一种沥青路面结构设计应力响应的跨尺度分析方法技术

本发明专利技术公开了一种沥青路面结构设计应力响应的跨尺度分析方法，该方法包括以下步骤：根据实际结构和荷载参数建立路面的三维整体宏观模型，获得各层应力响应及切割边界位移；建立路面二维宏观和细观尺度子模型，分析得出宏观及细观尺度子模型的应力响应；最后将三维整体宏观模型的应力响应与二维宏观和细观尺度子模型进行对比。本发明专利技术基于沥青路面试件的有限元分析，完成了路面从三维整体宏观模型到二维宏观尺度子模型，再到细观尺度子模型的跨尺度分析，将不同尺度模型通过切割边界位移联系起来，能更好地解释路面结构的尺度效应，优化沥青路面结构和材料组合设计。

A cross scale analysis method for stress response of asphalt pavement structure design

The invention discloses a multi-scale analysis design method for asphalt pavement structure stress response, the method comprises the following steps: establish three-dimensional macro model of pavement structure and parameters according to the actual load, the stress response and cutting boundary layer displacement; pavement established two dimensional macro and meso scale model analysis the macro and meso scale model of stress response; finally the three-dimensional macro model of stress response and 2D macro and meso scale model comparison. The invention is based on finite element analysis of asphalt pavement, the pavement from the whole 3D model to 2D macro scale sub model, and then cross scale analysis of the meso scale model, different scale model by cutting boundary displacement together, can better explain the scale effect of the pavement structure, asphalt pavement structure optimization and the material composition design.

【技术实现步骤摘要】
一种沥青路面结构设计应力响应的跨尺度分析方法
本专利技术涉及数字图像处理技术，尤其涉及一种沥青路面结构设计应力响应的跨尺度分析方法。
技术介绍
对于路面结构来说，目前的研究方法主要分为宏观力学方法和细观力学方法两种，当前的沥青路面结构分析设计从宏观尺度考虑，将沥青路面材料简化为连续均匀的弹性介质。而在细观尺度上，沥青路面材料表征为多相复合材料，呈现出一定的各向异性，其破坏受到材料细观特性多重耦合因素的影响。路面结构与材料的宏观性能受到细观结构的影响，宏观失效是由细观失效发展所致的，目前基于沥青路面结构的细观尺度分析方法还处于前期探索阶段，且主要集中在对沥青混合料力学特性的表征方面，研究方法以离散元和边界元模型为主，建模难度大、计算时间较长，且与宏观路面结构分析模型对应不够密切。现有技术中，没有一个较为完善的方法将基于宏观角度分析方法与基于细观角度分析方法联系起来，对比两种尺度分析结果来研究沥青路面尺度效应。因此，有必要针对现有技术进行改进。相对而言，有限元模型则较为简单、成熟可靠，也更容易在宏观模型与细观模型之间建立起有效的联接和对应关系。因此，建立起沥青路面结构与材料设计的宏观—细观跨尺度有限元模型，将能更好的揭示沥青材料内部结构与宏观特性之间的相互关系，能够优化沥青路面结构与材料组合设计，为沥青路面结构与材料组合设计的发展提供新的有益思路，减少早期病害并有效提升沥青路面的使用寿命和服役性能。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种沥青路面结构设计应力响应的跨尺度分析方法，该方法将不同尺度模型通过切割边界位移联系起来，能够更好地解释路面结构的尺度效应，优化沥青路面结构和材料组合设计。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种沥青路面结构设计应力响应的跨尺度分析方法，包括以下步骤：步骤1)进行沥青路面的三维宏观尺度应力响应分析；选取研究路面，根据路面的结构参数、荷载参数及边界条件建立沥青路面的三维整体宏观模型，并将三维整体宏观模型划分为若干个网格；对三维整体宏观模型进行整体计算分析，获得各层应力状态以及模型的切割边界位移；所述结构参数包括复合式沥青路面结构层每层所用材料，及材料的厚度、弹性模量、泊松比；所述荷载参数包括宏观模型中所施加的荷载类型、荷载大小及荷载的几何位置；所述边界条件包括三维宏观模型中施加的边界条件，所述边界条件按照路面结构的受力和变形特征来施加；所述切割边界位移是指在原有三维宏观模型的分析结果的基础之上，通过模型切割得到切割边界，切割边界的位移称之为切割边界位移；步骤2)沥青路面局部子模型二维宏观与细观尺度分析；具体如下：2.1)根据真实的道路截面图像，利用ANSYS软件建立细观尺度子模型，其坐标系保持与宏观模型的坐标系一致，以宏观三维路面模型中切割边界位移作为位移强制荷载施加在细观尺度子模型边界上；2.2)提取与细观尺度子模型形状大小相同，视为连续均匀材料的宏观尺度子模型作为对比子模型；2.3)计算分析细观及宏观尺度子模型的应力响应；步骤3)跨尺度模型应力响应结果分析；将三维整体宏观模型的应力响应与二维宏观尺度和细观尺度子模型的应力响应进行对比分析，分析获得路面结构的尺度效应。按上述方案，在所述的步骤(2)中，根据真实的道路截面图像建立细观尺度子模型的具体过程为：首先提取真实的道路截面图像，再对道路截面图像进行二值化处理，接着将已二值化的图像转化为CAD软件可识别的矢量图，最后矢量图由CAD软件导入ANSYS软件，建立细观模型。按上述方案，矢量图的转化过程为：测定研究路面的实际尺寸单位与像素单位之间比例，并将像素单位坐标转化为实际尺寸单位坐标，完成图像的矢量化过程。按上述方案，在步骤(2)中所建立的宏观尺度子模型和细观尺度子模型，两个子模型的边界条件、几何形状大小均相同。本专利技术产生的有益效果是：本专利技术完成了路面从三维整体宏观模型到二维宏观尺度子模型，再到细观尺度子模型的跨尺度分析，运用切割边界位移的方法将不同尺度的模型联系起来，该方法能够简化沥青路面结构跨尺度建模过程，能准确模拟小尺度模型的边界位移条件。对应力响应的跨尺度分析表明，细观尺度模型中应力分布的规律性不如宏观尺度模型，但细观模型应力响应数值局部准确度比宏观模型高50％以上。由此证明，跨尺度有限元分析模型可适用于现有的沥青路面结构应力响应分析。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1是本专利技术实施例的跨尺度模型分析流程图；图2是本专利技术实施例的沥青路面三维宏观模型图；图3是本专利技术实施例的沥青路面宏观模型单元划分示意图；图4是本专利技术实施例的二维宏观尺度子模型示意图；图5是本专利技术实施例的二维细观尺度子模型示意图；图6是本专利技术实施例的沥青混合料界面矢量化转化过程示意图；图7是本专利技术实施例的从三维宏观模型计算结果中提取二维模型切割边界位移示意图；图8是本专利技术实施例的宏观与细观尺度子模型上施加切割边界位移荷载示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。如图1所示，本专利技术所述的沥青路面结构设计应力响应的跨尺度分析方法包括以下步骤：步骤一：沥青路面的三维宏观尺度应力响应分析选取研究路面，根据所选路面的结构参数、荷载参数及边界条件运用ANSYS软件建立三维整体宏观模型，并将模型划分为若干个网格；对模型进行整体计算分析，获得各层应力状态以及后续子模型对应的切割边界位移。其中结构参数是指复合式沥青路面结构层每层所用材料，及材料的厚度、弹性模量、泊松比等；荷载参数是指宏观模型中所施加的荷载类型、荷载大小及荷载的几何位置，这里的荷载类型取双轮双轴荷载形式，采用标准轴载BZZ-100，单轮荷载取为18.9cm×18.9cm的方形面积，车辆两轮间距为32cm，轴宽为182cm；边界条件是指三维宏观模型中所施加的边界条件，具体的边界条件按照路面结的构受力和变形特征来施加。所述切割边界位移是指在原有三维宏观模型的分析结果的基础之上，通过模型切割得到切割边界，切割边界的位移称之为切割边界位移，提取出计算结果中切割边界的位移作为位移强制荷载施加在后续二维宏观及细观子模型上，重新进行分析求解。步骤二：沥青路面局部子模型二维宏观--细观尺度分析根据真实的道路截面图像，利用ANSYS软件建立细观尺度子模型，其坐标系保持与宏观模型的坐标系一致，以宏观三维路面模型中切割边界位移作为位移强制荷载施加在子模型边界上。与此同时，提取与细观尺度子模型形状大小相同，但视为连续均匀材料的宏观尺度子模型作为对比，如图4。细观子模型从细观介质力学的角度出发，将材料看作是细观多相复合介质。计算分析细观及宏观尺度子模型的应力响应。为了将宏观三维模型与宏观及细观尺度子模型联系起来，运用了子模型的方法，通过模型切割截取二维局部区域子模型，并重新划分网格，并将整体三维宏观模型的切割边界位移作为位移强制荷载施加到子模型的边界上，重新进行分析求解，从而获取二维细观及宏观尺度的应力响应。所述的步骤二中，根据真实的道路截面图像建立细观尺度子模型的具体过程为：首先提取真实的道路截面图像，再在WinToPoPr本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种沥青路面结构设计应力响应的跨尺度分析方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1)进行沥青路面的三维宏观尺度应力响应分析；选取研究路面，根据路面的结构参数、荷载参数及边界条件建立沥青路面的三维整体宏观模型，并将三维整体宏观模型划分为若干个网格；对三维整体宏观模型进行整体计算分析，获得各层应力状态以及模型的切割边界位移；所述结构参数包括复合式沥青路面结构层每层所用材料，及材料的厚度、弹性模量、泊松比；所述荷载参数包括宏观模型中所施加的荷载类型、荷载大小及荷载的几何位置；所述边界条件包括三维宏观模型中施加的边界条件，所述边界条件按照路面结构的受力和变形特征来施加；所述切割边界位移是指在原有三维宏观模型的分析结果的基础之上，通过模型切割得到切割边界，切割边界的位移称之为切割边界位移；步骤2)沥青路面局部子模型二维宏观与细观尺度分析；具体如下：2.1)根据真实的道路截面图像，利用ANSYS软件建立细观尺度子模型，其坐标系保持与宏观模型的坐标系一致，以宏观三维路面模型中切割边界位移作为位移强制荷载施加在细观尺度子模型边界上；2.2)提取与细观尺度子模型形状大小相同，视为连续均匀材料的宏观尺度子模型作为对比子模型；2.3)计算分析细观及宏观尺度子模型的应力响应；步骤3)跨尺度模型应力响应结果分析；将三维整体宏观模型的应力响应与二维宏观尺度和细观尺度子模型的应力响应进行对比分析，分析获得路面结构的尺度效应。...

【技术特征摘要】
1.一种沥青路面结构设计应力响应的跨尺度分析方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1)进行沥青路面的三维宏观尺度应力响应分析；选取研究路面，根据路面的结构参数、荷载参数及边界条件建立沥青路面的三维整体宏观模型，并将三维整体宏观模型划分为若干个网格；对三维整体宏观模型进行整体计算分析，获得各层应力状态以及模型的切割边界位移；所述结构参数包括复合式沥青路面结构层每层所用材料，及材料的厚度、弹性模量、泊松比；所述荷载参数包括宏观模型中所施加的荷载类型、荷载大小及荷载的几何位置；所述边界条件包括三维宏观模型中施加的边界条件，所述边界条件按照路面结构的受力和变形特征来施加；所述切割边界位移是指在原有三维宏观模型的分析结果的基础之上，通过模型切割得到切割边界，切割边界的位移称之为切割边界位移；步骤2)沥青路面局部子模型二维宏观与细观尺度分析；具体如下：2.1)根据真实的道路截面图像，利用ANSYS软件建立细观尺度子模型，其坐标系保持与宏观模型的坐标系一致，以宏观三维路面模型中切割边界位移作为位移强制荷载施加在细观尺度子模型边界上；2.2)提取与细观尺...

【专利技术属性】
技术研发人员：付军，刘洁，张小强，王发洲，杨炎卿，谢逸超，左雪娜，李炙彬，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42