一种沥青混合料3D随机细观模型的模拟压密方法技术

本发明专利技术涉及一种沥青混合料3D随机细观模型的模拟压密方法，该方法首先将压密过程分解为若干个荷载步，在每个荷载步开始时对各集料施加大小不同的竖向速度增量，竖向速度增量的大小随集料重心位置的增高而线性增大，并将每一个荷载步分解为若干个足够小的时间步，根据时间步开始时各集料的瞬时速度和位置，对集料在单个时间步内的运动进行模拟，得到时间步结束时集料的瞬时速度和位置，然后根据时间步结束时集料的位置信息，运用包围球干涉检测技术和空间三角形对相交检测技术对集料进行干涉检测，对发生干涉的集料，运用集料碰撞响应模型，计算得到集料发生干涉后的瞬时速度，并将集料时间步结束时的瞬时速度更新为此速度，最后判断所有集料的瞬时速度是否小于速度限定值，若否，则进入此荷载步的下一个时间步，若是，则此荷载步结束，当所有荷载步都结束时，模拟压密完成，输出所有集料的位置信息。输出所有集料的位置信息。输出所有集料的位置信息。

【技术实现步骤摘要】
一种沥青混合料3D随机细观模型的模拟压密方法


[0001]本专利技术属于沥青混合料随机细观模型
，尤其涉及一种沥青混合料 3D随机细观模型的模拟压密方法。

技术介绍

[0002]沥青混合料是一种由沥青砂浆、集料与空隙组成的非均质复合材料。传统的性能测试过程中通常假定沥青混合料是一种均质的各向同性材料，这种假设降低了力学模型的复杂性，但忽视了材料的微观结构特性对宏观力学性能的影响。随着计算机与图像技术的快速发展，研究人员逐渐认识到微观结构对沥青混凝土宏观性能的影响不容忽视，构建沥青混合料的细观模型开展虚拟实验逐渐成为研究沥青混合料力学性能的重要手段。
[0003]沥青混合料细观模型的构建方式可分为两种，一种是基于CT与数字图像技术通过三维重构生成沥青混合料的细观结构模型。这种方法通常成本较高，每次建模都需要对实际试件进行扫描与重构。此外密级配沥青混合料的CT图像质量较差，集料与沥青的界限不清晰，建模难度较高。另一种方法是根据真实骨料形状及其分布规律应用统计学理论随机生成虚拟的细观结构实体，通常称之为随机骨料模型。
[0004]随机骨料方法最早由Wittmann提出，该方法利用蒙特卡罗算法(MC)将集料模型在几何边界内依次随机投放。每个集料投入后检测是否与已有集料相交，若不相交则允许投入，否则再次生成到随机位置，直到不相交。随着集料投放数量增加，剩余空间逐渐减少，投入新集料需进行更多次尝试。该方法适用于批量建模和参数控制，Castillo、张富强等改进了二维随机骨料模型的投放算法，集料的形状从圆形发展到不规则多边形。然而由于生成算法的复杂性，三维领域中对随机骨料建模技术的研究比较有限，集料的形状通常被简化为球体、椭球体、凸多面体。这些三维骨料模型通常存在两方面问题，一方面，为了提升集料相交检测算法的效率，通常将三维集料过度简化，而简化后的集料不能反映集料的实际特征；另一方面，细观模型的集料填充率较低，最高可达到60
‑
70％，与密级配沥青混合料85％左右的实际填充率存在较大差距。

技术实现思路

[0005]本申请为解决传统的随机细观模型集料填充率偏低的问题，提供了一种沥青混合料3D随机细观模型的模拟压密方法。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种沥青混合料3D随机细观模型的模拟压密方法，该方法包括如下步骤：
[0007](1)将压密过程分解为若干个荷载步；
[0008](2)在每个荷载步开始时对各集料施加大小不同的竖向速度增量，竖向速度增量的大小随集料重心位置的增高而线性增大；
[0009](3)将每一个荷载步分解为若干个足够小的时间步，根据时间步开始时各集料的瞬时速度和位置，对集料在单个时间步内的运动进行模拟，得到时间步结束时集料的瞬时
速度和位置；
[0010](4)根据时间步结束时集料的位置信息，对集料进行干涉检测；
[0011](5)对发生干涉的集料，运用集料碰撞响应模型，计算得到集料发生干涉后的瞬时速度，并将集料时间步结束时的瞬时速度更新为此速度；
[0012](6)判断所有集料的瞬时速度是否小于速度限定值，若否，则进入此荷载步的下一个时间步，若是，则此荷载步结束；
[0013](7)判断刚结束的荷载步是否为最后一个荷载步，若否，则进入下一个荷载步，若是，则模拟压密结束，输出所有集料的位置信息。
[0014]进一步地，步骤(3)中，集料在沥青砂浆中运动时受到的阻尼力和阻尼力矩用整体阻尼力和整体阻尼力矩表示，其对集料产生的平动阻尼加速度和转动阻尼加速度
[0015]进一步地，步骤(4)中，进行集料的干涉检测时，为减小计算量，首先使用包围球干涉检测进行初步判断，检测出可能发生干涉的集料对，然后对可能发生干涉的集料对运用空间三角形对相交检测判断干涉是否真正发生。包围球干涉检测和空间三角形对相交检测的具体方法如下：
[0016]包围球干涉检测：使用集料颗粒的最小外接球作为包围球，代表被包围的集料颗粒。逐一计算检测集料包围球球心到其他集料包围球球心的距离，若距离小于或等于两个包围球的半径之和，则包围球相交，否则不相交。当包围球相交时，其包围的对象才有可能相交；若包围球不相交，其包围的对象一定不相交。
[0017]空间三角形对相交检测：集料表面的空间特征常用集料顶点的三维包络面描述，若两颗集料发生干涉，则两颗集料间必然存在相交的空间三角形对。首先提取集料对中集料A、集料B的三维包络面中同时被两个包围球包围或相交的空间三角形对集Ma与Mb，然后逐一计算Ma中各三角形与Mb中各三角形的相交情况。若存在相交的空间三角形对，则集料相交，否则集料不相交。空间三角形对的相交判定采用计算图形学方法，若两个三角形异面相交，则其中一个三角形的两条边与另一个三角形所在的平面有交点，且交点必定在这两个三角形所在平面的交线上。由交点在交线上的位置关系，可判断空间三角形对的相交情况。
[0018]进一步地，步骤(5)中，构建集料的碰撞响应模型时首先建立两个集料之间(即一个集料对)的碰撞响应模型，两个集料分别记为集料1和集料2，其质量分别为m1、m2，集料碰撞点记为K。假设碰撞面的法线为集料1和集料2 质心o1、o2的连线。通过下式可由集料1和集料2碰撞前的速度v1、v2和角速度w1、w2，求得碰撞前集料1和集料2在K处的法向速度分量v
1KN
、v
2KN
和切向速度分量v
1KT
、v
2KT
。
[0019][0020][0021][0022]式中：——集料1碰撞面的法线方向；
[0023]——集料2碰撞面的法线方向；
[0024]r1——连接o1与点K的向量；
[0025]r2——连接o2与点K的向量。
[0026]对于集料1和集料2，由碰撞恢复理论可知，碰撞恢复系数：
[0027][0028]由动量守恒定理可知：
[0029]m1v1+m2v2＝m1v
′1+m2v
′2[0030]碰撞恢复系数e为一定值，由集料本身的性质决定，v1、v2已知，联立上述两式，可求得集料1和集料2碰撞后的速度v
′1、v'2。
[0031][0032]在集料1和集料2碰撞前后的速度已知的情况下，可由下式求其在K处的法向冲量I
1N
、I
2N
。记碰撞面的摩擦系数为μ，则集料1和集料2在K处的切向摩擦力冲量I
1T
、I
2T
的大小分别为I
1N
、I
2N
的μ倍，方向由v
1KT
、v
2KT
的相对运动方向决定。
[0033][0034]集料1和集料2在o1、o2处的冲量矩H1、H2可由下式求得。
[0035][0036]记集料1和集料2的转动惯量分别为J1、J2，根据角动量守恒定理由下式可求得碰撞后集料1和集本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种沥青混合料3D随机细观模型的模拟压密方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将压密过程分解为若干个荷载步；(2)在每个荷载步开始时对各集料施加大小不同的竖向速度增量，竖向速度增量的大小随集料重心位置的增高而线性增大；(3)将每一个荷载步分解为若干个足够小的时间步，根据时间步开始时各集料的瞬时速度和位置，对集料在单个时间步内的运动进行模拟，得到时间步结束时集料的瞬时速度和位置；(4)根据时间步结束时集料的位置信息，对集料进行干涉检测；(5)对发生干涉的集料，运用集料碰撞响应模型，计算得到集料发生干涉后的瞬时速度，并将集料时间步结束时的瞬时速度更新为此速度；(6)判断所有集料的瞬时速度是否小于速度限定值，若否，则进入此荷载步的下一个时间步，若是，则此荷载步结束；(7)判断刚结束的荷载步是否为最后一个荷载步，若否，则进入下一个荷载步，若是，则模拟压密结束，输出所有集料的位置信息。2.根据权利要求1所述的沥青混合料3D随机细观模型的模拟压密方法，其特征在于，在步骤(3)中，集料在沥青砂浆中运动时受到的阻尼力和阻尼力矩用整体阻尼力和整体阻尼...

【专利技术属性】
技术研发人员：张自旭，谢明杰，
申请(专利权)人：武汉科技大学，
类型：发明
国别省市：