【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及沥青混合料分析，尤其涉及一种沥青混合料三轴试验柔性边界的离散元模拟方法及设备。
技术介绍
1、沥青混合料三轴试验是在规定温度及加载条件下，测定沥青混合料的抗剪强度，以评价沥青混合料的高温性能。通过获取不同围压条件下的抗剪强度，可以计算沥青混合料黏结力和内摩擦角。沥青混合料的三轴试验，需要在试件表面裹附一层橡胶模，将裹附橡胶模的试样放置于密闭三轴室中，可控压力的三轴室通过橡胶模将围压施加至沥青混合料试件侧向。
2、基于离散元的三轴试验作为探究沥青混合料细观力学性能的重要试验，围压的准确模拟至关重要。
3、中国专利技术专利《一种岩土三轴试验柔性薄膜边界的离散元模拟方法》，公布号cn110309536a，提供了一种三轴试验模拟方法，该方法采用六边形蜂窝结构布置的颗粒集合来代表柔性薄膜，同时通过生成顶板、底板，能在一定程度上模拟三轴试验的围压效果及加载后试样的体积变形。然而，该专利提供的模拟算法存在明显不足：
4、（1）采用规则排列的球颗粒集合代表柔性薄膜，球颗粒集合组成的柔性薄膜未完全封闭，球颗粒之间的间距大于试样中组成部分的粒径时，计算过程中会产生颗粒逃逸现象；为避免颗粒逃逸现象，要求试样最小组成单元的粒径为薄膜球颗粒半径35-100倍，当试样最小组成单元粒径很小时，薄膜球颗粒半径更小，模拟薄膜所需要的球颗粒数量成倍增加，计算效率大大降低；
5、（2）采用球颗粒集合代表柔性薄膜的方法，球颗粒之间的参数设置难以与试样所要求的侧向围压匹配，加载过程中薄膜球颗粒与试样接触处出现
6、（3）采用球颗粒集合代表柔性薄膜，试样变形后的体积应变只能通过薄膜球颗粒之间的数学几何关系来计算，而采取该专利计算的体积应变值受薄膜球颗粒的粒径大小影响较大。
7、综上，现有方法存在计算效率低、计算过程颗粒穿透薄膜、薄膜球颗粒失粘、体积应变监测不准四大问题，其主要核心问题在于采取球颗粒模拟薄膜的方法存在较大局限性。
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题在于，提供一种沥青混合料三轴试验柔性边界的离散元模拟方法及设备，可准确模拟沥青混合料在三轴试验过程中的形态变化。
2、为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种沥青混合料三轴试验柔性边界的离散元模拟方法，包括：在制样容器中构建三维离散元模型；根据离散元伺服原理，通过所述制样容器将所述三维离散元模型伺服至预定应力状态；关闭所述制样容器的伺服动作，在所述三维离散元模型外壁构建单层管状薄膜模型，并使所述单层管状薄膜模型附着在所述三维离散元模型的外围；将所述单层管状薄膜模型划分为多个矩形的壳单元，并向所述壳单元施加侧向围压；在所述三维离散元模型的顶部构建上加载板，并使所述单层管状薄膜模型的顶端固定于所述上加载板上；在所述三维离散元模型的顶部构建下加载板，并使所述单层管状薄膜模型的底端固定于所述下加载板上；根据离散元伺服原理，对所述上加载板及下加载板伺服至预定应力状态，以形成三轴试验离散元模型；关闭所述上加载板及下加载板的伺服动作，对所述三轴试验离散元模型进行三轴加载并监测三轴加载过程中的体积应变及轴向应变，直至所述轴向应变达到指定轴向应变。
3、作为上述方案的改进，所述在所述三维离散元模型外壁构建单层管状薄膜模型的步骤包括：在所述三维离散元模型的底部依次构建四段圆弧，以构成封闭的圆环；以所述圆环为底，拉伸形成封闭的单层管状薄膜模型。
4、作为上述方案的改进，所述向所述壳单元施加侧向围压的步骤包括：设置所述壳单元的物理参数，并使所述壳单元各向同性；由下至上将所述单层管状薄膜模型的高度范围划分为第一高度范围、第二高度范围及第三高度范围；将所述壳单元的阻尼模式设置为局部阻尼；对所述第二高度范围内的壳单元的节点施加预定围压；固定所述第一高度范围及第三高度范围内的壳单元的节点的速度和旋转。
5、作为上述方案的改进，所述第一高度范围为[-0.6h，-0.48h]，第二高度范围为(-0.48h，0.48h)，第三高度范围为[0.48h，0.6h]，其中，h为单层管状薄膜模型的高度。
6、作为上述方案的改进，所述物理参数包括密度、厚度、弹性模量及泊松比。
7、作为上述方案的改进，对所述三轴试验离散元模型进行三轴加载的步骤包括:将所有颗粒位移归零；对所述制样容器的上刚性墙体及下刚性墙体分别施加恒定速率的荷载；对第一高度范围及第三高度范围内的壳单元的节点施加恒定速率的荷载，以使壳单元与上加载板及下加载板同步运动。
8、作为上述方案的改进，监测三轴加载过程中的体积应变的步骤包括：沿对角线将所述壳单元分割为两个子单元，所述子单元为三角形结构；获取各子单元的顶点；根据所述顶点及坐标原点构建向量；根据公式计算各子单元的顶点与坐标原点所组成的四面体体积v，其中，、、为各子单元的顶点与坐标原点所形成的向量；计算所述四面体的体积，并将所有四面体的体积之和作为单层管状薄膜模型所构建立体图形的体积；监测各荷载步下所述立体图形的体积，并根据公式 vstrain=(vs-v0)/v0×100%计算体积应变 vstrain，其中，vs为当前荷载步下体积，v0为初始体积。
9、作为上述方案的改进，监测三轴加载过程中的轴向应变的步骤包括:提取所述上加载板的z坐标及下加载板的z坐标；将所述上加载板的z坐标与下加载板的z坐标之差作为试样高度；根据公式 vcstrain=(ws-w0)/w0×100%计算轴向应变 vcstrain，其中，ws为当前荷载步下的试样高度，w0为初始高度。
10、作为上述方案的改进，所述在制样容器中构建三维离散元模型的步骤包括：当集料粒径大于或等于预设粒径时，根据沥青混合料目标级配生成圆球颗粒以替代所述集料；当集料粒径小于预设粒径时，用基准圆球颗粒替代所述集料。
11、相应地，本专利技术还提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其中，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述沥青混合料三轴试验柔性边界的离散元模拟方法的步骤。
12、实施本专利技术，具有如下有益效果：
13、本专利技术与现有技术相比，采用封闭壳单元柔性薄膜边界技术具有封闭边界的明显优势：（1）单层管状薄膜模型作为统一整体，不会出现三轴试验离散元模型中颗粒穿透单层管状薄膜模型的情形，也不会出现球颗粒之间失粘造成薄膜破裂的情形；（2）能准确计算变形后体积应变，体积应变不会出现随现有薄膜球颗粒技术中球颗粒粒径影响的现象；（3）壳单元数量远小于薄膜球颗粒数量，计算效率大大提升。
14、因此，本专利技术能准确模拟沥青混合料在三轴试验过程中的形态变化，准确监测体积应变，模拟过程中不会出现颗粒穿透薄膜、薄膜球颗粒失粘的现象，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种沥青混合料三轴试验柔性边界的离散元模拟方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的沥青混合料三轴试验柔性边界的离散元模拟方法，其特征在于，所述在所述三维离散元模型外壁构建单层管状薄膜模型的步骤包括：
3.如权利要求1所述的沥青混合料三轴试验柔性边界的离散元模拟方法，其特征在于，所述向所述壳单元施加侧向围压的步骤包括：
4.如权利要求3所述的沥青混合料三轴试验柔性边界的离散元模拟方法，其特征在于，所述第一高度范围为[-0.6h，-0.48h]，第二高度范围为(-0.48h，0.48h)，第三高度范围为[0.48h，0.6h]，其中，h为单层管状薄膜模型的高度。
5.如权利要求3所述的沥青混合料三轴试验柔性边界的离散元模拟方法，其特征在于，所述物理参数包括密度、厚度、弹性模量及泊松比。
6.如权利要求3所述的沥青混合料三轴试验柔性边界的离散元模拟方法，其特征在于，对所述三轴试验离散元模型进行三轴加载的步骤包括:
7.如权利要求1所述的沥青混合料三轴试验柔性边界的离散元模拟方法，其特征在于，监测三轴加载
8.如权利要求1所述的沥青混合料三轴试验柔性边界的离散元模拟方法，其特征在于，监测三轴加载过程中的轴向应变的步骤包括:
9.如权利要求1所述的沥青混合料三轴试验柔性边界的离散元模拟方法，其特征在于，所述在制样容器中构建三维离散元模型的步骤包括：
10.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至9中任一项所述的方法的步骤。
...【技术特征摘要】
1.一种沥青混合料三轴试验柔性边界的离散元模拟方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的沥青混合料三轴试验柔性边界的离散元模拟方法，其特征在于，所述在所述三维离散元模型外壁构建单层管状薄膜模型的步骤包括：
3.如权利要求1所述的沥青混合料三轴试验柔性边界的离散元模拟方法，其特征在于，所述向所述壳单元施加侧向围压的步骤包括：
4.如权利要求3所述的沥青混合料三轴试验柔性边界的离散元模拟方法，其特征在于，所述第一高度范围为[-0.6h，-0.48h]，第二高度范围为(-0.48h，0.48h)，第三高度范围为[0.48h，0.6h]，其中，h为单层管状薄膜模型的高度。
5.如权利要求3所述的沥青混合料三轴试验柔性边界的离散元模拟方法，其特征在于，所述物理参数包括密度、厚度、...
【专利技术属性】
技术研发人员：李浩，曾国东，林仕程，黄红明，方杨，方一鸣，
申请(专利权)人：佛山市交通科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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