一种构建沥青混合料三维空隙模型的方法，它涉及涉及交通运输工程领域，本发明专利技术的目的是针对目前沥青混合料空隙的数值模型无法准确反映真实空隙形态特征的问题。本发明专利技术从空隙的骨架和断面两个维度分别对空隙进行设计；通过提取真实沥青混合料的空隙断面并赋予空隙节点，可实现接近真实空隙特征的模型构建；利用该方法建立的空隙模型模拟沥青混合料的渗流/扩散/力学行为，可有效反映真实沥青路面的性能响应。本发明专利技术空隙模型的设计基本要素为骨架节点位置和空隙断面，通过控制这两个要素的形态指标，可实现不同特征空隙模型的设计，同时将空隙的不规则形态考虑在内。本发明专利技术应用交通运输工程领域。运输工程领域。运输工程领域。
【技术实现步骤摘要】
一种构建沥青混合料三维空隙模型的方法
[0001]本专利技术涉及交通运输工程领域，具体涉及沥青混合料空隙三维模型的特征化设计方法。
技术介绍
[0002]沥青混合料中空隙的存在为水气/腐蚀介质等的传输和扩散提供了通道，同时空隙的不均匀分布对材料受力传递方式具有显著影响，因此在沥青混合料传质特性、细观力学特性的研究中，对于空隙空间分布和细观形态特征的表征非常关键。随着有限单元法和离散单元法等数值求解方法在土木工程材料力学仿真研究中的推广应用，基于数字化空隙模型的沥青混合料渗流/扩散/力学数值模拟被广泛关注，而空隙模型的构建是开展此类研究的基础。由于缺乏对于细观空隙特征的评价方法，以及出于方便建模等方面的考虑，目前仿真几何模型的构建均采用简化的空隙模型，主要包括堆积球阵模型、毛细管模型、管道模型等。
[0003]然而简化的空隙模型忽略了真实空隙复杂的形态特征和空间分布，导致仿真计算结果难以与真实沥青路面的性能响应相匹配，使得求解结果具有明显的局限性。因此构建基于真实空隙形态特征的沥青混合料空隙模型，是提高沥青混合料数值研究结果可靠性的关键。随着工业CT等无损检测技术在土木工程材料领域的推广应用，沥青混合料细观空隙模型的探测成为可能，由此为真实空隙模型的数字化建模提供了新方法。
[0004]然而一方面由于沥青混合料空隙随机性大，变异程度高，特征难以描述；另一方面由于缺乏对于空隙复杂形态的量化评价方法，造成沥青混合料空隙的数值化建模难以反映真实空隙形态，这使得沥青混合料的数值化研究结果无法准确表征真实沥青路面的工作状态。因此，有必要建立一种基于真实空隙形态特征的沥青混合料空隙模型构建方法，实现具有形态特征表征能力的空隙模型的设计和输出。
[0005]而该空隙模型很大程度上受限于沥青混合料试件，空隙的多样性难以充分描述；此外，空隙模型较为随机且不规则，多个随机空隙模型之间缺乏对应的空隙形态特征，不具备对比性。这使得沥青混合料的数值化研究结果无法准确表征真实沥青路面的工作状态。因此，有必要建立一种基于真实空隙形态特征的沥青混合料空隙模型构建方法，实现具有形态特征表征能力的空隙模型的设计和输出。
技术实现思路
[0006]本专利技术的目的是针对目前沥青混合料空隙的数值模型无法准确反映真实空隙形态特征的问题，提出一种构建沥青混合料三维空隙模型的方法。
[0007]本专利技术的一种构建沥青混合料三维空隙模型的方法，它是按照以下步骤进行的：
[0008]步骤一：空隙骨架节点确定
[0009]依据目标空隙设计要求，在目标空隙中选取任意点作为初始空隙节点，建立初始空隙节点的空间坐标X、Y、Z；以初始节点为基点，选取其余空隙节点，并建立每个空隙节点
的空间坐标X、Y、Z；所述的其余空隙节点的Z坐标间距相同；确定初始空隙节点与其余空隙节点的联结关系，记录与该节点相连的空隙节点序号；
[0010]步骤二：空隙节点断面设计
[0011]1)在空隙节点位置确定该空隙高度处的空隙断面轮廓控制点；
[0012]2)在平面坐标系中，确定空隙断面轮廓的控制点坐标X、Y；将控制点坐标X、Y依次输入到Matlab平台csape函数中，计算得到三次样条曲线的计算参数，将三次样条曲线计算参数和空隙轮廓点个数输入到Matlab平台ppval函数中，计算空隙断面轮廓的坐标序列；
[0013]3)将计算得到的空隙断面轮廓坐标序列赋值给空隙节点；
[0014]4)重复以上步骤，直到所有空隙节点的断面轮廓得到定义；
[0015]步骤三：利用线性相似渐变算法计算空隙骨架模型
[0016]将同一Z值高度处的空隙节点和断面视为同一层，提取相邻层空隙断面轮廓点的X、Y坐标，如果相邻两层空隙节点个数均只有一个，执行两空隙线性相似渐变算法；如果相邻两层空隙节点存在某一层为两个或两个以上，执行三空隙线性相似渐变算法；
[0017]所述的两空隙线性相似渐变算法具体步骤如下：
[0018]相邻两层空隙分别记为空隙A和空隙B
[0019]5)计算相邻两层空隙A和空隙B的形心，以轮廓X、Y坐标的均值作为空隙轮廓的形心，通过平移操作将两空隙的形心重合；
[0020]6)在形心位置处沿X方向和Y方向绘制直线，将空隙轮廓分为四个象限；
[0021]7)在每个象限中分别提取空隙轮廓段所对应的控制点坐标，按照均分周长的方式将该象限内的空隙轮廓等间距分为20份，采用线性插值方式计算20份轮廓小段的分割点坐标，重复该操作，对两个空隙轮廓各四个象限的轮廓段进行分割，并记录分割点坐标；
[0022]8)对在同一象限内的两层空隙轮廓段的分割点进行一一对应，连接对应点，按照相邻两层空隙之间的内插断面个数对对应点连线进行等分，重复该步骤对四个象限内的对应点连线均进行等分操作；
[0023]9)将四个象限内的等分点进行对应连线，构成闭合的空隙轮廓曲线，由此计算得到相邻两层空隙之间的相似轮廓曲线；
[0024]10)经过逆向平移操作，将空隙轮廓平移到原始位置，计算得到的空隙轮廓按线性插值方式计算平移距离进行平移操作，使轮廓呈现线性渐变形式；
[0025]所述的三空隙线性相似渐变算法具体步骤如下，其中某层的单个空隙记为空隙A，另外一层的两个空隙分别记为空隙B和空隙C；
[0026]11)分别计算空隙A、空隙B以及空隙C的形心坐标，连接空隙B和空隙C的形心，经过旋转操作使形心连线处于水平方向，此处三个空隙轮廓旋转相同角度；
[0027]12)计算空隙B和空隙C的面积，并按下式计算分界点P位置：
[0028][0029]式中l
BP
——O
B
到点P的距离；
[0030]l
BC
——O
B
到O
C
的距离；
[0031]S
B
——空隙B轮廓的断面面积；
[0032]S
C
——空隙C轮廓的断面面积；
[0033]在P点处做竖直方向直线，将空隙A分为两部分，记为空隙A1和空隙A2；
[0034]13)以空隙B对应空隙A1，空隙C对应空隙A2，分别进行两空隙线性相似渐变算法，计算中间层空隙轮廓；
[0035]14)空隙A向空隙B、空隙C相似渐变的中间高度处视为中间层空隙轮廓的汇合位置，将空隙A分割位置处相邻象限内的中间层空隙轮廓进行融合操作，融合操作具体为选取空隙B区域内计算空隙轮廓20个分割点中前10个点，与空隙C区域内计算空隙轮廓20个分割点中后10个点进行拼接，构成融合后的空隙轮廓坐标，由此计算得到三空隙线性相似渐变算法的中间层空隙轮廓；
[0036]步骤四：导出设计空隙断层扫描图像
[0037]提取出任一层的空隙轮廓坐标，转化为二值化图像，即空隙轮廓内的矩阵点记为0，空隙轮廓外的矩阵点记为1，将矩阵以二值化图像形式输出；
[0038]步骤五：利用CT三维重构软件本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种构建沥青混合料三维空隙模型的方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：步骤一：空隙骨架节点确定依据目标空隙设计要求，在目标空隙中选取任意点作为初始空隙节点，建立初始空隙节点的空间坐标X、Y、Z；以初始节点为基点，选取其余空隙节点，并建立每个空隙节点的空间坐标X、Y、Z；所述的其余空隙节点的Z坐标间距相同；确定初始空隙节点与其余空隙节点的联结关系，记录与该节点相连的空隙节点序号；步骤二：空隙节点断面设计1)在空隙节点位置确定该空隙高度处的空隙断面轮廓控制点；2)在平面坐标系中，确定空隙断面轮廓的控制点坐标X、Y；将控制点坐标X、Y依次输入到Matlab平台csape函数中，计算得到三次样条曲线的计算参数，将三次样条曲线计算参数和空隙轮廓点个数输入到Matlab平台ppval函数中，计算空隙断面轮廓的坐标序列；3)将计算得到的空隙断面轮廓坐标序列赋值给空隙节点；4)重复以上步骤，直到所有空隙节点的断面轮廓得到定义；步骤三：利用线性相似渐变算法计算空隙骨架模型将同一Z值高度处的空隙节点和断面视为同一层，提取相邻层空隙断面轮廓点的X、Y坐标，如果相邻两层空隙节点个数均只有一个，执行两空隙线性相似渐变算法；如果相邻两层空隙节点存在某一层为两个或两个以上，执行三空隙线性相似渐变算法；所述的两空隙线性相似渐变算法具体步骤如下：相邻两层空隙分别记为空隙A和空隙B5)计算相邻两层空隙A和空隙B的形心，以轮廓X、Y坐标的均值作为空隙轮廓的形心，通过平移操作将两空隙的形心重合；6)在形心位置处沿X方向和Y方向绘制直线，将空隙轮廓分为四个象限；7)在每个象限中分别提取空隙轮廓段所对应的控制点坐标，按照均分周长的方式将该象限内的空隙轮廓等间距分为20份，采用线性插值方式计算20份轮廓小段的分割点坐标，重复该操作，对两个空隙轮廓各四个象限的轮廓段进行分割，并记录分割点坐标；8)对在同一象限内的两层空隙轮廓段的分割点进行一一对应，连接对应点，按照相邻两层空隙之间的内插断面个数对对应点连线进行等分，重复该步骤对四个象限内的对应点连线均进行等分操作；9)将四个象限内的等分点进行对应连线，构成闭合的空隙轮廓曲线，由此计算得到相邻两层空隙之间的相似轮廓曲线；10)经过逆向平移操作，将空隙轮廓平移到原始位置，计算得到的空隙轮廓按线性插值方式计算平移距离进行平移操作，使轮廓呈现线性渐变形式；所述的三空隙线性相似渐变算法具体步骤如下，其中某层的单个空隙记为空隙A，另外一层的两个空隙分别记为空隙B和空隙...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐慧宁，石浩，王梦，杨旭升，谭忆秋，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。