改性聚氨酯-水泥混凝土复合道面设计方法、装置及电子设备与流程

本发明涉及路面改造，具体涉及一种改性聚氨酯-水泥混凝土复合道面设计方法、装置及电子设备。

背景技术：

1、机场水泥道面长期承受飞机起降冲击荷载、昼夜温差循环、雨雪侵蚀及除冰剂腐蚀等作用，易出现裂缝、剥落、坑槽等损伤，直接威胁飞行安全，需及时进行修复处理。传统修复材料如普通水泥砂浆、环氧砂浆存在明显局限性：粘结强度低，与水泥基道面界面粘结强度仅0.3~0.8mpa，易出现剥离脱落；脆性大，无法吸收冲击能量，修复后仍易二次开裂；施工周期长，其中固化需24~72小时，需长时间封闭道面，严重影响机场运营效率。普通沥青道面柔韧性优，但高温易软化、低温易脆裂，耐磨和抗变形能力不足，难以适配机场高强度荷载需求，在多雨环境下易发生大面积推移脱层风险，使用寿命短，通常仅1~3年，对飞机运营带来较大安全风险。

2、聚氨酯混凝土作为新型高性能修复材料，相比传统修复材料具备显著优势：（1）、界面粘结力强，与水泥混凝土的粘结强度可达3.0mpa以上，能形成稳固的复合结构，抗剥离、抗冲击能力突出；（2）、柔韧性优异，断裂伸长率可达40%，可有效吸收飞机起降冲击荷载，抑制裂缝萌生与扩展；（3）、耐候性与耐久性佳，在-20℃~60℃的机场服役温度区间性能稳定，抗冻融、抗老化、抗化学腐蚀（抵御燃油、除冰剂侵蚀）能力强，修复后使用寿命可达30年；（4）、施工效率高，常温下2小时即可固化成型，可实现快速开放交通，大幅降低机场封闭成本；（5）、适配性广，可根据道面损伤程度灵活调整配比，满足不同厚度、不同荷载等级的修复需求。

3、正因上述优势，聚氨酯混凝土已逐渐成为机场水泥道面修复的优选材料，并且可对铣刨后的原道面进行等高修复，不影响原道面的设计标高，也避免了加铺导致的总体工期和成本的显著增加。但现有规范或标准主要针对沥青和水泥混凝土加铺的理论计算，缺乏针对改性聚氨酯修复后形成的复合道面的设计方法。

技术实现思路

1、本发明提供了一种改性聚氨酯-水泥混凝土复合道面设计方法、装置及电子设备，以解决缺乏针对改性聚氨酯修复后形成的复合道面设计方法的问题。

2、第一方面，本发明提供了一种改性聚氨酯-水泥混凝土复合道面设计方法，包括以下步骤：根据复合道面的实际结构尺寸，建立三维有限元模型；获取改性聚氨酯的温度依赖型本构关系、水泥混凝土的塑性损伤模型和改性聚氨酯与水泥混凝土之间界面的内聚力本构关系；将改性聚氨酯的温度依赖型本构关系、塑性损伤模型和内聚力本构关系嵌入三维有限元模型，得到修正后的三维有限元模型；获取复合道面的高频冲击荷载谱、三维瞬态温度场数据以及材料老化衰减规律；将高频冲击荷载谱、三维瞬态温度场数据以及材料老化衰减规律输入修正后的三维有限元模型进行仿真计算，得到复合道面的仿真性能参数。

3、本发明提供的改性聚氨酯-水泥混凝土复合道面设计方法，通过将改性聚氨酯的温度依赖型本构、水泥混凝土塑性损伤模型及界面内聚力本构关系嵌入三维有限元模型，并引入高频冲击荷载谱、瞬态温度场及材料老化规律进行多场耦合仿真，实现了对复合道面在真实服役环境下力学响应的精细化模拟。该方法有效突破了传统设计中对材料非线性、界面粘结退化及环境-荷载耦合效应的简化处理局限，解决了复合结构在长期服役中出现的界面剥离、裂缝扩展等难题。

4、在一些可选的实施方式中，获取改性聚氨酯的温度依赖型本构关系包括：获取改性聚氨酯在不同温度下的应力-应变全曲线；对应力-应变全曲线进行拟合得到材料力学参数随温度的变化关系，材料力学参数包括以下中的至少一种：弹性模量、泊松比、抗拉强度和抗压强度；将材料力学参数随温度的变化关系代入预设的本构模型，得到改性聚氨酯的温度依赖型本构关系。

5、该实施方式通过量化温度对改性聚氨酯力学参数的影响，构建了真实反映热-力耦合特性的本构模型，显著提升了复杂温度场作用下道面结构力学响应的仿真精度。

6、在一些可选的实施方式中，获取水泥混凝土的塑性损伤模型包括：获取水泥混凝土的单轴拉伸应力-应变全曲线和单轴压缩应力-应变全曲线；基于单轴拉伸应力-应变全曲线，确定混凝土塑性损伤模型的拉伸损伤因子；基于单轴压缩应力-应变全曲线，确定混凝土塑性损伤模型的压缩损伤因子；获取水泥混凝土的强度折减系数；利用强度折减系数对单轴拉伸应力-应变全曲线和单轴压缩应力-应变全曲线的峰值强度进行折减，并结合拉伸损伤因子和压缩损伤因子，得到水泥混凝土的塑性损伤模型。

7、该实施方式基于单轴拉压全曲线与强度折减系数，构建了水泥混凝土的塑性损伤模型，有效反映了材料在受力过程中的刚度退化与强度衰减特性，提升了复杂应力状态下混凝土材料非线性力学行为模拟的准确性与可靠性。

8、在一些可选的实施方式中，获取改性聚氨酯与水泥混凝土之间界面的内聚力本构关系包括：在改性聚氨酯与水泥混凝土的交界面设置内聚单元；获取内聚单元的初始内聚力本构参数，初始内聚力本构参数包括界面粘结强度及断裂能；界面粘结强度包括法向粘结强度和切向剪切粘结强度；获取界面粘结强度随温度和老化时间变化的试验数据；根据试验数据拟合得到界面粘结强度的温度-老化耦合衰减函数；将温度-老化耦合衰减函数与初始内聚力本构参数结合，构建得到改性聚氨酯与水泥混凝土之间界面的内聚力本构关系。

9、该实施方式通过引入温度-老化耦合衰减函数对界面粘结强度进行动态修正，构建了能够反映环境演化特性的内聚力本构关系，解决了传统模型难以表征界面性能随时间和温度衰退的难题，显著提升了复杂服役环境下改性聚氨酯与水泥混凝土界面粘结失效及脱粘行为的仿真预测精度。

10、在一些可选的实施方式中，在将改性聚氨酯的温度依赖型本构关系、塑性损伤模型和内聚力本构关系嵌入三维有限元模型，得到修正后的三维有限元模型之前，还包括：获取复合试件抗折试验的荷载-位移实测曲线；将改性聚氨酯的温度依赖型本构关系和塑性损伤模型嵌入三维有限元模型，得到测试模型；利用测试模型对复合试件进行抗折仿真计算，获取荷载-位移仿真曲线；计算荷载-位移仿真曲线与荷载-位移实测曲线的相对误差，判断相对误差是否小于或等于预设阈值，若否，则停止迭代调整，将当前参数确定为改性聚氨酯的温度依赖型本构关系和塑性损伤模型的目标参数；若是，则根据相对误差对改性聚氨酯的温度依赖型本构关系、塑性损伤模型中的参数进行迭代调整。

11、该实施方式通过对比复合试件抗折试验的实测曲线与仿真曲线，对改性聚氨酯的温度依赖型本构关系及塑性损伤模型参数进行迭代校验与修正，有效消除了单一材料试验与结构级响应之间的偏差，确保了本构模型参数的准确性与可靠性。

12、在一些可选的实施方式中，在将高频冲击荷载谱、三维瞬态温度场数据以及材料老化衰减规律输入修正后的三维有限元模型进行仿真计算，得到复合道面的仿真性能参数之后，还包括：获取复合道面的预设性能指标，预设性能指标包括抗弯拉强度指标、界面粘结强度指标和设计弯沉量；判断仿真性能参数是否同时满足抗弯拉强度指标、界面粘结强度指标和设计弯沉量；当仿真性能参数不满足抗弯拉强度指标、界面粘结强度指标和设计弯沉量中至少一个时，对复合道面的实际结构尺寸进行调整，并返回至建立三维有限元模型的步骤，直至仿真性能参数同时满足抗弯拉强度指标、界面粘结强度指标和设计弯沉量；当仿真性能参数同时满足抗弯拉强度指标、界面粘结强度指标和设计弯沉量时，将当前的实际结构尺寸作为待复核结构尺寸。

13、该实施方式通过对比仿真性能参数与预设性能指标，构建了基于性能驱动的复合道面结构尺寸迭代优化机制，实现了在复杂服役环境下结构设计的动态调整与精准匹配，有效避免了传统试错法带来的资源浪费，显著提升了复合道面设计的科学性、可靠性与工程适用性。

14、在一些可选的实施方式中，在将当前的实际结构尺寸作为待复核结构尺寸之后，还包括：根据待复核结构尺寸，基于层合板理论计算复合道面的等效弹性模量和等效泊松比，根据等效弹性模量和等效泊松比基于弹性地基板理论方程计算复合道面的理论最大弯拉应力；获取复合道面的材料设计抗弯拉强度；判断理论最大弯拉应力是否小于等于材料设计抗弯拉强度；当理论最大弯拉应力大于材料设计抗弯拉强度时，对复合道面的实际结构尺寸进行调整，并返回至建立三维有限元模型的步骤；当理论最大弯拉应力小于等于材料设计抗弯拉强度时，将待复核结构尺寸确定为复合道面的最终设计尺寸。

15、该实施方式通过引入层合板与弹性地基板理论进行理论解析校核，构建了数值仿真与力学理论的双重验证机制，有效规避了单一仿真手段可能存在的计算偏差，确保了复合道面最终设计尺寸在理论力学层面与数值模拟层面的双重可靠性。

16、第二方面，本发明还提供了一种改性聚氨酯-水泥混凝土复合道面设计装置，装置包括三维有限元模型建立模块、第一获取模块、修正模块、第二获取模块和仿真模块；其中三维有限元模型建立模块用于根据复合道面的实际结构尺寸，建立三维有限元模型；第一获取模块用于获取改性聚氨酯的温度依赖型本构关系、水泥混凝土的塑性损伤模型和改性聚氨酯与水泥混凝土之间界面的内聚力本构关系；修正模块用于将改性聚氨酯的温度依赖型本构关系、塑性损伤模型和内聚力本构关系嵌入三维有限元模型，得到修正后的三维有限元模型；第二获取模块用于获取复合道面的高频冲击荷载谱、三维瞬态温度场数据以及材料老化衰减规律；仿真模块用于将高频冲击荷载谱、三维瞬态温度场数据以及材料老化衰减规律输入修正后的三维有限元模型进行仿真计算，得到复合道面的仿真性能参数。

17、第三方面，本发明提供了一种电子设备，包括：存储器和处理器，存储器和处理器之间互相通信连接，存储器中存储有计算机指令，处理器通过执行计算机指令，从而执行上述第一方面或其对应的任一实施方式的改性聚氨酯-水泥混凝土复合道面设计方法。

18、第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机指令，计算机指令用于使计算机执行上述第一方面或其对应的任一实施方式的改性聚氨酯-水泥混凝土复合道面设计方法。

19、第五方面，本发明提供了一种计算机程序产品，包括计算机指令，计算机指令用于使计算机执行上述第一方面或其对应的任一实施方式的改性聚氨酯-水泥混凝土复合道面设计方法。