一种含有连通孔隙的沥青混凝土截面模拟方法技术

本发明专利技术提供了一种含有连通孔隙的沥青混凝土截面模拟方法，考虑了沥青混凝土中的连通孔隙并结合集料的随机投放，建立可以用于研究连通孔隙以及集料级配对混凝土性能影响的平面数值模型。首先获取沥青混凝土截面原始孔隙边界信息；并进行孔隙分割得到孔隙边界子区域；然后将获得的边界子区域梯形化，采用圆形颗粒填充梯形化的孔隙区域，并采用填充后的圆形颗粒边界替代梯形化区域，作为孔隙边界；最后采用多边形模拟集料，在待投放的区域内进行虚拟集料的生成与投放，最终形成包含连通孔隙的沥青混凝土平面模型。的沥青混凝土平面模型。的沥青混凝土平面模型。

【技术实现步骤摘要】
一种含有连通孔隙的沥青混凝土截面模拟方法


[0001]本专利技术属于沥青混凝土的数值模拟
，具体的是一种含有连通孔隙的沥青混凝土截面模拟方法。

技术介绍

[0002]自Roelfstra提出数值混凝土的概念以来，基于有限元的细观数值模型被广泛地应用于岩石及混凝土的研究中。此后的一段时期内，混凝土有限元细观模型的建立成为了许多研究者研究的热点，涌现了一系列的细观模型建立的新方法，为后期进行沥青混合料细观有限元模拟奠定了模型基础。1993年De Schutter,G和Taerwe,L基于随机颗粒模型采用Delaunay三角形剖分算法模拟了二维混凝土的骨料分布，并根据建立的模型开展了简单的数值模拟，为采用细观模型开展混凝土材料的细观模拟做出了开创性的尝试。随后出现了采用算法生成随机骨料模型并在有限元软件进行剖分有限元网格的细观模型建模方法。2003年Yue,Z Q、Chen,S和Tham,L G以自己开发的数字图像
‑
有限元程序建立沥青混凝土的二维细观模型，并开发了基于数字图像技术建立混凝土细观有限元模型的自研发程序，做出了沥青混凝土细观有限元模型建立程序开发的尝试性探索。
[0003]国内学者以王宗敏、邱志章、徐波、和武亮等人为代表在混合料细观二维有限元模型的建立方面做出贡献。除此之外，2016年王飞和黄宇劼采用MATLAB对混凝土的二维细观力学模型进行了优化研究，并采用凸包生成算法对骨料进行了凸包处理，保证生成的粗骨料均为凸多边形这一特点，丰富了基于算法建立细观混凝土力学模型的方法。2017年西南交通大学的汪奔、王弘和张志强等人在已有的有限元网格上进行混凝土骨料模型的投放，生成了混凝土二维细观有限元模型，该方法的提出一定程度上保证了细观网格模型剖分的质量。
[0004]但是针对沥青混合料细观结构的研究大多集中在密级配沥青混合料上，对大孔隙沥青混合料的有限元模型研究较少，王亚奇采用数字图像技术实现了大孔隙沥青混合料的二维有限元几何建模，但是未能有效的体现大孔隙沥青混合料中存在的连通孔隙，并且建模方法的发展受到了设备条件的限制：原始孔隙边界形状含有较多不规则的形貌，在通用有限元软件通常较难建立复杂的孔隙模型，并且复杂的模型容易导致计算时间的大幅增加，往往导致模拟计算不收敛。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种含有连通孔隙的沥青混凝土截面模拟方法，考虑了沥青混凝土中的连通孔隙并结合集料的随机投放，建立可以用于研究连通孔隙以及集料级配对混凝土性能影响的平面数值模型。
[0006]本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案为：
[0007]一种含有连通孔隙的沥青混凝土截面模拟方法，包括以下步骤：
[0008]步骤S1、获取原始孔隙边界信息，包括如下步骤：
[0009]步骤S1.1、获取连通孔隙：从已有沥青混合料的截面图中，识别并获取原始的连通孔隙；连通孔隙包括左边界和右边界；
[0010]步骤S1.2、建立坐标系：以步骤S1.1获取的连通孔隙的左下方任意一点为坐标原点，以过坐标原点的水平方向为x轴，以过坐标原点的垂直水平方向为y轴，建立平面坐标系；
[0011]步骤S1.3、获取点位信息：从连通孔隙底部开始，沿y轴按等间距Δy将连通孔隙的左边界和右边界均划分为N个点位，且从下至上依次进行编号，编号顺序为从1开始的自然数；其中，N为自然数；其中，左边界上第i个点位的横纵坐标为右边界上第i个点位的横纵坐标为
[0012]步骤S2、分割连通孔隙，包括如下步骤：
[0013]步骤S2.1、以左边界为研究对象，计算将左边界上第i点位与第i+1点位的连线，称为线段则为左边界上线段与水平x轴之间的夹角，具体计算方法为：
[0014][0015]式中，为左边界上第i+1个点位的横纵坐标；
[0016]步骤S2.2、计算为左边界上线段与线段之间的夹角，其中，线段为左边界上第i+1点位与第i+2点位的连线；的具体计算公式为：
[0017][0018]式中，为左边界上线段与水平x轴之间的夹角；
[0019]步骤S2.3、判断左边界转向点：当时，则交点为转向点；否则，交点为非转向点；其中，α为最大允许转角；交点为线段与线段之间的交点；
[0020]步骤S2.4、以右边界为研究对象，计算将右边界上第i点位与第i+1点位的连线，称为线段则为右边界上线段与水平x轴之间的夹角，具体计算方法为：
[0021][0022]式中，为右边界上第i+1个点位的横纵坐标；
[0023]步骤S2.5、计算为右边界上线段与线段的相对转角，其中，线段为右边界上第i+1点位与第i+2点位的连线；的具体计算公式为：
[0024][0025]式中，为右边界上线段与水平x轴之间的夹角；
[0026]步骤S2.6、判断右边界转向点：当时，则交点为转向点；否则，交点为非转向点；其中，α为最大允许转角；交点为线段与线段之间的交点；
[0027]步骤S2.7、分割连通孔隙形成孔隙子区域，包括如下步骤：
[0028]步骤S2.7.1、孔隙左转向点对集合的形成：以左边界上为研究对象，选取右边界上的边界点与其组成左转向点对，其中，右边界上的边界点的纵坐标与步骤S2.3中交点的纵坐标相等，即在右边界上所有边界点中寻找纵坐标与步骤S2.3中交点的纵坐标相等的点，记为的纵坐标相等的点，记为和组成一组左转向点对；
[0029]步骤S2.7.2、孔隙右转向点对集合的形成：以右边界上为研究对象，选取左边界上的边界点与其组成右转向点对，其中，左边界上的边界点的纵坐标与步骤S2.6中交点的纵坐标相等；即在左边界上所有边界点中寻找纵坐标与步骤S2.6中交点的纵坐标相等的点，记为的纵坐标相等的点，记为和组成一组右转向点对；
[0030]步骤S2.7.3、孔隙的转向点集合的形成：将左转向点对与右转向点对合并成一个集合，若左转向点对与右转向点对重复时，只保留其中一对；再根据纵坐标由下至上的排序，添加孔隙边界起始点对以及边界的末端点对形成孔隙的转向点集合其中，W为转向点的总对数，包括孔隙边界起始点对和边界的末端点对；
[0031]步骤S2.7.4、分割形成孔隙子区域：相邻的转向点对与其之间的边界点对组成孔隙边界的子集合f
j
，j＝1,2,3,..,W
‑
1，形成W
‑
1个孔隙子区域；
[0032]步骤S3、孔隙边界子区域梯形化，包括如下步骤：
[0033]步骤S3.1、第1个孔隙子区域梯形化：将孔隙边界子区域根据纵坐标由下至上编号，编号顺序为：1,2,3,
…
j；计算孔隙子集合f1围成的封闭多边形面积S1，将与的作为下底边的顶点线段长度为根据转向点对的坐标计算得到相邻转向点对纵坐标差值以及线段中点的坐标由转向点对组成的梯形面积与多边形面积S1相等，则梯形上底边长度为：
[0034][0035]由此计算梯形上底边的两个顶点坐标
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含有连通孔隙的沥青混凝土截面模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、获取原始孔隙边界信息，包括如下步骤：步骤S1.1、获取连通孔隙：从已有沥青混合料的截面图中，识别并获取原始的连通孔隙；连通孔隙包括左边界和右边界；步骤S1.2、建立坐标系：以步骤S1.1获取的连通孔隙的左下方任意一点为坐标原点，以过坐标原点的水平方向为x轴，以过坐标原点的垂直水平方向为y轴，建立平面坐标系；步骤S1.3、获取点位信息：从连通孔隙底部开始，沿y轴按等间距Δy将连通孔隙的左边界和右边界均划分为N个点位，且从下至上依次进行编号，编号顺序为从1开始的自然数；其中，N为自然数；其中，左边界上第i个点位P
il
的横纵坐标为右边界上第i个点位P
ir
的横纵坐标为步骤S2、分割连通孔隙，包括如下步骤：步骤S2.1、以左边界为研究对象，计算将左边界上第i点位与第i+1点位的连线，称为线段则为左边界上线段与水平x轴之间的夹角，具体计算方法为：式中，为左边界上第i+1个点位的横纵坐标；步骤S2.2、计算步骤S2.2、计算为左边界上线段与线段之间的夹角，其中，线段为左边界上第i+1点位与第i+2点位的连线；的具体计算公式为：式中，为左边界上线段与水平x轴之间的夹角；步骤S2.3、判断左边界转向点：当时，则交点为转向点；否则，交点为非转向点；其中，α为最大允许转角；交点为线段与线段之间的交点；步骤S2.4、以右边界为研究对象，计算将右边界上第i点位与第i+1点位的连线，称为线段则为右边界上线段与水平x轴之间的夹角，具体计算方法为：式中，为右边界上第i+1个点位的横纵坐标；步骤S2.5、计算步骤S2.5、计算为右边界上线段与线段的相对转角，其中，线段为右边界上第i+1点位与第i+2点位的连线；的具体计算公式为：式中，为右边界上线段与水平x轴之间的夹角；步骤S2.6、判断右边界转向点：当时，则交点为转向点；否则，交点
为非转向点；其中，α为最大允许转角；交点为线段与线段之间的交点；步骤S2.7、分割连通孔隙形成孔隙子区域，包括如下步骤：步骤S2.7.1、孔隙左转向点对集合的形成：以左边界上为研究对象，选取右边界上的边界点与其组成左转向点对，其中，右边界上的边界点的纵坐标与步骤S2.3中交点的纵坐标相等，即在右边界上所有边界点{P
ir
}中寻找纵坐标与步骤S2.3中交点的纵坐标相等的点，记为的纵坐标相等的点，记为和组成一组左转向点对；步骤S2.7.2、孔隙右转向点对集合的形成：以右边界上为研究对象，选取左边界上的边界点与其组成右转向点对，其中，左边界上的边界点的纵坐标与步骤S2.6中交点的纵坐标相等；即在左边界上所有边界点{P
il
}中寻找纵坐标与步骤S2.6中交点的纵坐标相等的点，记为的纵坐标相等的点，记为和组成一组右转向点对；步骤S2.7.3、孔隙的转向点集合的形成：将左转向点对与右转向点对合并成一个集合，若左转向点对与右转向点对重复时，只保留其中一对；再根据纵坐标由下至上的排序，添加孔隙边界起始点对以及边界的末端点对形成孔隙的转向点集合{(T
jl
,T
jr
)}，j＝1,2,3,..,W；其中，W为转向点的总对数，包括孔隙边界起始点对和边界的末端点对；步骤S2.7.4、分割形成孔隙子区域：相邻的转向点对(T
jl
，T
jr
),与其之间的边界点对{(P
il
，P
ir
)}组成孔隙边界的子集合f
j
，j＝1,2,3,..,W
‑
1，形成W
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1个孔隙子区域；步骤S3、孔隙边界子区域梯形化，包括如下步骤：步骤S3.1、第1个孔隙子区域梯形化：将孔隙边界子区域根据纵坐标由下至上编号，编号顺序为：1，2，3，
…
j；计算孔隙子集合f1围成的封闭多边形面积S1，将与的作为下底边的顶点线段长度为根据转向点对根据转向点对的坐标计算得到相邻转向点对纵坐标差值以及线段中点的坐标由转向点对组成的梯形面积与多边形面积S1相等，则梯形上底边长度为：由此计算梯形上底边的两个顶点坐标步骤S3.2、第j个孔隙边界子区域梯形化：计算孔隙子集合f
j
围成的封闭多边形面积S
j
，将V
jl
，V
jr
作为梯形下底边的顶点，根据转向点对(T
jl
，T
jr
),的坐标可以计算得
到相邻转向点对纵坐标差值以及线段中点的坐标由转向点对(T
jl
，T
jr
),组成的梯形面积与多边形面积S
j
相等，则梯形上底边长度为：由此计算梯形上底边的两个顶点坐标由此计算梯形上底边的两个顶点坐标从而实现所有孔隙子区域的梯形化；步骤S4、圆形颗粒填充孔隙，包括如下步骤：步骤S4.1、圆形颗粒的填充：令填充颗粒的初始总面积为零，在各梯形化的孔隙子区域内随机生成圆形颗粒；其中，圆形颗粒圆心的横纵坐标为C
s
(x
s
,y
s
)，半径记为r
s
；步骤S4.2、圆形颗粒填充成功的判定：当孔隙子区域内的圆形颗粒不与已填充在此区域内的颗粒或不与此区域的左、右边界相交、包含时，圆形颗粒填充成功并且填充颗粒总面积增加πr
s2
；步骤S4.3、圆形颗粒完成孔隙填充的判定：A：当圆形颗粒生成连续失败次数达到1000次；B：填充的圆形颗粒总面积达到梯形化孔隙子区域面积的80％以上；步骤S5、多边形集料生成与投放，包括如下几个步骤：步骤S5.1、集料分档：将混合集料按粒径大小分为M档，并从大至小分别编号为1、2、
……
、j、
……
、M；其中，j∈[1,M]；接着，计算各档集料在混合集料中所占面积百分数；步骤S5.2、集料生成及区域内投放：从j＝1档集料开始，通过多边形模拟集料的方式随机生成多边形集料，并在沥青混凝土横截面内进行投放；步骤S5.3、集料投放成功的判定：当...

【专利技术属性】
技术研发人员：张磊，莫振辉，周松，张丰雷，李晨阳，程翻番，周仲昂，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：