基本信息
- 项目名称：
- 基于有限元分析的粘弹性沥青路面永久变形可视化预测系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品在ABAQUS GUI二次开发的基础之上，实现沥青路面车辙预估系统的自定制用户程序的开发。利用开发的参数化GUI用户平台，可以快速准确实现沥青路面的有限元建模，并完成所有相关计算分析，得到研究人员所需的车辙横断面图以及凹陷和隆起变形数据。以方便公路工程技术人员对不同地区公路的材料和结构进行设计，同时方便公路管理人员制定出合理的策略对道路交通情况进行控制。
- 详细介绍：
- 本系统基于有限元分析法，采用python语言实现，对ABAQUS有限元分析软件进行二次开发，利用ABAQUS的二次开发接口及python语言，对ABAQUS支持沥青公路研究方面功能进行强化的同时，固定其中的有效参数，便于研究人员对沥青路面的车辙进行研究和预测，更合理地设计沥青路面。 本系统主要包括三大步骤： 步骤一、选择影响沥青路面车辙形成和发展的主要因素，并将沥青路面车辙影响因素参数化，从而建立基于力学参数的沥青路面车辙预估模型，最后将模型转换为ABAQUS的内核脚本。 步骤二、利用ABAQUS GUI Toolkit配合python语言从最基础的平台上开发自主性的GUI界面。 步骤三、结合步骤一中模型的内核脚本和步骤二中自主开发的GUI界面自定制一套应用程序，从而实现专门针对粘弹性沥青路面永久变形的有限元分析预测。
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计目的 车辙是我国高等级公路沥青路面的主要损坏类型之一，如何防治沥青路面的车辙成为也是道路科技工作者一项重要研究课题。本作品的设计目的就是研究一套能帮助公路方面的研究、管理和一般技术人员，快速、方便且准确地，专门针对沥青路面的车辙情况进行预估的系统，根据沥青路面车辙预测结果，辅助公路工程技术人员进行沥青路面的优化设计，同时指导沥青路面养护管理，从而减少车辙的产生，延长公路的使用寿命。 创新点 （1）实现沥青混合料的粘弹性参数用于沥青路面永久变形预测； （2）建立基于ABAQUS有限元软件分析的可视模块化预测系统，大大简化一般有限元分析过程的复杂过程； （3）实现了对沥青路面的变形过程进行预测，以便公路技术人员对现有路面设计方案进行有效的调整； （4）本系统为公路管理人员管理公路提供一个有效的途径，公路管理人员可以利用本系统计算出在公路的损害最低的情况下公路的最大交通量和车辆时速等有效参数，指导沥青路面养护管理。
科学性、先进性
- 与现有技术相比，本系统在操作及应用层面有如下特点： （1） 模拟性能强。本系统充分利用了ABAQUS提供的各种类型的材料模型库和强大的有限元建模能力和数值分析能力，对于高度非线性问题，用户通过准确的定义参数就能很好的控制数值计算结果。 （2） 计算精确。通过利用ABAQUS的求解器，可以精确地完成复杂的有限元分析计算。 （3） 操作简单。通过我们开发的图形用户界面，用户只需要简单的鼠标和键盘操作，即可完成以前需要专业人员花费大量时间和精力才能完成的复杂工作，大大节省了工程技术人员宝贵的科研时间。 （4） 结果明晰。直接将沥青路面结构、路面结构内剪应力分布、永久变形虚拟图形和数据等内容以图形形式展现，表现形式生动直观，路面车辙变形预测结果一目了然。
获奖情况及鉴定结果
- 本作品于2011年4月获长安大学第七届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛特等奖。 本作品于2011年4月14日，经教育部科技查新工作站（G01）查新鉴定，在检索到的文献中未见与本项目查新点相同的文献报道。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 专利转让
作品可展示的形式
- 磁盘 现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本系统基于有限元分析法，采用python语言实现，对ABAQUS有限元分析软件进行二次开发，利用ABAQUS的脚本接口及python语言，对ABAQUS支持沥青公路研究方面功能进行强化的同时，固定其中的有效参数，便于研究人员对沥青路面的车辙进行研究和预测。按照我国高速公路网建设规划，今后若干年，我国还将修筑大量的高速公路，另外，早期修建的高速公路也面临着大修与改扩建，所以提高沥青路面的设计质量和养护质量意义重大，也是我国公路建设和管理部门孜孜以求的目标，所以本作品成果具有良好的推广应用前景，对防治路面病害、减少维修，提高投资效益具有重要意义。
同类课题研究水平概述
- 现有的路面结构设计系统，例如HPDS路面结构设计系统，尽管它拥有良好的用户界面，功能齐全，并且数据输入采用可视化、全屏幕的窗口输入方式，操作简单方便，但是该系统没有强大的前后处理能力和强大的分析计算能力，考虑因素不全面，表现形式不够直观，通用性和实用性差。 ABAQUS有限元分析程序拥有强大的非线性处理能力和丰富的粘弹性材料单元库，因此目前在沥青路面车辙以及沥青混合料永久变形模拟分析中应用广泛。美国普渡大学、加州大学伯克利分校等相关高校以及美国国家协作公路研究计划（NCHRP）项目均采用ABAQUS有限元分析软件模拟分析沥青路面在车辆荷载作用下的车辙变形。近年来，我国同济大学、东南大学以及长安大学等高校科研单位采用ABAQUS有限元软件研究沥青路面在加速加载试验中的动态响应、荷载形式、沥青路面材料以及沥青路面结构与沥青路面车辙的关系，并根据ABAQUS的模拟分析结果建立了沥青路面车辙预估模型。 虽然ABAQUS有限元分析软件模拟分析功能非常强大，结果明晰，计算精确，用途相当广泛，但是ABAQUS有限元分析软件使用过程太过于复杂，学习周期长，掌握难度大，在公路研究方面，涉及到路面结构模型建立、材料模型选择以及材料参数和交通参数输入等复杂的问题，尤其是其繁琐的操作方法，让很多研究人员头痛不已，浪费了很多宝贵的科研时间。 因此，ABAQUS有限元软件在应用中的不足是很显而易见的，发挥其分析功能的优势，在其基础上开发简单直观、易于操作的沥青路面车辙预估系统尤为必要。
