CN106528979B - 一种基于离散元法的随机多面体集料的压实方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于离散元法的随机多面体集料的压实方法，包括以下步骤：（1）采用离散元程序生成尺寸扩大的虚拟沥青混合料试件空间；（2）根据沥青混合料试件的指定级配特征确定所需要的集料数量，在所述虚拟沥青混合料试件空间内建立与所需要的集料数量相同的基球群，并初步压缩到紧密状态；（3）采用Matlab程序生成随机多面体壳，并用不同粒径的球体填充所述多面体壳，形成多面体集料颗粒，提取所述多面体集料颗粒的几何特征参数，并以所述多面体集料颗粒替换掉所述虚拟沥青混合料试件空间内的基球；（4）将替换基球后的虚拟沥青混合料试件空间整体压缩，当孔隙率、围压及试件尺寸达到设定值时压实完成。

Description

一种基于离散元法的随机多面体集料的压实方法
技术领域
本发明涉及随机多面体集料的离散元模拟技术，尤其涉及一种基于离散元法的随机多面体集料的压实方法。
背景技术
要研究得到沥青混合料的各种性能，需采用压实后的集料试件。离散元在应用多面体计算时存在较多困难，而骨料的形状特征参数是除级配以外第二个最重要影响沥青混合料性能的因素，显然，现阶段所采用的球体颗粒模拟沥青混合料，不仅会对级配造成影响，同时模拟得到的各种性能存在较大误差。此外，在试件压实成型方面，为节省成型时间，多采用粒径扩大法，这种方法需改变颗粒粒径来达到压实的效果，但粒径的扩大对级配控制比较严格的沥青混合料则不适用。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于离散元法的随机多面体集料的压实方法。该方法能够反应集料颗粒的真实情况，并且在压实成型过程中能够良好的控制级配。本发明采用的技术方案为：
一种基于离散元法的随机多面体集料的压实方法，包括以下步骤：
（1）根据沥青混合料试件的指定尺寸，采用离散元程序生成尺寸扩大20~30倍的虚拟沥青混合料试件空间；
（2）根据沥青混合料试件的指定级配特征确定所需要的集料数量，在所述虚拟沥青混合料试件空间内建立与所需要的集料数量相同的基球群，并初步压缩到紧密状态；
（3）采用Matlab程序生成随机多面体壳，并用不同粒径的球体填充所述多面体壳，形成多面体集料颗粒，提取所述多面体集料颗粒的几何特征参数，并以所述多面体集料颗粒替换掉所述虚拟沥青混合料试件空间内的基球；
（4）将替换基球后的虚拟沥青混合料试件空间整体压缩，当孔隙率、围压及试件尺寸达到设定值时压实完成。
上述方法中，所述多面体壳若与实际需要的集料颗粒尺寸差距较大，应先将多面体壳的所有顶点沿着最小包围盒的尺寸拉伸到合适位置后再用不同粒径的球体填充。
上述方法中，所述基球群中单个基球的体积要大于或等于所述多面体集料颗粒的最小包围球，以确保替换后不会发生集料颗粒的重叠。
本发明的有益效果为：本发明提供了一种基于离散元法的随机多面体集料的压实方法，采用Matlab程序生成随机多面体集料，通过模拟真实集料颗粒的大小及几何参数，能够较为准确的研究沥青混合料的各种性能，并将多面体集料替换到沥青混合料的虚拟空间中，通过控制压缩比、孔隙率及围压对沥青混合料压缩成型，这种方法便于控制沥青混合料试件的尺寸、级配、孔隙率等，对于模拟级配特征、孔隙率、集料几何特性对沥青混合料性能的影响更加方便，能够更加真实的反应沥青混合料压缩成型过程，对于力学性能的研究也将更准确。
附图说明：
图1为本发明的随机多面体集料颗粒的结构示意图，其中（a）表示生成的随机多面体壳的结构示意图；（b）表示随机多面体壳被不同粒径的球体填充后的结构示意图。
图2为本发明实施例中沥青混合料试件的随机多面体集料压实模型的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
以AC16的沥青混合料为例，并结合附图详细说明本发明的实施步骤。沥青混合料AC16的级配见表1。
表1沥青混合料AC16的级配特征
一种基于离散元法的随机多面体集料的压实方法，包括以下步骤：
（1）根据沥青混合料AC16试件的指定尺寸（直径为10cm，高度为20cm），采用PFC3d离散元程序生成尺寸扩大30倍的虚拟沥青混合料试件空间；
（2）根据沥青混合料试件的指定级配特征确定所需要的集料数量，在所述虚拟沥青混合料试件空间内采用PFC3d离散元程序中的generate命令建立与所需要的集料数量相同的基球群，并初步压缩到紧密状态；
按照沥青混合料贝雷法设计理论，沥青混合料矿料组成中可以分为形成骨架的粗集料和起填充作用的细集料。受离散元计算效率的影响，取第一控制筛孔以上的颗粒进行计算能够反映其基本受力性能。根据表1计算集料数量过程如下：（需先将累计筛余转化为分级筛余，假设颗粒材质相同。）
第i号筛孔的平均粒径为：，表示第i-1号筛孔的粒径，表示第i号筛孔的粒径；
平均粒径为的基球体积为：，i=1，2，……，7；
第i号筛孔集料颗粒的个数表示为：，总颗粒个数为：，表示集料密度；
集料质量比为：；
该模拟中基球总个数N=360个，则第i号筛集料单元的个数为：
其中表示第i号集料单元的个数。
（3）采用Matlab程序生成随机多面体壳，并用不同粒径的球体填充所述多面体壳，形成多面体集料颗粒，其结构如图1所示，提取所述多面体集料颗粒的几何特征参数，所述几何特征参数包括：多面体集料颗粒中填充的球体个数、球心坐标、半径和形状参数，并以所述多面体集料颗粒替换掉所述虚拟沥青混合料试件空间内的基球，为避免生成的骨料方向相同，对多面体集料颗粒进行随机旋转操作，基球球心与多面体集料颗粒最小包围盒的中心对齐，并缩放多面体集料颗粒大小至满足粒径要求，利用Clump命令建立块体；
（4）采用PFC3d中的fish语言编写compress函数将替换基球后的虚拟沥青混合料试件空间整体压缩，当孔隙率达到5%、围压达到-1×104及试件尺寸达到直径为10cm、高度为20cm时压实完成，压实的随机多面体集料的结构如图2所示。
上述方法中，所述多面体壳若与实际需要的集料颗粒尺寸差距较大，应先将多面体壳的所有顶点沿着最小包围盒的尺寸拉伸到合适位置后再用不同粒径的球体填充。
上述方法中，所述基球群中单个基球的体积要大于所述多面体集料颗粒的最小包围球，以确保替换后不会发生集料颗粒的重叠。
为提高压缩效率，防止同时压缩导致墙体交界处的颗粒穿出墙体，本实例步骤（4）的整体压缩过程按照先径向压缩后轴向压缩的方法，通过控制压缩速度和围压来确定试件是否成型完毕。

Claims (1)

1.一种基于离散元法的随机多面体集料的压实方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）根据沥青混合料AC16试件的指定尺寸，采用离散元程序生成尺寸扩大20~30倍的虚拟沥青混合料试件空间，所述的沥青混合料AC16级配特征为：经过方孔筛筛孔/mm的通过率为 19.0mm通过率为100%，16.0 mm通过率为95%，13.2 mm通过率为84%，9.5 mm通过率为70%，4.75 mm通过率为48%，2.36 mm通过率为34%，1.18 mm通过率为24.5%，0.6 mm通过率为17.5%，0.3 mm通过率为12.5%，0.15 mm通过率为9.5%，0.075 mm通过率为6%；
（2）根据沥青混合料AC16试件的指定级配特征确定所需要的集料数量，在所述虚拟沥青混合料试件空间内采用PFC3d离散元程序中的generate命令建立与所需要的集料数量相同的基球群，并初步压缩到紧密状态；
（3）采用Matlab程序生成随机多面体壳，并用不同粒径的球体填充所述多面体壳，形成多面体集料颗粒，提取所述多面体集料颗粒的几何特征参数，所述几何特征参数包括：多面体集料颗粒中填充的球体个数、球心坐标、半径和形状参数，并以所述多面体集料颗粒替换掉所述虚拟沥青混合料试件空间内的基球，为避免生成的骨料方向相同，对多面体集料颗粒进行随机旋转操作，基球球心与多面体集料颗粒最小包围盒的中心对齐，并缩放多面体集料颗粒大小至满足粒径要求，利用Clump命令建立块体；
（4）采用PFC3d中的fish语言编写compress函数将替换基球后的虚拟沥青混合料试件空间整体压缩，具体的先径向压缩后轴向压缩，当孔隙率、围压及试件尺寸达到设定值时压实完成，其中：
所述多面体壳若与实际需要的集料颗粒尺寸差距较大，应先将多面体壳的所有顶点沿着最小包围盒的尺寸拉伸到合适位置后再用不同粒径的球体填充；
所述基球群中单个基球的体积要大于或等于所述多面体集料颗粒的最小包围球，以确保替换后不会发生集料颗粒的重叠。
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CN103218480A (zh) * 2013-03-20 2013-07-24 东南大学 一种随机构建沥青混合料多层次结构仿真模型的方法
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基于PFC3D的沥青混合料虚拟试验研究;张垚;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》;20160815;第14-28页"第二章 沥青混合料三维细观模型的构建"
基于离散元方法的沥青混合料劲度模量虚拟试验研究;田莉;《中国博士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》;20090815;第15页"2.1.2.1PFC的基本假设"、第18页"2.2任意多边形与多面体颗粒随机生成技术"-第23页 "2.3基于随机生成技术的沥青混合料二维与三维数字重构"，表2.1

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