叠加而成的结构，建立两层与行车方向有固定夹角(编织角)的单向层板叠加的有限元模型并等效为玻纤格栅模型。玻纤格栅层由 α单向层板和 β单向层板组成，对应的是 α向纤维束、 β向纤维束和填充的沥青混合料形成的玻纤格栅层，以模拟玻纤格栅的编织网格结构，其中，α、β为纤维束长度方向与行车方向(玻纤格栅铺设方向)的夹角，如图1所示。建立层板有限元模型时，纤维束为横观各向同性的弹性材料，沥青混合料为各向同性的弹性材料；由于玻纤格栅是先编织后浸泡，因此，纤维束交叠的部分完全粘结，不发生相对位移。纤维束与沥青混合料之间完全连续。玻纤格栅近似为正交各向异性材料，正交各向异性材料拥有三个主方向的杨氏模量和三个泊松比，对模型施加6个独立的加载变形，针对玻纤格栅的网状编织结构，玻纤格栅层各层设置不同材料属性方向，对双层板模型施加若干独立荷载，将步骤2所得单层板工程常数赋予玻纤格栅层模型，运行模型计算其平均应力应变关系，联立正交各向异性材料的本构方程，计算玻纤格栅工程常数。步骤4：加铺玻纤格栅路面结构模型建立及其寿命预估采用四块板有限元模型，由上到下以此为面层、玻纤格栅层、基层和土基，在半刚性基层设置一条假定宽度的贯穿裂缝，结构示意图见图4。各结构层之间由于存在胶结和机械咬合的联合作用，使得各结构层之间能够保持一定程度上的位移连续。模型整体需满足玻纤格栅层为正交各向异性线弹性材料，其他结构层为各向同性线弹性材料；各结构层之间的接触关系为完全连续，不考虑层间相对位移；不计结构自重对路面结构受力影响。将面层，基层，土基材料参数与步骤3中所得玻纤格栅工程常数赋予加铺玻纤格栅路面结构模型，模拟移动车辆荷载和温度应力耦合作用，根据国内相关规范和广义paris公式计算反射裂缝起裂与扩展阶段的作用次数，对其反射裂缝的寿命进行预估。步骤5：玻纤格栅制备优化根据步骤4加铺不同玻纤格栅路面结构的反射裂缝寿命预估结果，考虑玻纤格栅材料组成以及编织方法对路面结构反射裂缝的影响，其中，玻纤格栅材料组成因素主要考虑玻璃纤维弹性模量变化、涂层材料弹性模量变化以及玻璃纤维体积分数的变化；纤维束编织方法的影响主要考虑纤维束编织密度以及纤维束编织角的变化。对于玻璃纤维弹性模量与涂层材料弹性模量对加铺玻纤格栅路面结构反射裂缝的影响，通过abaqus有限元软件对步骤1中玻璃纤维弹性模量与涂层材料弹性模量进行控制，执行步骤2～4，对比计算结果研究玻璃纤维弹性模量与涂层材料弹性模量对加铺玻纤格栅路面结构反射裂缝寿命的影响。对于玻璃纤维体积分数对加铺玻纤格栅路面结构反射裂缝的影响，通过改变步骤1中单向纤维束代表单胞中玻璃纤维的体积分数，执行步骤2～4，对比计算结果研究玻璃纤维体积分数对加铺玻纤格栅路面结构反射裂缝寿命的影响。对于纤维束编织密度对加铺玻纤格栅路面结构反射裂缝的影响，通过改变步骤2与步骤3中相邻纤维束之间的距离计算玻纤格栅工程常数，最后通过步骤4计算并对比加铺不同编织密度的玻纤格栅对路面结构反射裂缝寿命的影响。对于纤维束编织角对加铺玻纤格栅路面结构反射裂缝的影响，通过abaqus有限元软件在步骤3中固定一纤维束方向( α)并改变另一纤维束方向( β)来自控制纤维束编织角，对不同纤维束编织角玻纤格栅层的工程常数进行求解，以研究纤维束编织角对玻纤格栅工程常数的影响。最后通过分析上述影响因素对加铺玻纤格栅路面结构防止反射裂缝效果的影响从而对玻纤格栅的制备进行优化指导。下面结合具体实施案例，对本发明方案做进行一步的解释说明。实施例1：玻璃纤维弹性模量的优化以表1材料参数取值为基础，通过控制变量法研究玻璃纤维和涂层材料的弹性模量、体积分数的变化对玻纤格栅防反效果的影响。以玻璃纤维弹性模量为例，改变玻璃纤维弹性模量并求解纤维束工程常数，结果见表3。并根据表2编织方法建立纤维束间距为12.7mm，编织角为90°的玻纤格栅层有限元模型，其工程常数的求解结果见表4。表3表4将玻纤格栅工程常数的求解结果通过abaqus有限元软件进行设置，并对各阶段的加载次数进行求解，结果见表5。可以看出，玻璃纤维的弹性模量越大，玻纤格栅的防反效果越好，加铺之后路面结构的寿命越长。中碱玻璃纤维具有较好的化学稳定性和较高的强度，且其弹性模量随着内部碱金属氧化物含量的增加而减小，因此，在制备玻纤格栅时应尽量选取碱金属氧化物含量低的玻璃纤维。表5按照相同方法进行研究，可以分别得到采用不同材料制备的玻纤格栅防反效果，从而对于玻纤格栅制备的选材方面进行指导。实施例2：编织方法的优化组成材料参数见表1，先通过上述步骤求出纤维束的工程常数，计算结果见表6。表6①纤维束编织密度改变相邻纤维束间距以研究纤维束编织密度对玻纤格栅防反效果的影响规律。建立不同纤维束间距的单层板模型并互相组合，不同编织密度的玻纤格栅示意图如图5(a)、图5(b)、图5(c)和图5(d)所示，工程常数计算结果见表7。表7将玻纤格栅工程常数的求解结果通过abaqus有限元软件进行设置，并对各阶段的加载次数进行求解，结果见表8。可以看出，玻纤格栅层延缓反射裂缝扩展的效果随着行车方向上编织密度的增加而明显提高，在玻纤格栅的制备过程中可适当增加行车方向上纤维束的编织密度以提高其防止反射裂缝的效果，并且可以适当减小垂直于行车方向上纤维束的编织密度以减少制备成本，提高玻纤格栅的性价比。表8②纤维束编织角改变纤维束编织角，以研究编织角对玻纤格栅防反效果的影响规律。并建立纤维束间距为12.7mm的向单层板模型，其工程常数的求解结果见表9。建立玻纤格栅层有限元模型时，通过上下单向层板设置不同工程常数方向，即不同的编织角度(保证α为零，改变β值的大小)，求解相应玻纤格栅层的工程常数，其变化规律如图6所示。表9将玻纤格栅工程常数的求解结果通过abaqus有限元软件进行设置，并对各阶段的加载次数进行求解，结果见表10。可以看出，减小两个方向上纤维束的夹角可以提高玻纤格栅延缓反射裂缝扩展的效果，夹角范围推荐30°～45°之间。表10由上述算例可以表明，经本发明提供的有限元计算方法可以对玻纤格栅制备过程中的原材料选择和纤维束编织方法进行优化。最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。当前第1页1 2 3
技术特征：1.一种指导玻纤格栅制备的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立单向纤维束代表单胞有限元模型，计算单向纤维束的工程常数；
步骤2：建立单向层板代表单胞模型，根据步骤1得到的单向纤维束的工程常数，计算单向层板代表单胞的工程常数；
步骤3：建立玻纤格栅有限元模型，根据步骤2得到的单向层板代表单胞的工程常数，计算玻纤格栅的工程常数；
步骤4：建立加铺玻纤格栅路面结构模型，根据步骤3得到的玻纤格栅的工程常数，计算加铺玻纤格栅路面结构的反射裂缝起裂与扩展阶段的作用次数，根据其反射裂缝起裂与扩展阶段的作用次数，对其反射裂缝的寿命进行预估；
步骤5：根据步骤4中对加铺玻纤格栅路面结构的反射裂缝寿命预估结果，分析玻纤格栅材料组成以及纤维束编织方法对路面结构反射裂缝寿命的影响，其中，玻纤格栅材料组成对路面结构反射裂缝寿命的影响因素考虑玻璃纤维弹性模量的变化、涂层材料弹性模量的变化以及玻璃纤维体积分数的变化；纤维束编织方法对路面结构反射裂缝寿命的影响因素考虑纤维束编织密度以及纤维束编织角的变化；通过改变步骤1中玻璃纤维和涂层材料的材料参数探究玻璃纤维弹性模量与涂层材料弹性模量的变化对反射裂缝寿命的影响；通过改变步骤1中单向纤维束的模型结构探究玻璃纤维体积分数的变化对反射裂缝寿命的影响；通过改变步骤2与步骤3中相邻纤维束间距探究纤维束编织密度的变化对反射裂缝寿命的影响；通过改变步骤3中纤维束编织方向探究纤维束编织角的变化对反射裂缝寿命的影响；基于上述得到不同的加铺玻纤格栅路面结构的反射裂缝寿命预估结果，按照反射裂缝寿命越大对路面使用寿命越有利的原则，对玻纤格栅的制备进行优化指导。
2.根据权利要求1所述的一种指导玻纤格栅制备的方法，其特征在于，步骤1中，所述单向纤维束代表单胞有限元模型的建立方法为：将玻璃纤维在涂层材料中的排布形状简化为正六边形，其中正六边形顶点分别为纤维束横截面中心，截取此排布方式下正六边形内部最大矩形区域，该区域拉伸单位厚度所得长方体为单向纤维束代表单胞有限元模型。
3.根据权利要求2所述的一种指导玻纤格栅制备的方法，其特征在于，步骤1中，单向纤维束的工程常数的计算方法为：分别给玻璃纤维与涂层材料赋予材料参数，对建立的单向纤维束代表单胞有限元模型进行精细化网格划分后，对其施加周期性边界条件，求解每个网格单元的应力应变关系，根据得到的每个网格单元的应力应变关系，基于均质化方法求解单向纤维束代表单胞的平均应力应变关系，并联立横观各向同性材料的本构方程，计算得到单向纤维束的工程常数。
4.根据权利要求1所述的一种指导玻纤格栅制备的方法，其特征在于，步骤2中，以同一编织高度相邻两束纤维束以及相邻两束纤维束中间填充的沥青混合料组成的有限元模型等效为单向层板代表单胞模型。
5.根据权利要求4所述的一种指导玻纤格栅制备的方法，其特征在于，步骤2中，单向层板代表单胞的工程常数的计算方法为：将沥青混合料材料参数与步骤1中得到的单向纤维束的工程常数赋予单向层板代表单胞后，对单向层板代表单胞施加周期性边界条件，求解其平均应力应变关系，联立正交各向异性材料的本构方程，计算得到单向层板代表单胞的工程常数。
6.根据权利要求1所述的一种指导玻纤格栅制备的方法，其特征在于，步骤3中，将玻纤格栅相互穿插编织形成的二轴编织结构简化为两层单向纤维束叠加而成的结构，建立两层与行车方向有固定夹角的单向层板叠加的有限元模型，将单向层板叠加的有限元模型等效为玻纤格栅有限元模型。
7.根据权利要求6所述的一种指导玻纤格栅制备的方法，其特征在于，步骤3中，玻纤格栅的工程常数的计算方法为：将步骤2中得到的单向层板代表单胞的工程常数赋予玻纤格栅有限元模型，对玻纤格栅各层设置不同材料属性方向并施加若干独立荷载，计算玻纤格栅模型的平均应力应变关系，联立正交各向异性材料的本构方程，计算得到玻纤格栅工程常数。
8.根据权利要求1所述的一种指导玻纤格栅制备的方法，其特征在于，步骤4中，采用四块板有限元模型，由上到下依次为面层、玻纤格栅层、半刚性基层和土基，在半刚性基层上设置一条假定宽度的贯穿裂缝，得到加铺玻纤格栅路面结构模型。
9.根据权利要求8所述的一种指导玻纤格栅制备的方法，其特征在于，步骤4中，将面层、半刚性基层和土基的材料参数与步骤3中得到的玻纤格栅的工程常数赋予加铺玻纤格栅路面结构模型，模拟移动车辆荷载和温度应力耦合作用，计算反射裂缝起裂与扩展阶段的作用次数，根据其反射裂缝起裂与扩展阶段的作用次数，对其反射裂缝的寿命进行预估。
技术总结本发明公开了一种指导玻纤格栅制备的方法，利用有限元软件，对于玻纤格栅的原材料和编织方法进行优化，从而指导玻纤格栅制备的方法。具体为建立纤维束和玻纤格栅层多尺度模型，考虑材料组成对纤维束工程常数的影响，以及纤维束编织方法对玻纤格栅层工程常数的影响；然后建立加铺不同玻纤格栅路面结构的有限元模型，预估其反射裂缝寿命；最后，通过对比计算结果，对玻纤格栅的制备进行指导。本发明可以通过数值分析的方法对玻纤格栅的防反效果进行预估，从而在保证足够防止反射裂缝能力的前提下，减小玻纤格栅的制备成本。
技术研发人员：张洪亮;孙文圃;白雨瓒;康浩楠;李永和
受保护的技术使用者：长安大学
技术研发日：2020.01.15
技术公布日：2020.06.09
