沥青路表裂缝与结构内部损伤的机理-数据混合建模研究
批准号:
52108423
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
罗雪
依托单位:
学科分类:
道路与轨道工程
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
罗雪
中文摘要
路表裂缝识别为沥青路面智慧化管养提供大量数据支持,但路表破损率并不能反映结构内部的真实损伤情况。路面结构内开裂损伤的量化普遍采用力学模型辅助有限元模拟的机理驱动方法,但其包含简化假设,且难以处理多变量的耦合性。数据驱动方法能解决多变量问题,但是对裂缝发展动态特性及不确定性缺乏物理、力学定义。因此,本项目以沥青路面Top-Down裂缝为例,拟开展路表裂缝与结构内部损伤关联性的机理-数据混合建模研究,展示两种方法融合在突破技术瓶颈上的优势:基于材料和结构层级的开裂机理研究,提出数据驱动建模中关键参数的选择方法;构建机理模型与数据模型结合的逆向智能算法,解决现场面层结构开裂损伤的量化问题;以大规模的数据分析刻画现场路面开裂行为方式和规律,通过数据建模涵盖多因素间的隐式关联,实现由路表裂缝数据到结构内部损伤的快速、准确计算。为将沥青路面智能巡检从路表破损测量拓展到结构层损伤评价提供理论与技术支撑。
英文摘要
Nowadays automated pavement crack detection could only measure cracks on the surface; those inside the structural layer are not included. The model-driven approach like the numerical modeling plus mechanistic models is the most popular way to quantify the crack damage in asphalt pavements. However, this kind of approach suffers from issues like assumptions, prediction accuracy, and extensive testing requirements due to the complexity involved in a field cracking process. Compared to the model-driven approach, the data-driven approach could consider as many factors as possible, but it lacks of input selection criteria and physical-mechanical definitions of crack propagation characteristics. Therefore, taking the longitudinal top-down cracking in asphalt pavements as an example, this project aims at proposing a hybrid modeling technique to overcome the limitations of using model-driven or data-driven alone. The mechanism investigations on the material- and structure-level provide the input selection criteria for the data-driven modeling process. The data-based analysis would depict the network-level behaviors of top-down cracking in the field. In addition, a mechanism-based model and a data-based model are combined to perform an inverse analysis of the actual crack damage of the asphalt layer in the field. Finally, a data-driven model could be established to connect the surface cracking damage to those inside the asphalt layer, which would promote the development of a more comprehensive automated pavement crack detection technique.
路表裂缝的识别为沥青路面智慧化管养提供了大量数据支持,但路表破损率无法反映路面结构内部的真实损伤情况。目前,量化路面结构内开裂损伤通常采用基于力学模型辅助有限元模拟的机理驱动方法。然而,此方法受制于简化假设,难以有效处理多变量之间的耦合关系。尽管数据驱动方法能够解决多变量问题,但其在裂缝发展动态特性及不确定性方面缺乏明确的物理和力学定义。.因此,本项目在材料层级和结构层级分别构建了沥青混合料和沥青面层结构的机理-数据融合方法,并探索了两者结合及优势发挥的优化路径。在材料层级,为实现沥青混合料的高次疲劳预测,本项目构建了基于时间-应变叠加效应的损伤密度主曲线模型,并在多物理场耦合平台中开发了单元体试件的动态疲劳虚拟测试方法。通过实验与模拟数据,建立了一种基于材料分类器优化的机理-数据融合神经网络模型,利用大样本低保真模拟数据与小样本高保真试验数据相结合,对沥青混合料疲劳开裂的损伤密度进行准确求解。.在结构层级,本项目构建了沥青面层粘弹性损伤计算模型及基于伪J积分能量指标的疲劳损伤表征方法,以更准确地描述路面在长期荷载作用下的力学响应与损伤机理,生成了不同工况下面层损伤分布和位移场等关键数据,为后续分析提供了基础数据支持。同时,建立了结合结构粘弹性损伤模型和数据模型的逆向工程算法,基于落锤式弯沉仪采集的弯沉数据,反演出路段疲劳开裂损伤密度的演化规律,为养护决策提供了一种全新的评估指标。通过浙江省高速公路试验路段验证了该模型和算法的准确性,并利用美国长期路面性能数据库计算了多段路面的损伤密度演化,揭示内部损伤增长可分为三种类型,其趋势与沥青层厚度密切相关。更进一步,构建了路面内部损伤密度与路表裂缝之间的量化关系数学模型,揭示内部损伤显现明显早于路表裂缝的发生。模型预测的维修养护节点与实际记录的养护时间高度吻合,且结果不受具体维修方法的影响,展现出良好的适用性和可靠性。.通过理论模型、数据分析与智能算法的融合,本研究实现了机理与数据的有效结合,突破了传统方法的局限性,在准确性、计算效率和智能化水平等方面取得了显著提升。在应用层面,该方法成功克服了基于路表裂缝评估的滞后性问题,为沥青路面智能巡检从路表破损测量拓展到结构层损伤评价提供了坚实的理论与技术支持。
人工智能赋能沥青公路网疲劳退化研究
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批准号:LZ21E080002
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项目类别:省市级项目
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资助金额:0.0万元
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批准年份:2020
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负责人:罗雪
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依托单位:
国内基金
海外基金