CN105403575B - 一种沥青混合料局部应力的评价方法 - Google Patents
一种沥青混合料局部应力的评价方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105403575B CN105403575B CN201510889612.5A CN201510889612A CN105403575B CN 105403575 B CN105403575 B CN 105403575B CN 201510889612 A CN201510889612 A CN 201510889612A CN 105403575 B CN105403575 B CN 105403575B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- asphalt
- window
- image
- pixels
- local
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Landscapes
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
本发明公开了一种沥青混合料局部应力的评价方法，用连接到计算机的数码相机捕获到沥青混合料的灰度图像，使沥青混合料图像阈值化并转换为一个白色和黑色的图像；把一个代表沥青混合料RVE的图像分为单元格或同等大小的窗口，每个窗口在水平方向上从相邻的窗口移动一个像素；进行参数分析；采用40×40像素的窗口尺寸结合自相关函数计算局部有效材料特性；将得到的局部材料特征输入有限元分析中，进行局部应力计算分析。结合细观力学获得沥青混合料的局部材料特征，再将得到的局部材料特征输入有限元分析中，进行局部应力分析，将大型的复杂结构用窗口的方法进行分解运算，避免求解上的困难。
Description
技术领域
本发明属于建筑施工技术领域，尤其涉及一种沥青混合料局部应力的评价方法。
背景技术
沥青混合料是由沥青、集料和孔隙组成的颗粒复合材料，其性能受到各组份比例、微观结构形态和组份间相互作用等因素的影响，粘弹性力学行为十分复杂，长期以来，沥青混合料宏观响应与其各组成成分间的关系一直受到人们的关注。沥青混合料的力学行为与集料性质、沥青类型、沥青含量及空隙率的关系一直是通过室内试验来取得。为了真正、全面地分析研究沥青混合料的力学性能,了解沥青混合料的力学响应，引入移动窗口技术，通过分析研究沥青混合料在较小尺度范围内出现的特征和现象，将细观和宏观的方法结合起来,模拟沥青混合料在荷载作用下的力学行为，包括损伤演化过程，从而有效实现不同尺度模型间的变形协调。
沥青混合料是一种典型的粘弹线颗粒状粘结材料，其损伤不仅与宏观应力及应变场有关，而且与细观应力、应变场密切相关。对沥青混合料的应力分析，现有的方法是用平均材料性能代替整体性能，把沥青混合料作为匀质材料进行分析，而实际上沥青混合料是典型的非均匀材料，因此，这种代替引入了计算非均匀材料局部行为的误差。由于材料的随机性，导致引起早期材料破裂的微观破坏机制具有多样性，当评估沥青混合料现象时，例如沥青混合料累积损伤变形，沥青混合料的局部响应就变得相当重要。要获得沥青混合料的局部响应，用有限元方法对沥青混合料真实结构进行建模，但是由于宏观尺度与细观尺度的差别较大，使所划分的结构网格数量巨大，计算效率不高，尤其对于大型复杂结构其有限元模型的建立和求解计算时间往往过长。
发明内容
本发明的目的在于提供一种沥青混合料局部应力的评价方法，旨在解决宏观尺度与细观尺度的差别较大，使所划分的结构网格数量巨大，计算效率不高，尤其对于大型复杂结构其有限元模型的建立和求解计算时间往往过长的问题。
本发明是这样实现的，一种沥青混合料局部应力的评价方法包括以下步骤：
步骤一、用连接到计算机的数码相机捕获到沥青混合料的灰度图像，通过对沥青混合料微结构截面进行拍照、数字图像处理和重建后，沥青混合料各相分别用具有不同亮度的灰度图像表示。将原始图像降至尺寸为400×400像素、0.3毫米/像素分辨率的矩形图像，以便于从混合料中捕获图像；
步骤二、使沥青混合料图像阈值化(灰度图像中像素强度从0代表黑色到255代表白色)并转换为一个白色和黑色的图像，其中白色代表大于0.3mm图像分辨率的集料颗粒、黑色代表胶砂；
步骤三、每次以n×n(n以像素为单位)的窗口尺寸将区域从建立的非均匀图像中剪出，将该区域作为一个代表体积元(RVE)，通过细观力学方法根据区域内组分性能和排列方式得到局部性能参数，这些参数被赋值给对应窗口中心点的局部坐标。把一个代表沥青混合料RVE的图像分为单元格或同等大小的窗口，每个窗口在水平方向上从相邻的窗口移动一个像素，以便于计算沥青混合料有效材料弹性特性及其特征长度尺度lc；
步骤四、进行参数分析，以确定合适的窗口尺寸来计算沥青混合料有效材料特性，并在10×10像素、20×20像素、40×40像素和80×80像素的窗口中分别计算沥青混合料的颗粒百分比，以便捕获不同窗口尺寸混合料颗粒比例差异，并确定集料的体积分数，从而选择合适的窗口尺寸来来计算沥青混合料局部有效材料特性，通过使用有效材料特性得到一个更均匀的材料性能分布；
步骤五、采用40×40像素的窗口尺寸结合自相关函数计算局部有效材料特性，包括计算有效剪切模量和体积模量以及采用弹性理论计算相应的杨氏模量和泊松比，使用梯度弹性特性(例如：内部长度尺度)来获取与不同粒径分布混合之间的力学响应差异，从而减小网格尺寸对这种响应的影响；
步骤六、将得到的局部材料特征输入有限元分析中，进行局部应力计算分析。
本发明具有的优点和积极效果是：该沥青混合料局部应力的评价方法采用移动窗口技术方法结合细观力学获得沥青混合料的局部材料特征，再将得到的局部材料特征输入有限元分析中，进行局部应力分析，将大型的复杂结构用窗口的方法进行分解运算，避免求解上的困难，通过利用有效特性的有限元分析比利用单个成分特性的有限元分析具有数值计算方面的优势。集料和沥青模量间几个数量级的差异可能会导致有限元解中的数值不稳定，而利用有效材料特性减少了相邻元素间材料特性的差异，并消除了该数值不稳定的局限性。该方法成功克服了在沥青混合料微观结构有限元分析中使用单个成分特性的一些局限性。减少了对网格尺寸的依赖性，并减少了由图像采集和处理引起的微观结构细小变化响应的敏感度，还减少了由于微观结构中相邻元素间模量几个数量级的差异而引起数值不稳定的风险。此外，该方法捕获了沥青混合料长度尺度对微观和宏观响应的影响。
附图说明
图1是本发明实施例提供的沥青混合料局部应力的评价方法的流程图；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图1及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
一种沥青混合料局部应力的评价方法包括以下步骤：
S101、用连接到计算机的数码相机捕获到沥青混合料的灰度图像，并将原始图像降至尺寸为400×400像素、0.3毫米/像素分辨率的矩形图像；
S102、使沥青混合料图像阈值化并转换为一个白色和黑色的图像，其中白色代表大于0.3mm图像分辨率的集料颗粒、黑色代表胶砂；
S103、把一个代表沥青混合料RVE的图像分为单元格或同等大小的窗口，每个窗口在水平方向上从相邻的窗口移动一个像素；
S104、进行参数分析，以确定合适的窗口尺寸来计算沥青混合料有效材料特性，并在10×10像素(3×3毫米)、20×20像素(6×6毫米)、40×40像素(12×12毫米)和80×80像素(24×24毫米)的窗口中分别计算沥青混合料的颗粒百分比；
S105、采用40×40像素的窗口尺寸结合自相关函数计算局部有效材料特性，包括计算有效剪切模量和体积模量以及采用弹性理论计算相应的杨氏模量和泊松比；
S106、将得到的局部材料特征输入有限元分析中，进行局部应力计算分析。
采用移动窗口技术方法结合细观力学获得沥青混合料的局部材料特征，再将得到的局部材料特征输入有限元分析中，进行局部应力分析，该方法可以将大型的复杂结构用窗口的方法进行分解运算，避免求解上的困难。
下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。
步骤一、用Superpave旋转压实仪(SGC)成型沥青混合料试件，每个试件的半径为150mm、高为100mm左右，用沥青混合料切割机垂直切割试件，用连接到计算机的数码相机捕获到沥青混合料的灰度图像，并将原始图像降至尺寸为400×400像素、0.3毫米/像素分辨率的矩形图像；
步骤二、使沥青混合料图像阈值化并转换为一个白色和黑色的图像，其中白色代表大于0.3mm图像分辨率的集料颗粒、黑色代表胶砂；
步骤三、把一个代表沥青混合料RVE(代表体积元)的图像分为单元格或同等大小的窗口，每个窗口在水平方向上从相邻的窗口移动一个像素；
步骤四、进行参数分析，以确定合适的窗口尺寸来计算沥青混合料有效材料特性，并在10×10像素、20×20像素、40×40像素和80×80像素的窗口中分别计算沥青混合料的颗粒百分比；
步骤五、采用40×40像素的窗口尺寸结合自相关函数
(式中：i、j分别为2个正交坐标轴中的两像素间的距离；s(i,j)为两像素点的自相关函数；f
(x,y)为位于(x,y)处的像素函数，即位于集料相时为1、反之为0；M和N是在两个正交坐标轴
在沥青混合料微观结构图像的像素数)及:
式中：μ为
剪切模量；μm为沥青胶砂的剪切模量；c为体积分数；α、β为实验测得的材料常数)与:
式中：k为体积模量；km为沥
青胶砂的体积模量；计算局部有效材料特性(有效剪切模量和体积模量)，并计算相应的杨
氏模量和泊松比；
步骤六、将得到的局部材料特征输入有限元分析中，进行局部应力计算分析。
实施例：
用Superpave旋转压实仪(SGC)来成型A、B两个不同级配沥青混合料试件。试件半径为150mm、高为100mm。用金刚石锯片垂直切割这些试件。
用连接到计算机的数码相机捕获试件的灰度图像，进行数字图像处理，将获得的原始图像降至一个尺寸为400×400像素、0.3毫米/像素分辨率的矩形图像。灰度图像中像素强度从0代表黑色到255代表白色使图像阈值化并转换为一个白色和黑色的图像(在沥青混合料数字图像中，由于胶浆和集料与背景相比具有明显的密度差异，因而呈现不同的灰度级，即双峰直方图。背景灰度值为0，胶浆和集料灰度值在0～255之间，胶浆和集料与背景的边界附近具有两个峰值之间的灰度级，其像素数目相对较少，从而产生两个峰之间的谷，选择谷作为灰度阈值将得到合理的分割结果。)，其中白色代表大于0.3mm图像分辨率的集料颗粒、黑色代表胶砂(该胶砂由沥青、空隙率及小于0.3mm的颗粒组成)。
用移动窗口技术计算沥青混合料有效材料弹性特性和特征长度尺度lc。首先将图像转换为一个二维数组，在这个二维数组中，其中1表示属于集料相的一个像素，而0是指属于沥青胶砂的一个像素。以位置向量x对RVE域的平均体积分数表达式为：
式中：g是移动窗口中颗粒的百分比；是一个图像所代表的整个细观结构中颗粒的平均百分比。围绕x的泰勒级数展开式为：
把沥青混合料代表体积元(RVE)的图像分为单元格或同等大小的窗口，每个窗口在水平方向上从相邻的窗口移动一个像素。在不同尺寸(包括10×10像素(3×3毫米)、20×20像素(6×6毫米)、40×40像素(12×12毫米)和80×80像素(24×24毫米))的窗口中分别计算混合料A和B的颗粒百分比。
窗口间颗粒比例差异小表明粒径分布更均匀，而差异大则表明出现在细观结构中
的粒径范围广泛。通过比较，40×40像素窗口尺寸捕捉到了混合料A和B之间的差异。所以，
采用40×40像素的窗口尺寸依据方程与及自相关函数来计算沥青混合料局部
有效材料特性。
在计算沥青混合料有效材料特性时，先在移动窗口内确定沥青混合料中集料的体积分数；然后，用上述方程来计算有效剪切模量和体积模量；最后，采用弹性理论计算相应的杨氏模量和泊松比。再把这些有效特性分配给移动窗口中心的元素。
得到的沥青混合料细观结构内的杨氏模量分布领域(单个组成特征和局部有效特性)。很明显，使用有效材料特性能得到一个更均匀的材料性能分布。
用上述移动窗口结合细观力学方法求得的沥青混合料局部有效材料特征，作为有限元的输入，即可计算得到沥青混合料的局部应力。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种沥青混合料局部应力的评价方法，其特征在于，该沥青混合料局部应力的评价方法包括：
用Superpave旋转压实仪成型沥青混合料试件，每个试件的半径为150mm、高为100mm，用沥青混合料切割机垂直切割试件，用连接到计算机的数码相机捕获到沥青混合料的灰度图像，并将原始图像降至尺寸为400×400像素、0.3毫米/像素分辨率的矩形图像；
使沥青混合料图像阈值化并利用数字图像处理技术转换为一个白色和黑色的图像，其中白色代表大于0.3mm图像分辨率的集料颗粒、黑色代表胶砂；
把一个代表沥青混合料体积元RVE的图像分为同等大小的窗口，每个窗口在水平方向上从相邻的窗口移动一个像素；
进行参数分析，以确定合适的窗口尺寸来计算沥青混合料有效材料特性，并在10×10像素、20×20像素、40×40像素和80×80像素的窗口中分别计算沥青混合料的颗粒百分比；
采用40×40像素的窗口尺寸结合自相关函数：
式中：i、j分别为2个正交坐标轴中的两像素间的距离；s(i，j)为两像素点的自相关函数；f(x，y)为位于(x，y)处的像素函数，即位于集料相时为1、反之为0；M和N是在两个正交坐标轴在沥青混合料微观结构图像的像素数；
及：
式中：μ为剪切模量；μm为沥青胶砂的剪切模量；c为体积分数；α、β为实验测得的材料常数；
与：
式中：k为体积模量；km为沥青胶砂的体积模量；
计算局部有效材料特性，并计算相应的杨氏模量和泊松比；
所述沥青混合料局部应力的评价方法每次以n×n的窗口尺寸将区域从建立的非均匀图像中剪出，n以像素为单位，将该区域作为一个代表沥青混合料体积元RVE，通过细观力学方法根据区域内组分性能和排列方式得到局部性能参数，这些参数被赋值给对应窗口中心点的局部坐标；
在计算沥青混合料有效材料特性时，先在移动窗口内确定沥青混合料中集料的体积分数；然后，用上述方程来计算有效剪切模量和体积模量；最后，采用弹性理论计算相应的杨氏模量和泊松比，再把这些有效特性分配给移动窗口中心的元素；
将得到的局部材料特征输入有限元分析中，进行局部应力计算分析。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510889612.5A CN105403575B (zh) | 2015-12-04 | 2015-12-04 | 一种沥青混合料局部应力的评价方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510889612.5A CN105403575B (zh) | 2015-12-04 | 2015-12-04 | 一种沥青混合料局部应力的评价方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105403575A CN105403575A (zh) | 2016-03-16 |
| CN105403575B true CN105403575B (zh) | 2018-12-28 |
Family
ID=55469195
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201510889612.5A Expired - Fee Related CN105403575B (zh) | 2015-12-04 | 2015-12-04 | 一种沥青混合料局部应力的评价方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN105403575B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109858551A (zh) * | 2019-01-31 | 2019-06-07 | 湖南大学 | 基于图像识别检测结构应力的方法、装置、设备及介质 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006126617A1 (ja) * | 2005-05-24 | 2006-11-30 | National University Corporation Hokkaido University | 損傷評価装置および損傷評価方法 |
| CN101153850A (zh) * | 2006-09-30 | 2008-04-02 | 长安大学 | 一种沥青混合料的检测方法及系统 |
| CN1995968B (zh) * | 2007-01-12 | 2010-12-01 | 北京工业大学 | 一种排水沥青混凝土有效空隙特征参数提取方法 |
-
2015
- 2015-12-04 CN CN201510889612.5A patent/CN105403575B/zh not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 基于局部等效材料参数的沥青混合料细微观力学行为研究;龚湘兵;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技II辑》;20140415(第04期);第41-67页 * |
| 砌体RVE均质过程的有限元分析;王达诠 等;《重庆建筑大学学报》;20020831;第24卷(第4期);第35-39页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105403575A (zh) | 2016-03-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Ma et al. | Effect of air voids on the high-temperature creep behavior of asphalt mixture based on three-dimensional discrete element modeling | |
| Yin et al. | Multiscale fracture simulation of three-point bending asphalt mixture beam considering material heterogeneity | |
| Borri et al. | A method for the analysis and classification of historic masonry | |
| Ma et al. | Influences by air voids on fatigue life of asphalt mixture based on discrete element method | |
| Esposito et al. | Literature review of modelling approaches for ASR in concrete: a new perspective | |
| Nian et al. | Improved discrete element numerical simulation and experiment on low-temperature anti-cracking performance of asphalt mixture based on PFC2D | |
| Dong et al. | Mesostructural damage simulation of asphalt mixture using microscopic interface contact models | |
| CN103076271A (zh) | 沥青混合料空隙体积提取精度测试方法 | |
| Aragão et al. | Virtual fabrication and computational simulation of asphalt concrete microstructure | |
| CN101792992B (zh) | 永久性路面设计方法 | |
| JP6789274B2 (ja) | Ｂｐｍ理論に基づくメゾの力チェーン粒子モデルの構築方法 | |
| Onifade et al. | Towards asphalt mixture morphology evaluation with the virtual specimen approach | |
| CN115311410A (zh) | 沥青混合料三维离散元模型构建方法、存储介质及设备 | |
| Pang et al. | A review of water transport in dense-graded asphalt mixtures | |
| Shi et al. | Meso-structural evaluation of asphalt mixture based on pore cellular structure model | |
| CN105403575B (zh) | 一种沥青混合料局部应力的评价方法 | |
| Asadi et al. | Validation of hyperbolic model by the results of triaxial and direct shear tests of municipal solid waste | |
| Kumbargeri et al. | A study on the effects of aggregate shape and percent embedment on chip seal performance via image-based finite element analysis | |
| Ren et al. | Characterization of internal pore size distribution and interconnectivity for asphalt concrete with various porosity using 3D CT scanning images | |
| Tiwari et al. | Mechanical characterization of industrial waste materials as mineral fillers in asphalt mixes: integrated experimental and machine learning analysis | |
| Ren et al. | Fractal and multifractal characteristics of three-dimensional meso-structure for asphalt mixture | |
| Zhao et al. | Application and improvement of discrete finite-element method for mesoscale fracture analysis of asphalt mixtures | |
| Izadi | Quantitative characterization of microstructure of asphalt mixtures to evaluate fatigue crack growth | |
| Zhang et al. | Advances in micromechanical constitutive theories and modeling in asphalt mixture: A review | |
| Filonzi et al. | Validation of inverse stereology generation of two dimensional area gradations for computational modelling of asphalt mixtures |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20181228 Termination date: 20191204 |