一种沥青混合料细观有限元建模方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种沥青混合料细观有限元建模方法，包括以下步骤：(1)制备沥青混合料试件；(2)对试件的横截面拍照得到横截面照片；(3)对照片进行图像处理得到黑白图像；(4)利用数据处理软件的提取边界命令提取骨料颗粒的轮廓；(5)将分离的骨料颗粒重新生成轮廓清晰的图像；(6)提取图像轮廓转换为命令流；(7)将命令流文件导入有限元软件中，生成有限元模型；(8)将生成的有限元模型根据其自身特性赋予材料属性即得。本发明专利技术以真实的试件为基础建模，通过将试件照片图像处理，再将其转化为命令流以能够直接导入到有限元软件中，能够有效区分试件组，提高容错率，利于批处理，模型更接近真实，用于力学计算可靠性更高。

A micro finite element modeling method of asphalt mixture and its application

【技术实现步骤摘要】
一种沥青混合料细观有限元建模方法及其应用
本专利技术涉及道路仿真计算领域，特别涉及沥青混合料细观有限元建模方法。
技术介绍
沥青路面早期破坏一直是工程界的一大难题，而沥青路面研究的难点是其黏弹特性导致的。现有的黏弹性本构模型若要满足实际道路黏弹特性需要特别多的参数来表达，导致计算困难；通常采用有限元软件模拟求解，在此过程中多用匀质的矩形或立方体来简化真实的沥青混合料或沥青路面。为了得到更接近真实解的计算结果，应该建立含有骨料颗粒和沥青砂浆的多相模型。而现有的有限元建模方法中采用图像接口转化直接导入，在导入过程中由于图片的信息比较丰富，软件对于图像中涉及到的骨料和胶浆的识别会出现在颜色相似的地方由于难以区分边界而识别出错。且对图象格式的要求极其不常见，在转换中可能出现问题。除此以外，在图像批量导入和处理过程中计算量过大导致导入速度慢，费时，且容易出错，极大影响稳定性和计算效率。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种沥青混合料细观有限元模型方法。该方法首先将试件照片经二值化处理得到黑白图像，然后提取骨料颗粒的轮廓，接着将轮廓重新生成清晰的图像，再将其转化为命令流以能够直接导入到有限元软件中，能防止由于接口问题导致的图片直接导入错误，整个过程只需要进行一次图片处理，并重新轮廓清晰的图像，能有效区分试件组分，容错率更高，大幅降低直接导入原始图片的错误，降低导入和处理时间。再在该基础上进行各组分的建模能够得到更接近真实的模型，用于力学计算可靠性更高。本专利技术提供的技术方案如下：<br>一种沥青混合料细观有限元建模方法，包括以下步骤：(1)制备沥青混合料试件；(2)对试件的横截面拍照得到横截面照片；(3)对照片进行图像处理得到黑白图像；(4)利用数据处理软件的提取边界命令提取骨料颗粒的轮廓；(5)将分离的骨料颗粒生成轮廓清晰的图像；(6)提取图像轮廓转换为命令流，生成有限元软件能够识别的命令文件；(7)将命令文件导入有限元软件中，利用布尔运算，生成对应的有限元模型；(8)将生成的有限元模型根据其自身特性赋予材料属性即得。优选的，所述步骤(1)中沥青混合料试件的按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-2011)中规定的沥青混合料试件制作要求制作。更优选的为采用马歇尔试件。优选的，所述步骤(3)中图像处理方法包括MATLAB中的腐蚀、滤波和阈值分割的方法。进一步，所述步骤(3)中黑白图像中黑色部分为砂浆，白色部分为骨料。进一步，所述砂浆包括细集料和沥青胶浆，其中细集料的粒径小于2.36mm。进一步，所述步骤(4)中提取骨料颗粒的轮廓的方法如下：将步骤(3)得到的黑白图像利用MATLAB进行开运算，使集料边界圆滑；用边界提取命令提取骨料颗粒的轮廓得到各个骨料颗粒的轮廓图像。优选的，边界提取使用edge函数进行。进一步，所述步骤(5)中重新生成轮廓清晰的图像的方法如下：将步骤(4)提取的骨料颗粒轮廓图像利用MonteCarlo方法，依据设计级配要求选取合适的颗粒轮廓图像，以随机角度在投放区域内随机位置投放，得到更易识别的图像。这种图像既保留了真实骨料颗粒的特性又能方便图像读取以及提取更准确的信息。进一步，所述步骤(6)中将图像轮廓转换为命令流的方法如下：利用MATLAB中的多边形函数，将轮廓信息转化为多边形(多边形变数越多，保留的颗粒形状越详细)顶点信息，提取顶点的坐标信息，得到命令文件。进一步，所述步骤(7)中通过将命令文件导入到有限元软件中，将顶点的坐标信息根据点连成线，线生成面的方式生成相同分布的骨料组件，利用布尔运算生成完整的相应的二维模型。进一步，所述步骤(8)中骨料和砂浆各自赋予不同性质的材料属性。进一步，骨料属性根据选用的真实骨料类型定义弹性模量和泊松比，沥青砂浆材料属性根据力学分析需求选取合适的黏弹性参数。本专利技术的另一目的在于提供利用上述沥青混合料细观有限元建模方法应用于沥青混合料力学计算。本专利技术的有益效果：(1)该有限元模型以真实的试件为基础建立，能很好的模拟真实的沥青混合料形态，增加力学计算的可靠性；(2)该方法通过将试件照片图像处理，再将其转化为命令流以能够直接导入到有限元软件中，能防止由于接口问题导致的图片直接导入错误，且能有效区分试件组分的，容错率更高，大幅降低直接导入图片的错误，降低导入和处理时间，更利于批量数据处理和计算；(3)通过重新生成的图像更易区分各组分的边界，再在该基础上进行各组分的建模能够得到更接近真实的模型，用于力学计算可靠性更高。附图说明图1是本专利技术沥青混合料细观模型的骨料部分示意图；图2是本专利技术沥青混合料细观模型的沥青胶浆部分示意图；图3是本专利技术沥青混合料细观模型的示意图；图4是实施例1试件的照片；图5是实施例1的二值图；图6是实施例1的重新生成的轮廓清晰的图像；图7是实施例1的模型计算结果云图；图8是实施例1的匀质模型计算结果云图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进一步说明，本专利技术的内容完全不限于此。一种沥青混合料细观有限元建模方法，包括以下步骤：(1)制备沥青混合料试件；(2)对试件的横截面拍照得到横截面照片；(3)对照片进行图像处理得到黑白图像；(4)利用数据处理软件的提取边界命令提取集料颗粒的轮廓；(5)将分离的骨料颗粒重新生成轮廓清晰的图像；(6)提取图像轮廓转换为命令流，生成有限元软件能够识别的命令文件；(7)将命令文件导入到有限元软件中生成对应的有限元模型；(8)将生成的有限元模型根据其自身特性赋予材料属性即得。优选的，所述步骤(1)中沥青混合料试件的制备方法如下：按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-2011)中规定的沥青混合料试件制作要求制作。更优选的为采用马歇尔试件。优选的，所述步骤(3)中图像处理方法包括MATLAB中的腐蚀、滤波和阈值分割的方法。进一步，所述步骤(3)中黑白图像中黑色部分为砂浆，白色部分为骨料。图像处理后的黑白图像如图4所示。进一步，所述砂浆包括细集料和沥青胶浆，其中细集料的粒径小于2.36mm。进一步，所述步骤(4)中提取骨料颗粒的轮廓的方法如下：将步骤(3)得到的黑白图像利用MATLAB进行开运算，使骨料边界圆滑；用边界提取命令提取骨料颗粒的轮廓得到各个骨料颗粒的轮廓图像。优选的，边界提取使用edge函数进行。进一步，所述步骤(5)中用分离的集料颗粒生成轮廓清晰的图像的方法如下：将步骤(4)保存的骨料颗粒利用MonteCarlo方法，依据设计级配要求选取合适的颗粒轮廓图像，以随机角度在投放区域内随机位置投放，得到更易识别的图像。这种图像既保留了真实骨料颗粒的特性又能方便图像读取以及提取更准确的信息。...

【技术保护点】
1.一种沥青混合料细观有限元建模方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)制备沥青混合料试件；/n(2)对试件的横截面拍照得到横截面照片；/n(3)对照片进行图像处理得到黑白图像；/n(4)利用数据处理软件的提取边界命令提取骨料颗粒的轮廓；/n(5)将分离的骨料颗粒重新生成轮廓清晰的图像；/n(6)提取图像轮廓转换为命令流，生成有限元软件能够识别的命令文件；/n(7)将命令文件导入有限元软件中，利用布尔运算，生成对应的有限元模型；/n(8)将生成的有限元模型根据其自身特性赋予材料属性即得。/n

【技术特征摘要】
1.一种沥青混合料细观有限元建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备沥青混合料试件；
(2)对试件的横截面拍照得到横截面照片；
(3)对照片进行图像处理得到黑白图像；
(4)利用数据处理软件的提取边界命令提取骨料颗粒的轮廓；
(5)将分离的骨料颗粒重新生成轮廓清晰的图像；
(6)提取图像轮廓转换为命令流，生成有限元软件能够识别的命令文件；
(7)将命令文件导入有限元软件中，利用布尔运算，生成对应的有限元模型；
(8)将生成的有限元模型根据其自身特性赋予材料属性即得。


2.根据权利要求1所述的沥青混合料细观有限元建模方法，其特征在于：所述步骤(3)中黑白图像中黑色部分为砂浆，白色部分为骨料。


3.根据权利要求2所述的沥青混合料细观有限元建模方法，其特征在于：所述砂浆包括细集料和沥青胶浆，其中细集料的粒径小于2.36mm。


4.根据权利要求1所述的沥青混合料细观有限元建模方法，其特征在于：所述步骤(4)中提取骨料颗粒轮廓的方法如下：将步骤(3)得到的黑白图像利用MATLAB进行开运算，使骨料颗粒边界圆滑；用边界提取命令提取骨料颗粒的轮廓得到各个骨料颗粒的轮廓图像。


5.根据权利要求1所述的沥青混合料细观...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤文，胡秋悦，王欢，
申请(专利权)人：武汉科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42