Application of hp - adaptive FEM, local numerical homogenization and discrete element method to modelling of asphalt pavement structures

• Autorzy: Klimczak M. , Cecot W. , Rachowicz W.

Warianty tytułu

Zastosowanie hp-adaptacyjnej MES, lokalnej homogenizacji numerycznej oraz metody elementów dyskretnych do modelowania konstrukcji nawierzchni asfaltowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents the novel approach to modelling of asphalt pavement structures. Analysed medium exhibits a complex behaviour due to its specific structure. It is a multi-layered domain consisting of both bound asphalt layers and unbound layers of the compacted aggregate (e.g. the base course or the anti-frost layer). The first layer type can be modelled as a continuum, whereas the latter should be modelled as a composition of small, separable bodies being in contact. Moreover, the asphalt mixture reveals strong heterogeneity. Its main constituents (the aggregate and the bituminous binder) exhibit completely different response to the applied load. Thus, a specific approach is proposed to consider this complexity. Presented approach enables one to avoid costly laboratory or ‘in situ’ tests performed to evaluate the response of the adopted pavement structure. In order to account for the heterogeneity of the asphalt mixture, local numerical homogenization is used. Brief description of this computational homogenization method is presented. The aggregate is assumed to be elastic and the binder is modelled as a Burgers visco-elastic material. The latter model is also briefly described. Numerical modelling of the asphalt layers is performed using hp-adaptive FEM. Its integration with local numerical homogenization is presented in details. Numerical modelling of the unbound layers is done using discrete element method (DEM). Results of preliminary numerical tests that confirm the efficiency of the proposed approach are presented.

PL

Artykuł przedstawia nowe podejście do modelowania konstrukcji nawierzchni asfaltowych. Analizowany ośrodek wykazuje złożone zachowanie ze względu na swą specyficzną budowę. Jest to ośrodek wielowarstwowy składający się z zarówno ze związanych asfaltem warstw nawierzchni, jak i niezwiązanych warstw z zagęszczonego kruszywa (np. podbudowa lub warstwa mrozoochronna). Pierwszy z wymienionych rodzajów warstw może być modelowany jako continuum, natomiast drugi z nich powinien być modelowany jako ośrodek dyskretny. Ponadto, mieszanka asfaltowa wykazuje silną niejednorodność budowy. Jej główne składniki (kruszywo i lepiszcze asfaltowe) charakteryzują się zupełnie odmienną odpowiedzią na działające obciążenie. Uwzględnienie całej opisanej wyżej złożoności problemu wymaga specjalnego podejścia. Zaproponowano sposób analizy, który pozwala na uniknięcie kosztownych badań laboratoryjnych lub polowych wykonywanych w celu przewidzenia zachowania przyjętej konstrukcji nawierzchni. W celu uwzględnienia niejednorodnej budowy mieszanki mineralno-asfaltowej wykorzystano lokalną homogenizację numeryczną. Przedstawiono krótki opis tej metody komputerowej homogenizacji. Kruszywo zamodelowane zostało jako materiał sprężysty, natomiast dla lepiszcza asfaltowego założono lepko-sprężysty model Burgersa. Został on krótko opisany. Dotychczas wszystkie testy numeryczne zostały wykonane przy założeniu o stałej temperaturze. Do numerycznego modelowania warstw asfaltowych zastosowano hp-adaptacyjną MES. Jej integracja z lokalną homogenizacją numeryczną została szczegółowo przedstawiona. Do numerycznego modelowania warstw niezwiązanych spoiwami wykorzystano metodę elementów dyskretnych (DEM). Przedstawiony został krótki opis tej metody. W artykule zaproponowano podejście służące wiarygodnemu modelowaniu konstrukcji nawierzchni asfaltowych. Przedstawione zostały wyniki wstępnych testów numerycznych. Potwierdzają one zasadność proponowanego podejścia. Dalsze prace badawcze poświęcone będą uwzględnieniu wpływu temperatury na zachowanie mieszanki mineralno-asfaltowej, aby uczynić model jeszcze lepiej odwzorowującym rzeczywistość.

Słowa kluczowe

EN

Zip-adaptive FEM; local numerical homogenization; discrete element method

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 13, No. 4
• Strony: 471--479
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys.

Twórcy

autor

Klimczak M.

• Cracow University of Technology, ul. Warszawska 24, 31-155 Krakow

autor

Cecot W.

• Cracow University of Technology, ul. Warszawska 24, 31-155 Krakow

autor

Rachowicz W.

• Cracow University of Technology, ul. Warszawska 24, 31-155 Krakow

Bibliografia

• Abbas, A., Masad, E., Papagiannakis, T., Harman, T., 2007, Micromechanical Modeling of the Viscoelastic Behavior of Asphalt Mixtures Using the Discrete Element Method, International Journal of Geomechanics, 7(2), 131-139.
• Collop, A. C, Scarpas, A. T., Kasbergen, C, de Bondt, A., 2003, Development and finite element implementation of a stress dependent elasto-visco-plastic constitutive model with damage for asphalt, Transportation Re-search Record: Journal of the Transportation Research Board, 1832, 96-104.
• Demkowicz, L., 2006, Computing with hp-adaptive Finite Elements, Vol. 1, One and two dimensional elliptic and Maxwell problems, Chapmann and Hall, New York.
• Demkowicz, L., Kurtz, J., Pardo, D., Paszynski, M., Rachowicz, W., and Zdunek, A., 2008, Computing with hp-adaptive Finite Elements, Vol. 2, Frontiers: Three dimensional elliptic and Maxwell problems with applications, Chapmann and Hall, New York.
• Geers, M., Kouznetsova, V., Brekelmans, W., 2003, Multi-scale first-order and second-order computational homogenization of microstructures towards continua, International Journal for Multiscale Computational Engineering, 1(4), 371-386.
• Jhurani. C. K.. Demkowicz. L.. 2009. ICES Reports 09-34-09-36, The University of Texas at Austin, available online
• at: https://www.ices.utexas.edu/research/reports/, last access: 24.01.2014.
• Jhurani, C. K., 2009, Multiscale Modeling Using Goal-oriented Adaptivity and Numerical Homogenization, the disserta¬tion, The University of Texas at Austin.
• Klimczak, M., Cecot, W., 2011, Local homogenization in modeling heterogeneous materials, Czasopismo Techniczne, 3, 1-B, 87-94, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej.
• Klimczak, M., Cecot, W., 2013, Local numerical homogenization in modeling of heterogeneous visco-elastic materials, Computer Methods in Materials Science, 13, 2, 226-230.
• Rojek, J., 2007a, Discrete element modeling of rock cutting, Computer Methods in Materials Science, 7, 2, 224-230.
• Rojek, J., 2007b, Modeling and simulation of complex problems of nonlinear mechanics using the finite and discrete methods, IFTR Report 4/2007, Warsaw (in Polish).
• Serafin, M., 2012, Application of hp-adaptive finite element method to two-scale computation, the dissertation, Cracow University of Technology, Cracow.
• Šmilauer, V., Chareyre, B., 2010, Yade Dem Formulation, in Yade Documentation, ed., Śmilauer, V., The Yade Project, 1st ed., available online at: http://yade-dem.org/doc/formulation.html, last access: 24.01.2014.
• Woldekidan, M. F., 2011, Response Modeling of Bitumen, Bituminous Mastic and Mortar, the dissertation, Technische Universiteit Delft, Delft.
• Woldekidan, M. F., Huurman, M., Vaccari, E., Poot, M., 2012, Meso Mechanical Analysis of Asphalt Concrete Response, Proceedings of the International Symposium on Heavy Duty Asphalt Pavements and Bridge Deck Pavements, Nanjing.