一种水泥稳定再生集料的三维细观结构的建模分析方法技术

本发明专利技术涉及一种水泥稳定再生集料的三维细观结构的建模分析方法，包括步骤：拟定模型的形状和尺寸；拟定所述模型中各粒径范围内颗粒相的体积之和与颗粒数目；生成所有粒径范围内的颗粒模型；将颗粒模型压缩至实际尺寸；将模型空间离散为物质点；赋予各物质点以材料属性；随机删除基体相粒子。该方法适用于构建考虑水泥稳定再生集料三维细观结构特征的物质点类的数值模型，尤其是在高骨料掺量的情况下，克服了一般随机骨料模型投放成功率低的缺点，可保证粒间接触紧密，该方法可方便地生成指定级配和颗粒形状的水泥稳定再生集料，量化评价其颗粒骨架结构和空隙特征。评价其颗粒骨架结构和空隙特征。评价其颗粒骨架结构和空隙特征。

【技术实现步骤摘要】
一种水泥稳定再生集料的三维细观结构的建模分析方法


[0001]本专利技术属于计算材料学领域，尤其涉及一种水泥稳定再生集料的三维细观结构的建模分析方法。

技术介绍

[0002]在细观尺度上，水稳建筑垃圾再生集料由天然碎石与砖粉碎料等多种骨料、砂浆、界面过渡区和孔隙组成。具有材料类型多样、骨料含量高、颗粒形状复杂、级配宽等细观结构特征，其宏观层次上的复杂变形及力学响应是其细观乃至微观组成与结构的体现。另外，水泥砂浆是一种多相材料混合物，在微观层次上，硬化浆体包含有水化产物、毛细孔隙、未水化颗粒等物相，其材料属性在空间上的分布存在随机性。水稳建筑垃圾再生集料强度主要来源于骨料颗粒间的嵌挤锁结，同时有足够的灰浆体积来填充骨料之间的空隙。
[0003]当前水稳建筑垃圾再生集料的细观非均质数值模型主要通过随机投放法和Voronoi法来实现，然而这两种方法难以生成同时满足致密度要求与颗粒形态不规则的颗粒堆积结构，其也往往忽略砂浆粘结材料的细观非均质特性，而简单地将其看作是一种均质体。
[0004]因此，建立充分考虑骨料细观结构特征和水泥砂浆材料内部非均质特性的精细化三维细观结构模型是研究水稳建筑垃圾再生集料力学性能的重要基础。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种水泥稳定再生集料的三维细观结构的建模分析方法，借助颗粒离散元数值模拟，可以得到与真实材料一致的粒度分布与全局孔隙率，并能准确地表征水稳建筑垃圾再生集料内部孔隙空间分布特征与颗粒接触关系，具有原理简单、适用性广、计算效率高等特点。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：本专利技术提供一种水泥稳定再生集料的三维细观结构的建模分析方法，包括步骤：S1，确定欲构建的不规则形态颗粒集合体的实际尺寸与膨胀系数；S2，采用配点法将步骤S1中拟定的所述实际尺寸模型离散成配置点位于中心且网格均匀的立方体子域，并将所述立方体子域中所有物质点的材料分组编号初始化为第一预设值；S3，根据预定的级配，确定i~j尺寸范围内颗粒的个数N
(i
‑
j)
以及N
(i
‑
j)
个所述颗粒相的体积之和V
(i
‑
j)，
其中，；S4，根据所述实际尺寸以及所述膨胀系数，在膨胀后的模型空间内，利用PFC
3D
软件随机生成等效直径在i~j尺寸范围内均匀分布的N
(i
‑
j)
个球形或非球形颗粒模型，且各个颗粒均不与周围的颗粒产生重叠；S5，在范围内，重复所述步骤S3和S4，生成所有粒径范围内的所述颗粒模型；
S6，利用所述PFC
3D
软件对加载板以预设的竖直向下的速度，使所述膨胀后的模型空间压缩至符合步骤S1中的所述实际尺寸，得到第一压缩模型；S7，在所述PFC
3D
软件中对所述加载板以预设的的竖直向下的荷载，对所述第一压缩模型进行模拟压缩，利用PFC
3D
软件中的solve命令迭代求解至平衡状态，获得压缩后的第二压缩模型，并在所述第二压缩模型内确定每个所述颗粒模型的颗粒信息，所述颗粒信息包括颗粒ID、质心坐标、半径和分组编号信息；S8，针对每个所述颗粒模型，查找距离指定的所述颗粒模型的质心坐标指定半径范围内的物质点，通过递归操作完成每个所述物质点的材料分组编号的指派；S9，采用蒙特卡洛方法随机删除所述物质点中材料分组编号为所述初始化的第一预设值的代表基体相的物质点，且基体相粒子的最小接触数不小于3，以获得最终的所述不规则形态颗粒集合体模型。
[0007]可选的，步骤S2中，将所述实际尺寸模型离散成配置点位于中心且网格均匀的立方体子域的方法，包括步骤：S21，按照比例设定所述实际尺寸模型沿X方向、Y方向和Z方向上的所述物质点的个数，所述物质点的大小等于所述实际尺寸模型的高度除以所述实际尺寸模型沿Z方向上的物质点的个数；S22，通过递归实现所述物质点空间坐标的分配，保证相邻的所述物质点之间的距离等于所述物质点的大小；S23，使用代数表达式制作过滤器，通过布尔运算过滤出特定空间范围内的物质点；S24，定义一个元素个数等于步骤S23在所述实际尺寸模型的所述物质点个数且数值均为“0”的一维数组作为所述材料属性的标识；其中，“0”为所述第一预设值，代表基体相粒子。
[0008]可选的，步骤S4中，所述随机生成等效直径在i~j尺寸范围内均匀分布的N
(i
‑
j)
个球形或非球形颗粒模型的获得方法，包括步骤：S31，根据所述预定的级配，获得i~j尺寸范围内颗粒相的体积之和V
(i
‑
j)
，将所述V
(i
‑
j)
除以直径为(i+j)/2的球体的体积，进行四舍五入运算得到该i~j尺寸范围内颗粒的个数N
(i
‑
j)
；S32，在所述膨胀后的模型空间内，随机选取一个点，并以该点为质心生成一个等效直径在所述i~j尺寸范围内均匀分布的候选颗粒；S33，判断步骤S32中得到的候选颗粒是否与先前生成的颗粒产生重叠，若是，则删除该候选颗粒并返回和重复所述步骤S32，若否，则进入步骤S34,；S34，判断步骤S33中的所述候选颗粒是否与所述膨胀后的模型空间边界产生重叠，若是，则删除该候选颗粒并返回和重复所述步骤S32；S35，判断当前i~j尺寸范围内颗粒的个数是否达到N
(i
‑
j)
，若否，则返回和重复所述步骤S32。
[0009]4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述步骤S33中，在所述候选颗粒的小球的球心与其他已经存在的小球的球心的空间距离小于两小球的半径之和时，确定所述候选颗粒与先前生成的颗粒产生重叠。
[0010]5、根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述步骤S34中，在所述候选颗粒的小球的球心到组成所述膨胀后的模型空间的墙体的空间距离小于小球的半径时，确定所述候选颗粒与所述膨胀后的模型空间边界产生重叠。
[0011]6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S6包括步骤：在所述PFC
3D
软件中对所述加载板施加预设的竖直向下的速度来模拟压缩作用，根据所述实际尺寸和膨胀系数确定所述加载板的压缩距离；再根据所述加载板的运动速度进一步确定计算所需的时间步；当计算达到所述时间步后，清除所述加载板的运动速度。
[0012]7、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S7中包括步骤：将作用在顶部边界约束上的合力除以相应的作用面积作为约束应力来确定所述第一压缩模型的的应力状态，通过调整顶部边界约束的速度控制约束应力保持不变，实现对所述第一压缩模型所施加的以预设的竖直向下的荷载的应力加载；当平均不平衡力与合力之比小于1.0
×
10
‑5时，确认所述第一压缩模型求解至收敛，达到平衡状态，获得压本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水泥稳定再生集料的三维细观结构的建模分析方法，其特征在于：包括步骤：S1，确定欲构建的不规则形态颗粒集合体的实际尺寸与膨胀系数；S2，采用配点法将步骤S1中拟定的所述实际尺寸模型离散成配置点位于中心且网格均匀的立方体子域，并将所述立方体子域中所有物质点的材料分组编号初始化为第一预设值；S3，根据预定的级配，确定在所述预定的级配范围内的i~j尺寸范围内颗粒的个数N
(i
‑
j)
，其中，，I为所述预定的级配范围内的最大粒径；S4，根据所述实际尺寸模型以及所述膨胀系数，在膨胀后的模型空间内，利用PFC
3D
软件随机生成等效直径在i~j尺寸范围内均匀分布的N
(i
‑
j)
个球形或非球形的颗粒模型，且各个颗粒均不与周围的颗粒产生重叠；S5，在范围内，重复所述步骤S3和S4，生成所有粒径范围内的所述颗粒模型；S6，利用所述PFC
3D
软件对加载板以预设的竖直向下的速度，使所述膨胀后的模型空间压缩至符合步骤S1中的所述实际尺寸，得到第一压缩模型；S7，在所述PFC
3D
软件中对所述加载板以预设的的竖直向下的荷载，对所述第一压缩模型进行模拟压缩，利用PFC
3D
软件中的solve命令迭代求解至平衡状态，获得压缩后的第二压缩模型，并在所述第二压缩模型内确定每个所述颗粒模型的颗粒信息，所述颗粒信息包括颗粒ID、质心坐标、半径和分组编号信息；S8，针对压缩后的第二压缩模型的每个所述颗粒模型，查找距离一个所述颗粒模型的质心坐标指定半径范围内的物质点，通过对每个所述颗粒模型进行递归操作完成每个所述物质点的材料分组编号的指派；S9，采用蒙特卡洛方法随机删除所述物质点中材料分组编号为所述初始化的第一预设值的代表基体相的物质点，且基体相粒子的最小接触数不小于3，以获得最终的所述不规则形态颗粒集合体模型。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S2中，将所述实际尺寸模型离散成配置点位于中心且网格均匀的立方体子域的方法，包括步骤：S21，按照比例设定所述实际尺寸模型沿X方向、Y方向和Z方向上的所述物质点的个数，所述物质点的大小等于所述实际尺寸模型的高度除以所述实际尺寸模型沿Z方向上的物质点的个数；S22，通过递归实现所述物质点空间坐标的分配，保证相邻的所述物质点之间的距离等于所述物质点的大小；S23，使用代数表达式制作过滤器，通过布尔运算过滤出特定空间范围内的物质点；S24，定义一个元素个数等于步骤S23在所述实际尺寸模型的所述物质点个数且数值均为“0”的一维数组作为所述材料属性的标识；其中，“0”为所述第一预设值，代表基体相粒子。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S4中，所述随机生成等效直径在i~j尺寸范围内均匀分布的N
(i
‑
j)
个球形或非球形的颗粒模型的获得方法，包括步骤：S31，根据所述预定的级配，获得i~j尺寸范围内颗粒相的体积之和V
(i
‑
j)
，将所述V
(i
‑
j)
除以直径为(i+j)/...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖源杰，华文俊，李志勇，陈宇亮，谢峰，王小明，孟凡威，
申请(专利权)人：湖南省交通科学研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：