CN104899351A - 基于离散元模拟的沥青混合料试件温度场分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于离散元模拟的沥青混合料试件温度场分析方法，属于沥青混合料技术领域，解决有限元方法不能准确分析高温环境中沥青混合料试件内部温度场的问题。先成型沥青混合料试件，采集不规则集料分布数字图像，经图像处理后转化成二维CAD图像格式的数字试件；再导入离散元软件，根据集料块体和沥青砂浆的位置，分别生成不规则集料和沥青砂浆，构建二维的试件离散元模型；模拟试件在高温环境中受热情形，设置试件模型边界条件、集料与沥青砂浆热物性参数、单元内接触热阻；在试件模型周边施加某一恒定高温和室温热流，记录试件内部各点在不同时刻的温度变化情况，绘制比较图，并结合软件生成的温度场、热流分布云图分析沥青混合料试件温度场。

Description

基于离散元模拟的沥青混合料试件温度场分析方法

技术领域

本发明是一种基于离散元模拟的沥青混合料试件温度场分析方法，尤其是一种准确分析高温环境中沥青混合料试件内部温度场的方法，属于沥青混合料技术领域。

背景技术

沥青混合料的性能与其微观结构密切相关，随着计算机技术的提高和计算技术的发展，数值模拟越来越受到许多学者的青睐。目前，分析沥青混合料温度场的数值模拟方法主要有：有限元法和离散元法。采用有限元法研究沥青混合料性能时，研究者假设沥青混合料组成材料均质、连续，且各向同性，建立起沥青混合料的有限元计算模型，对-10℃～60℃范围内的温度场进行模拟。还有研究在利用有限元法建立沥青混合料温度场热分析模型时，选择ThemalSolid70为模型单元(该单元为八节点六面体单元)，并假设忽略接触热阻，对沥青混合料非线性瞬态温度场进行数值研究模拟研究。然而，利用有限元方法来研究沥青混合料温度场存在明显的不足：①它不能改变集料的接触几何特性；②建模单元统一，无法模拟沥青混合料复杂的内部结构；③忽略沥青混合料内接触热阻，不能真实反应内部热流传导情况。

由于有限元在分析多孔介质材料存在上述不足，离散元法在沥青混合料微观研究中发挥越来越重要的作用。该方法适用于模拟离散颗粒组合体在不同条件下的变形及破坏过程，逐渐成为重要数值模拟方法之一。离散元方法作为非连续介质力学的数值方法，因适合模拟材料的变形问题，在沥青混合料性能试验的模拟中也得到了初步应用。国外有学者采用粘弹性接触模型，通过对混合料中的集料模拟，计算出颗粒间的相互作用，对混合料内部的非连续应力场研究做出了贡献；也有研究人员利用离散单元法研究了荷载的重复作用对沥青混合料的永久变形和疲劳损害的影响，并考虑了混合料中空隙、裂缝的影响；或者采用离散元软件模拟了沥青混合料的劈裂试验、单轴压缩试验等，获得了与室内试验结果相符的结论；有学者利用离散元法对沥青混合料的永久变形进行了研究，通过工业CT成像技术获得了沥青混合料的微观结构并使用MATLAB编制算法来处理获得的图像。还有学者基于离散元法对沥青混合料的粘弹性模型做了更为深入的研究，详细的解释了沥青砂浆、粗细集料间的接触模型。

国内研究尝试采用基于离散单元方法的虚拟试验对沥青混合料的级配类型进行了评价，进行了沥青混合料单轴压缩试验的离散元模拟，给出了与实际试验相符的本构行为，并针对模型细观参数对沥青混合料本构行为的影响进行了研究；也有研究将沥青混合料作为由碎石料和沥青玛蹄脂(矿粉+沥青+空隙)组成的两相体系，从沥青玛蹄脂的力学特性研究出发，以基于虚拟试验的沥青混合料微观力学分析为目标，采用离散单元方法，根据各相的几何及物理信息，运用随机生成多面体(三维)或多边形(二维)技术重构其微观结构；还有研究从沥青混合料不连续特征角度研究其永久变形行为，采用离散元方法进行了沥青混合料虚拟疲劳、车辙试验，编写了考虑集料级配及不规则形状的沥青混合料二维数字试件生成程序，在生成的数字试件基础上进行了沥青混合料离散元虚拟疲劳、车辙试验，并利用基于时温等效原理的计算方法以减少虚拟疲劳、车辙试验的计算时间。

但是，基于离散元方法的温度场研究很少，有学者利用离散元方法对颗粒内的传导传热进行研究，使用离散元软件建立二/三维的模型，进行数值模拟，得出氧化铝颗粒内部温度场变化的情况，然后又使用离散元方法分析了氧化铝颗粒由热膨胀引起的残余应力。也有研究者使用离散元程序对茶叶滚筒加热杀青的过程进行模拟，追踪加热过程中颗粒的温度变化情况，给不同温度的颗粒标以不同的颜色，进而获得在不同时间点颗粒的温度场发布情况。更有研究介绍了散体介质热传导研究的发展情况和离散单元法的基本理论，将散体视为一种多孔介质，散体颗粒近似为热源，颗粒之间的接触构成热管，形成热传导的网络，基于传热方程和Fourier定律，推导出了颗粒的热传导计算公式，用离散元软件实现了对自然堆积的铁颗粒热传导的数值模拟。

可见，目前主要是应用有限元方法分析沥青混合料试件或沥青路面的温度场，把多孔沥青混合料假设为连续介质材料，没有考虑到沥青混合料的细观结构非连续性。另外，当前离散元方法主要用于分析常温条件下沥青混合料或其它散体材料的级配组成、微观结构变形、力学性能，并基于离散元方法模拟沥青混合料的疲劳、单轴压缩、车辙等试验，从而研究沥青混合料的各种路用性能，鲜有采用离散元方法分析沥青混合料加热时内部温度场的变化规律。目前离散元方法主要是通过时温等效原理间接考虑温度对沥青混合料各项性能影响，与实际情况存在较大偏差，很少采用直接施加热源的方法分析沥青混合料的性能。

发明内容

(1)技术问题

本发明的目的是提供一种基于离散元模拟的沥青混合料试件温度场分析的方法，充分考虑沥青混合料试件细观结构组成的非连续性，能较好解决有限元方法在分析高温环境中沥青混合料试件内部温度场不准确的问题。

(2)技术方案

鉴于目前采用有限元方法分析沥青混合料试件温度场时不能充分考虑沥青混合料试件细观结构组成的非连续性，难以准确分析高温环境中沥青混合料试件内部温度场，本发明采用离散元方法分析高温环境中沥青混合料试件内部温度场的变化规律，更准确了解高温环境中沥青混合料试件内部温度分布，为研究沥青混合料高温环境下的力学、变形等性能奠定基础。

本发明技术方案如下：

首先，切割沥青混合料试件获取试件数码图像，经图像处理构建数字试件，采用离散的圆形单元创建试件初始模型；然后，根据集料块体的位置，将块体范围内离散的圆形单元整合成独立的块状单元模拟不规则集料，其余离散的圆形单元按粘弹性接触模型连接模拟沥青砂浆，建立沥青混合料的离散元模型；其次，在试件四周设置为边界热源，考虑热传导的作用，假设热量传导仅在热管中传播；最后，分别设置沥青砂浆与集料的热物性参数，以及离散单元内的接触热阻，进行试件加热模拟，提取沥青混合料试件离散元模型内不同位置的温度数据，分析沥青混合料试件内部温度场变化情况。

(3)有益效果

沥青混合料的性能与其微观结构密切相关，近年来离散元方法作为非连续介质力学的数值方法，因适合模拟材料的不连续特性，在沥青混合料各种性能的分析中逐步被重视。本发明的分析方法基于离散元方法对沥青混合料中各种不规则集料和沥青砂浆进行模拟，更好地反映了沥青混合料内部细观结构的复杂性与随机性，更为准确地建立沥青混合料试件数字模型，克服了有限元方法分析沥青混合料这类多孔介质材料时存在的单元统一、模型过于简化等问题；利用离散元方法分析高温环境中沥青混合料试件温度场，对沥青混合料试件模型内不规则集料与沥青砂浆的热物性参数分别进行赋值，体现离散元模型的优越性，比有限元法更适合分析沥青混合料试件内部温度场变化规律，更准确了解高温环境中沥青混合料试件内部温度分布状况；在沥青混合料研究中经常需要加热试件，本发明提供的方法为研究沥青混合料高温条件下的力学、变形等性能提供了科学依据。

附图说明

图1高温环境中沥青混合料试件受热示意图

1-集料；2-沥青砂浆；3-边界热源

具体实施方式

本发明的目的是提供一种基于离散元模拟的沥青混合料试件温度场分析的方法，具体实施步骤如下：

(1)成型沥青混合料马歇尔试件，沿轴向中心线随机选取剖面切割试件，获取试件矩形剖面，采集不规则集料分布数字图像，进行二值化处理后，提取二值数字图像的轮廓，并转化成二维CAD图像格式的数字试件；

(2)将CAD图像经转换格式后再导入离散元软件，根据试件中集料位置，将集料块体范围内圆形单元整合在一起生成独立的块状单元模拟不规则集料；将其余圆形单元按粘弹性接触模型连接在一起模拟沥青砂浆部分，构建二维沥青混合料试件离散元模型；

(3)模拟沥青混合料试件在高温环境中受热情形，把试件周边设置为边界热源单元，热量在试件内以热传导方式传递，不计对流及热辐射影响，并假设热量传导仅在离散元模型的热管中传递；

(4)分别设置沥青混合料试件离散元模型中不规则集料和沥青砂浆的热物性参数(导热系数和比热容)及主要计算参数(初始温度、单元数量和单元直径)，并设置离散单元内的接触热阻；

(5)在离散元模型周边热源单元上施加一定温度的恒定热流，模拟在试件周边加热，加热一定时间后把试件上表面高温热流变换为室温热流，继续模拟试件在室温冷却过程温度场变化情况；

(6)在整个模拟过程中，离散元软件自动记录沥青混合料试件离散元模型内部各点在不同时刻的温度变化情况，提取计算数据，导入数据处理软件，绘制比较图，并结合离散元软件生成的各种温度场、热流云图，分析沥青混合料试件温度场变化规律。

Claims (1)

1.一种考虑沥青混合料试件细观结构组成的非连续性，基于离散元模拟的沥青混合料试件温度场分析方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：

(1)成型沥青混合料马歇尔试件，沿轴向中心线随机选取剖面切割试件，获取试件矩形剖面，采集不规则集料分布数字图像，进行二值化处理后，提取二值数字图像的轮廓，并转化成二维CAD图像格式的数字试件；

(2)将CAD图像经转换格式后再导入离散元软件，根据试件中集料位置，将集料块体范围内圆形单元整合在一起生成独立的块状单元模拟不规则集料；将其余圆形单元按粘弹性接触模型连接在一起模拟沥青砂浆部分，构建二维沥青混合料试件离散元模型；

(3)模拟沥青混合料试件在高温环境中受热情形，把试件周边设置为边界热源单元，热量在试件内以热传导方式传递，不计对流及热辐射影响，并假设热量传导仅在离散元模型的热管中传递；

(4)分别设置沥青混合料试件离散元模型中不规则集料和沥青砂浆的热物性参数(导热系数和比热容)及主要计算参数(初始温度、单元数量和单元直径)，并设置离散单元内的接触热阻；

(5)在离散元模型周边热源单元上施加一定温度的恒定热流，模拟在试件周边加热，加热一定时间后把试件上表面高温热流变换为室温热流，继续模拟试件在室温冷却过程温度场变化情况；

(6)在整个模拟过程中，离散元软件自动记录沥青混合料试件离散元模型内部各点在不同时刻的温度变化情况，提取计算数据，导入数据处理软件，绘制比较图，并结合离散元软件生成的各种温度场、热流云图，分析沥青混合料试件温度场变化规律。