一种随机构建沥青混合料多层次结构仿真模型的方法技术

本发明专利技术公开了一种随机构建沥青混合料多层次结构仿真模型的方法，通过在不同预设空间内定义生成不同体积、不同级配特征的单元，通过对每个预设空间内的单元相互组合并处理，最后建立沥青混合料多层次结构仿真模型，本发明专利技术使得沥青混合料细观结构模型的建立能够摆脱试验设备与图像处理技术等条件的束缚，同时也能实现空隙的捕捉，降低了试验的复杂性，也降低了试验的成本。

【技术实现步骤摘要】
一种随机构建沥青混合料多层次结构仿真模型的方法
本专利技术涉及一种构建仿真模型的方法，特别涉及一种随机构建沥青混合料多层次结构仿真模型的方法。
技术介绍
沥青混合料是由矿质骨料、空隙与沥青胶浆等组成的非均质多层次复合相材料，在道路桥梁铺面工程中被广泛使用。复合材料的性能和失效机制不仅与其宏观级配特征和各组分相的力学性能有关，也与集料相的扁平度、破碎面、长轴取向，空隙的大小、分布，以及各相间的界面特性等细观特征密切相关。为揭示沥青混合料内部细观构造对其宏观性能的影响，必须首先构建能够反映其细观构造的模型。在沥青混合料细观力学的研究中，比较传统的方法是将集料理想化为如圆形(球体)等具有简单几何特征的模型，虽然实现了材料的非均质，却忽略了真实的复杂细观构造，难以对材料性能进行精确分析。随着数字图像技术的发展，众多学者在对混合料截面CCD图像进行处理获取二维(2-D)几何拓扑信息的基础上，近年来借助X-rayCT无损扫描技术，利用材料的序列图像重构能够反映其真实三维(3-D)细观结构的有限元或离散元模型。基于数字图像信息构建的数值模型诚然可以与真实沥青混合料试件达到很好的映射关系，但在应用时仍存在以下几个难题：（1）对试验室条件的依赖性，实现一个基于图像信息的数值模型，需要成型沥青混合料试件、昂贵的试验设备以及图像处理技术，且目前CT设备的应用在国内道路研究领域尚处初步阶段；（2）设备性能与图像处理精度的匹配，因为细集料与沥青胶浆(以矿质填料为分散相分散在沥青胶结料中)二者的密度差较小，使得通过依靠较大密度差实现精确区分物体的X-ray扫描技术，仅能较好识别粒径大于2.36mm的粗集料与沥青砂浆(以细集料为分散相分散在沥青胶浆中)，同时也较难实现空隙的捕捉；（3）研究者更为关心的是，当研究需要大量的不同矿料级配、不同性能与形状的集料、不同性质与含量的沥青胶结料以及空隙率时，通过数字图像处理获取所需的数值模型将会异常复杂，试件成型、图像成像、数据后处理等费时昂贵。
技术实现思路
专利技术目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本专利技术的目的是提供一种可以不需依赖实验条件、使用简单、实现空隙的捕捉的随机构建沥青混合料多层次结构仿真模型的方法。技术方案：为实现上述专利技术目的，本专利技术提供一种随机构建沥青混合料多层次结构仿真模型的方法，包括以下步骤：（10）在建模平台上生成三个预设空间，并定义生成的沥青混合料中沥青含量和空隙率；（20）在第一预设空间内随机生成带有级配特征的基骨料单元球；（30）在第二预设空间内生成体积相等并规则排列的单元球；（40）根据步骤（20）中带有级配特征的基骨料单元圆心坐标和半径在第二预设空间内定义处理区域，对处理区域进行不规则处理后生成集料单元；（50）在第三预设空间内生成与步骤（40）中生成的集料单元相同的集料单元，在集料单元外的空间内随机生成不同半径的空隙单元球；（60）将第三预设空间内生成的空隙单元球位置和大小的信息输入到第二预设空间内，将包含在空隙单元球内部的单元球删除。其中，步骤（20）中所述生成带有级配特征的基骨料单元球的方法为：（201）定义粗集料与沥青胶浆的划分粒径dagg-mas，粒径大于划分粒径dagg-mas的粗集料由n档料组成，根据要生成沥青混合料中集料的百分比获得粒径大于dagg-mas的粗集料的体积Vagg；（202）根据第i档集料的体积百分比获得第i档集料的体积Vagg-i，i=1,2…,n；（203）第i档集料中最大粒径为dmax(i)，最小粒径为dmin(i)，将该档集料的平均粒径作为球单元的直径，计算一个基骨料单元的体积Vball-i；（204）根据(Vagg-i/Vball-i)计算得到第i档基骨料单元的生成数量Ni；（205）在第一预设空间内生成随机分布、互不重叠的，直径在dmin(i)～dmax(i)范围内随机均匀分布的Ni个球单元；（206）重复步骤（202）-(205)，实现带有级配特征的n档球单元的随机生成；(207)对生成的所有基骨料单元体积求和，将所求结果与该档集料实际体积比较，若球单元体积之和较大，则删除多余单元；反之，按照上述步骤补充，直到满足实际体积。再者，步骤（40）中所述集料单元生成方法为：（4011）定义处理区域为立方体，带有级配特征的基骨料单元圆心O(xo,yo,zo)和直径2R分别为立方体的中心和边长，随机生成切割面Π的一个法向量法向量的方向余弦式中，α、β和γ分别为向量与坐标轴的夹角；（4012）立方体中心坐标O(xo,yo,zo)到切割面Π之间的距离为式中，urand为区间(0,1)上均匀分布的伪随机数，R为基骨料单元的半径；为设定角度，（4013）以ξ作为线段的长度，作为线段方向，则线段与切割面Π的交点Mc(xc,yc,zc)的坐标通过下式确定：xc＝xo+ξ×cosα,yc＝yo+ξ×cosβ,zc＝zo+ξ×cosγ；（4014）执行m次步骤（4011）-（4013）随机生成m个切割面，删除立方体区域内，但在由切割面或切割面和立方体的面包围并包含立方体中心的区域外的单元球，剩下的单元球组成的多面体为集料单元。步骤（40）中所述集料单元还有一种生成方法为：（4021）定义处理区域为椭球形，其中，基骨料单元的球心坐标和直径分别为椭球的球心坐标和长轴，并设定生成后的集料单元的圆弧度SI、扁平度FR；（4022）将步骤(4021)中设置的值代入集料单元的圆弧度SI和扁平度FR的计算公式中获得椭球的短轴和第三条轴的长度，其中，式中，a≥b≥c，2a为椭球的长轴的长度，2c为椭球的短轴的长度；2b为椭球第三条轴的长度；（4023）定义一个截距式平面方程式中，A、B、C分别表示步骤（4022）中获得的a、b和c的值；(4024)代表了具有一个破碎面的椭球区域，重复步骤（4021）-（4023）获得不同组a、b和c的值，通过多组平面方程获得集料单元。为了使生成基骨料单元符合级配要求，本专利技术还包括对生成的骨料单元进行检测调整，检测调整方法为：首先找到与沥青单元接触的部分作为边缘球单元；其次，假设共有k个边缘球，利用两向量夹角余弦的计算公式，得到形心O(xo,yo,zo)、边缘球A1(x1,y1,z1)、A2(x2,y2,z2)…Ak(xk,yk,zk)之间组成的向量之间的夹角∠A1OA2∠A1OA3…∠A1OAk、∠A2OA3∠A2OA4…∠A2OAk，…,∠Ak-2OAk-1∠Ak-2OAk、∠Ak-1OAk，计算夹角大于90°的两个边缘球之间距离，将距离最大值作为集料的粒径，与各级配范围的下限比较，若粒径小于级配范围的下限，减小模型的值，重复步骤（20）、（30）和检测步骤，直至集料单元符合级配要求。有益效果：本专利技术与现有技术相比，使得沥青混合料细观结构模型的建立能够摆脱试验设备与图像处理技术等条件的束缚，同时也能实现空隙的捕捉，降低了试验的复杂性，也降低了试验的成本。附图说明图1为本专利技术可视化生成过程的示意图；图2为立方体处理区域示意图；图3为不同粒径范围的集料单元的示意图；图4为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种随机构建沥青混合料多层次结构仿真模型的方法，其特征在于，包括以下步骤：（10）在建模平台上生成三个预设空间，并定义生成的沥青混合料中沥青含量和空隙率；（20）在第一预设空间内随机生成带有级配特征的基骨料单元球；（30）在第二预设空间内生成体积相等并规则排列的单元球；（40）根据步骤（20）中带有级配特征的基骨料单元圆心坐标和半径在第二预设空间内定义处理区域，对处理区域进行不规则处理后生成集料单元；（50）在第三预设空间内生成与步骤（40）中生成的集料单元相同的集料单元，在集料单元外的空间内随机生成不同半径的空隙单元球；（60）将第三预设空间内生成的空隙单元球位置和大小的信息输入到第二预设空间内，将包含在空隙单元球内部的单元球删除。

【技术特征摘要】
1.一种随机构建沥青混合料多层次结构仿真模型的方法，其特征在于，包括以下步骤：(10)在建模平台上生成三个预设空间，并定义生成的沥青混合料中沥青含量和空隙率；(20)在第一预设空间内随机生成带有级配特征的基骨料单元球；(30)在第二预设空间内生成体积相等并规则排列的单元球；(40)根据步骤(20)中带有级配特征的基骨料单元球的球心坐标和半径在第二预设空间内定义处理区域，对处理区域进行不规则处理后生成集料单元；(50)在第三预设空间内生成与步骤(40)中生成的集料单元相同的集料单元，在集料单元外的空间内随机生成不同半径的空隙单元球；(60)将第三预设空间内生成的空隙单元球位置和大小的信息输入到第二预设空间内，将包含在空隙单元球内部的单元球删除；其中，步骤(20)中所述生成带有级配特征的基骨料单元球的方法为：(201)定义集料与沥青胶浆的划分粒径dagg-mas，粒径大于划分粒径dagg-mas的集料由n档料组成，根据要生成沥青混合料中集料的百分比获得粒径大于dagg-mas的粗集料的体积Vagg；(202)根据第i档集料的体积百分比获得第i档集料的体积Vagg-i，i＝1,2…,n；(203)第i档集料中最大粒径为dmax(i)，最小粒径为dmin(i)，将该档集料的平均粒径作为基骨料单元球的直径，计算一个基骨料单元球的体积Vball-i；(204)根据(Vagg-i/Vball-i)计算得到第i档基骨料单元球的生成数量Ni；(205)在第一预设空间内生成随机分布、互不重叠的，直径在dmin(i)～dmax(i)范围内随机均匀分布的Ni个基骨料单元球；(206)重复步骤(202)-(205)，实现带有级配特征的n档基骨料单元球的随机生成；(207)对生成的所有基骨料单元球体积求和，将所求结果与该档集料实际体积比较，若基骨料单元球体积之和较大，则删除多余单元；反之，按照上述步骤补充，直到满足实际体积；步骤(40)中所述集料单元生成方法为：(4011)定义处理区域为立方体，带有级配特征的基骨料单元球球心O(xo,yo,zo)和直径2R分别为立方体的中心和边长，随机生成切割面Π的一个法向量法向量的方向余弦式中，α、β和γ分别为向量与坐标轴的夹角；(4012)立方体中心坐标O(xo,...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱振东，王江洋，胡靖，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：