Phát triển chương trình tính toán kết cấu mặt đường nhựa theo phương pháp phân lớp hữu hạn

  • Lê Nguyên Khương

    Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải, Số 54 Triều Khúc, Thanh Xuân, Hà Nội, Việt Nam
Email: khuongln@utt.edu.vn
Từ khóa: Phương pháp phân lớp hữu hạn; kết cấu áo đường mềm; phần tử hữu hạn; Cast3M, Abaqus; FastKM.

Tóm tắt

Phương pháp phần tử hữu hạn (FE) đã được sử dụng rộng rãi trong việc mô phỏng và dự báo sự xuống cấp của kết cấu mặt đường nhựa. Tuy nhiên, mô hình khối ba chiều (3D) trong các hệ thống phần mềm thương mại như ABAQUS hay phần mềm mã nguồn mở như Cast3M đòi hỏi tài nguyên và thời gian tính toán lớn. Để giải quyết vấn đề này, các mô hình đơn giản hóa được quan tâm phát triển cho các mục tiêu cụ thể. Trong nghiên cứu này, lý thuyết cơ bản về phương pháp phân lớp hữu hạn (Finite Layer Method) được trình bày và là cơ sở phát triển mã nguồn FastKM bằng ngôn ngữ lập trình Python và giao diện người dùng cho phép mô phỏng bài toán kết cấu mặt đường nhựa nhiều lớp. Kết quả nhận được là đồ thị và biểu đồ màu thể hiện chuyển vị, ứng suất, biến dạng của kết cấu. Tiếp đó, một kết cấu mặt đường nhựa điển hình được mô phỏng trên 3 phần mềm là CAST3M, ABAQUS và FastKM theo với 3 phương pháp phân tích khác nhau là LET (Layer Elastic Theory), FEM (Finite Element Method) và phân lớp hữu hạn FLM (Finite Layer Method) nhằm kiểm chứng tính chính xác cũng như so sánh thời gian tính toán giữa các mô hình. Phần mềm FastKM sử dụng phương pháp FLM cho kết quả chính xác tương đương với mô hình phần tử hữu hạn 3D trên Abaqus và thời gian tính toán nhanh hơn hai phương pháp còn lại.

Tài liệu tham khảo

[1] J.-F. Corte, French Design Manual For Pavement Structures, 1997.
[2] J.-F. Corté and M.-T. Goux, Design of Pavement Structures: The French Technical Guide, Transportation Research Record, (1996) 116–124. https://doi.org/10.1177/0361198196153900116
[3] FGSV Publishing, Richtlinien für die Rechnerische Dimensionierung von Verkehrsflächen mit Asphaltdeckschicht RDO Asphalt09, Cologne, Germany, 2009.
[4] B. A. Chadbourn, D. E. Newcomb, D. H. Timm, Measured and Theoretical Comparisons Of Traffic Loads And Pavement Response Distributions, the Eighth International Conference on Asphalt Pavements Federal Highway Administration, 1997. https://trid.trb.org/view/501630
[5] I. Abdallah, S. Nazarian, Strategies to Improve and Preserve Flexible Pavement at Intersections, FHWA/TX 10/0-5566-1, 2011.
[6] E. L. Wilson, Structural analysis of axisymmetric solids, AIAA Journal, (1965) 2269–2274. https://doi.org/10.2514/3.3356
[7] L. A. Winnicki, O. C. Zienkiewicz, Plastic (or visco-plastic) behaviour of axisymmetric bodies subjected to non-symmetric loading—semi-analytical finite element solution, International Journal for Numerical Methods in Engineering, (1979) 1399–1412. https://doi.org/10.1002/nme.1620140911
[8] J. P. Carter, J. R. Booker, Consolidation of axi-symmetric bodies subjected to non axi-symmetric loading, International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, (1983) 273–281. https://doi.org/10.1002/nag.1610070210
[9] S. Hu, et al., Using semi-analytical finite element method to evaluate stress intensity factors in pavement structure, 2008. https://doi.org/10.1201/9780203882191.ch62
[10] P. Liu, D. Wang, F. Otto, J. Hu, M. Oeser, Application of semi-analytical finite element method to evaluate asphalt pavement bearing capacity, International Journal of Pavement Engineering, (2018) 479–488. https://doi.org/10.1080/10298436.2016.1175562
[11] P. Liu, D. Wang, M. Oeser, Application of semi-analytical finite element method coupled with infinite element for analysis of asphalt pavement structural response, JTTE, (2015) 48–58. https://doi.org/10.1016/j.jtte.2015.01.005
[12] P. Liu, D. Wang, M. Oeser, Application of semi-analytical finite element method to analyze asphalt pavement response under heavy traffic loads, Journal of Traffic and Transportation Engineering, (2017) 206–214. https://doi.org/10.1016/j.jtte.2017.03.003
[13] Y. K. Cheung, S. C. Fan, Analysis of pavements and layered foundations by finite layer method, Proceedings of the Third International Conference on Numerical Methods in Geomechanics, Aachen, Germany, 1979.
[14] R. K. Rowe, J. R. Bocker, Finite Layer Analysis of Nonhomogeneous Soils, Journal of the Engineering Mechanics Division, (1982) 115–132.
[15] J. R. Booker, J. C. Small, Finite layer analysis of viscoelastic layered materials, International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, (1986) 415–430. https://doi.org/10.1002/nag.1610100406
[16] R. V. Siddharthan, J. Yao, P. E. Sebaaly, Pavement Strain from Moving Dynamic 3D Load Distribution, Journal of Transportation Engineering, (1998) 557–566. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-947X(1998)124:6(557)
[17] R. V. Siddharthan, N. Krishnamenon, P. E. Sebaaly, Finite-Layer Approach to Pavement Response Evaluation, Transportation Research Record, (2000) 43–49. https://doi.org/10.3141/1709-06
[18] R. Cimrman, SfePy - Write Your Own FEA, 2014. http://arxiv.org/abs/1404.6391
[19] R. Cimrman, Multiscale finite element calculations in Python using SfePy, Adv Comput Math, (2019) 1897–1921. https://doi.org/10.1007/s10444-019-09666-0
[20] E. Le Fichoux, Présentation Et Utilisation De Cast3m. http://www-cast3m.cea.fr/
[21] J. D. Hunter, Matplotlib: A 2D Graphics Environment, Computing in Science Engineering, (2007) 90–95. https://doi.org/10.1109/MCSE.2007.55
[22] P. Ramachandran, G. Varoquaux, Mayavi: 3D Visualization of Scientific Data, (2011) 40–51. https://doi.org/10.1109/MCSE.2011.35

Tải xuống

Chưa có dữ liệu thống kê