基于相交判别和凸优化的沥青混合料离散元模型构建方法技术

本发明专利技术提供了一种基于相交判别和凸优化的沥青混合料离散元模型构建方法，具体为：步骤1：在Matlab中设置指定区域，在指定区域内部投放集料；步骤2：将集料轮廓信息导入PFC2D中，建立与集料轮廓对应的多边形墙体；步骤3：在PFC2D中构建与步骤1相同的指定区域，作为指定区域墙体；将步骤2中多边形墙体设置在指定区域墙体内；然后在指定区域墙体内生成圆形颗粒，布置满整个指定区域墙体；步骤4：模拟由多边形墙体构成的集料，将位于所有多边形墙体之外的圆形小颗粒识别为沥青砂浆颗粒；步骤5：建立空隙率为vv的二维沥青混合料离散元模型。本发明专利技术能够有效避免生成畸形的集料，提高沥青混合料离散元建模效率。合料离散元建模效率。合料离散元建模效率。

【技术实现步骤摘要】
基于相交判别和凸优化的沥青混合料离散元模型构建方法


[0001]本专利技术涉及道路工程


技术介绍

[0002]离散元法是道路工程领域展开沥青混合料力学性能分析常用的一种数值模拟技术，而沥青混合料离散元模型的合理建模是沥青混合料力学性能模拟成功的重要基础。与三维沥青混合料模型相比，二维模型在计算效率上具有巨大优势。现有的二维沥青混合料离散元模型建模方法大体上可以分为两类，一类是基于沥青混合料截面图像，经数字图像处理后导入PFC2D软件中以达到建模的目的。另一类是通过沥青混合料材料组成特征，利用随机重构技术，建立含级配特征的沥青混合料离散元模型。第一类方法仅通过沥青混合料的某个截面无法反映整个沥青混合料试件的材料组成。虽然第二类方法重构出的模型能够反映矿料级配特征，但现有的集料相交判别方法较为保守，导致在建立集料占比较高的沥青混合料离散元模型时，耗时较长，甚至建模失败，且易生成不符合实际集料形状的凹多边形。

技术实现思路

[0003]专利技术目的：为了解决上述现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种基于相交判别和凸优化的沥青混合料离散元模型构建方法。
[0004]技术方案：本专利技术提供了一种基于相交判别和凸优化的沥青混合料离散元模型构建方法：
[0005]1、基于相交判别和凸优化的沥青混合料离散元模型构建方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
[0006]步骤1：根据沥青混合料的组成，在Matlab中设置指定区域，在指定区域内部投放集料；根据所有投放集料的大小设置N个档位，每个档位对应一个粒径范围；将所有的档位对应的粒径范围按照由大到小的顺序排列，并依次编号；
[0007]步骤2：将步骤1生成的集料轮廓信息导入PFC2D中，并以每个集料轮廓信息为基础建立与集料对应的多边形墙体；
[0008]步骤3：在PFC2D中构建与步骤1相同的指定区域，作为指定区域墙体；按照步骤1中集料在指定区域内的位置，将步骤2中对应的多边形墙体设置在指定区域墙体内；然后在指定区域墙体内生成半径相同的圆形颗粒，布置满整个指定区域墙体；
[0009]步骤4：基于多边形墙体内的圆形颗粒，创建Clump来模拟由多边形墙体构成的集料，并将位于所有多边形墙体之外的圆形小颗粒识别为沥青砂浆颗粒；
[0010]步骤5：根据空隙相的构建方法，删除一定数量的沥青砂浆颗粒，形成沥青混合料空隙单元，建立空隙率为vv的二维沥青混合料离散元模型。
[0011]进一步的，所述步骤1中在指定区域内部投放集料的方法具体为：
[0012]步骤1.1：在Matlab中预设n个邻接区域，该n个邻接区域均与指定区域相领接，且
该n个邻接区域够将指定区域包围；将该n个邻接区域的并集，记为poly3；
[0013]步骤1.2：在指定区域内随机生成一个集料的质心坐标(center.x,center.y)，并随机确定该集料的顶点数量M，其中M1≤M≤M2，M1为顶点数量的下限值，M2为顶点数量的上限值；
[0014]步骤1.3：按下列公式生成第i个顶点极半径与极轴间的夹角θ
i
：
[0015]θ
i
＝b+a
[0016]其中，i＝1,2,
…
,M；a＝θ
i
‑1，a的初始值为0；b表示第i个顶点与第i
‑
1个顶点的极半径间的夹角，b的表达式如下所述：
[0017][0018]其中，λ为位于0至1之间的随机数；δ为角度的波动值，δ小于等于1；
[0019]步骤1.4：根据目前已经生成的区域的面积areacum，确定步骤1.2中需要生成的集料为第j档集料，第j档集料对应的粒径大小为[d
j
,d
j+1
]，d
j
表示j档集料对应的粒径的下限值，d
j+1
表示j档集料对应粒径的上限值；并生成位于0至1之间的随机数η，按照如下公式计算需要生成的集料的每个顶点的极半径：
[0020]若η大于等于0.5，则第i个顶点的极半径r
i
为：
[0021][0022]若η小于0.5，则第i个顶点的极半径r
i
为：
[0023][0024]步骤1.5：按照下列公式计算步骤1.2中需要生成的集料的每个顶点的横坐标xi和纵坐标y
i
：
[0025][0026]步骤1.6：对生成的集料顶点坐标向量进行凸优化，记凸优化后该集料所占区域为poly2；
[0027]步骤1.7：判断poly2和poly3之间是否存在交集，若是则转步骤1.2，重新生成区域poly2；否则将新生成的集料的面积记为area，并转步骤1.8：
[0028]步骤1.8:更新poly3：将poly2与poly3的并集作为新的poly3；更新areacum：将目前已经生成的区域的面积areacum与步骤1.7中面积area的之和作为更新后的区域面积areacum；
[0029]步骤1.9：判断更新后的areacum是否达到S
sum
；S
sum
为需要生成的所有集料构成的总面积，若是，则停止循环，否则转步骤1.2。
[0030]进一步的，所述步骤1.4中根据目前已经生成的区域的面积areacum，确定需要生成的集料为第j档集料具体为：
[0031]若areacum≤SS1，则生成的集料为第1档集料；其中SS1为投放的集料中所有的第1档集料构成的面积；
[0032]若SS1≤areacum≤SS1+SS2，则生成的集料为第2档集料；SS2为投放的集料中所有的第2档集料构成的面积；
[0033]若SS1+SS2+
…
SS
p
≤areacum≤SS1+SS2+
…
SS
p
+SS
p+1
，则生成的集料为第p+1档集料；3≤p≤N
‑
1；SS
p
为投放的集料中所有的第p档集料构成的面积；
[0034]按照如下公式计算每一档集料中所有的集料构成的面积SS
t
：
[0035]SS
t
＝S
·
m
·
n
t
[0036]其中，t＝1,2,
…
,N；S为指定区域的面积，m为所有集料占沥青混合料试件的体积比；n
t
表示第t档集料与所有集料之间的质量比；m和n的表达式如下所示：
[0037][0038][0039]其中，V
ag
表示单位质量沥青混合料试件中集料所占体积；V
z
表示单位质量沥青混合料试件所占体积；n
N+1N+1
表示集料粒径为第N档集料对应的粒径范围上限值时，该集料在筛孔的通过率；n
tt
表示集料本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于相交判别和凸优化的沥青混合料离散元模型构建方法，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤1：根据沥青混合料的组成，在Matlab中设置指定区域，在指定区域内部投放集料；根据所有投放集料的大小设置N个档位，每个档位对应一个粒径范围；将所有的档位对应的粒径范围按照由大到小的顺序排列，并依次编号；步骤2：将步骤1生成的集料轮廓信息导入PFC2D中，并以每个集料轮廓信息为基础建立与集料对应的多边形墙体；步骤3：在PFC2D中构建与步骤1相同的指定区域，作为指定区域墙体；按照步骤1中集料在指定区域内的位置，将步骤2中对应的多边形墙体设置在指定区域墙体内；然后在指定区域墙体内生成半径相同的圆形颗粒，布置满整个指定区域墙体；步骤4：基于多边形墙体内的圆形颗粒，创建Clump来模拟由多边形墙体构成的集料，并将位于所有多边形墙体之外的圆形小颗粒识别为沥青砂浆颗粒；步骤5：根据空隙相的构建方法，删除一定数量的沥青砂浆颗粒，形成沥青混合料空隙单元，建立空隙率为vv的二维沥青混合料离散元模型。2.根据权利要求1所述的基于相交判别和凸优化的沥青混合料离散元模型构建方法，其特征在于：所述步骤1中在指定区域内部投放集料的方法具体为：步骤1.1：在Matlab中预设n个邻接区域，该n个邻接区域均与指定区域相领接，且该n个邻接区域够将指定区域包围；将该n个邻接区域的并集，记为poly3；步骤1.2：在指定区域内随机生成一个集料的质心坐标(center.x,center.y)，并随机确定该集料的顶点数量M，其中M1≤M≤M2，M1为顶点数量的下限值，M2为顶点数量的上限值；步骤1.3：按下列公式生成第i个顶点极半径与极轴间的夹角θ
i
：θ
i
＝b+a其中，i＝1,2,
…
,M；a＝θ
i
‑1，a的初始值为0；b表示第i个顶点与第i
‑
1个顶点的极半径间的夹角，b的表达式如下所述：其中，λ为位于0至1之间的随机数；δ为角度的波动值，δ小于等于1；步骤1.4：根据目前已经生成的区域的面积areacum，确定步骤1.2中需要生成的集料为第j档集料，第j档集料对应的粒径大小为[d
j
,d
j+1
]，d
j
表示j档集料对应的粒径的下限值，d
j+1
表示j档集料对应粒径的上限值；并生成位于0至1之间的随机数η，按照如下公式计算需要生成的集料的每个顶点的极半径：若η大于等于0.5，则第i个顶点的极半径r
i
为：若η小于0.5，则第i个顶点的极半径r
i
为：步骤1.5：按照下列公式计算步骤1.2中需要生成的集料的每个顶点的横坐标x
i
和纵坐
标y
i
：步骤1.6：对生成的集料顶点坐标向量进行凸优化，记凸优化后该集料所占区域为poly2；步骤1.7：判断poly2和poly3之间是否存在交集，若是则转步骤1.2，重新生成区域poly2；否则将新生成的集料的面积记为area，并转步骤1.8：步骤1.8:更新poly3：将poly2与poly3的并集作为新的poly3；更新areacum：将目前已经生成的区域的面积areacum与步骤1.7中面积area的之和作为更新后的区域面积areacum；步骤1.9：判断更新后的areacum是否达到S
sum
；S
sum
为需要生成的所有集料构成的总面积，若是，则停止循环，否则转步骤1.2。3.根据权利要求2所述的基于相交判别和凸优化的沥青混合料离散元模型构建方法，其特征在于：所述步骤1.4中根据目前已经生成的区域的面积areacum，确定需要生成的集料为第j档集料具体为：若areacum≤SS1，则生成的集料为第1档集料；其中SS1为投放的集料中所有的第1档集料构成的面积；若SS1≤areacum≤SS1+SS2，则生成的集料为第2档集料；SS2为投放的集料中所有的第2档集料构成的面积；若SS1+SS2+
…
SS
p

【专利技术属性】
技术研发人员：刘国强，周天澍，马占国，朱存贞，朱自维，韩东东，刘焕娇，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：