CN107644121A - 一种路面材料骨架结构的逆向三维重构与实体建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种路面材料骨架结构的逆向三维重构与实体建模方法，属于建筑工程技术领域。本发明包括步骤：试验集料的三维扫描；试验集料的3D打印；微型无线微惯性传感器的安装；含3D打印集料的混合料制备；点云坐标系的建立；点云坐标系的转换重建；三维实体重构建模；数值模拟分析。本发明能较真实的模拟混合料的实际情况，有效地研究混合料级配对混合料骨架结构的影响，为评价粗集料是否形成稳定的骨架结构提供新方法。

Description

一种路面材料骨架结构的逆向三维重构与实体建模方法

技术领域

本发明涉及一种路面材料骨架结构的逆向三维重构与实体建模方法，属于建筑工程技术领域。

背景技术

早期研究中，为解决具体工程问题，研究者们多从宏观角度入手，以经验指标判定粗集料是否形成骨架。但工程实践表明，沥青混合料的宏观力学性能受其细观结构特征影响。因此，采用宏观尺度上的性能平均统计指标，无法准确地判定粗集料是否形成稳定的骨架结构。近年来，随着计算机与测试分析技术的发展，研究者运用数字图像处理技术对骨架的细观结构特征开展了大量研究工作。其中，二维数字图像处理利用沥青混合料试件的切片断面图像，获取骨架的细观结构信息，结合有限元、离散元等方法可对集料骨架的细观力学行为进行数值分析，但是二维数字图像处理技术无法描述骨架结构的三维空间信息，因此具有局限性；随着X-ray CT无损检测技术的发展，计算机层析扫描三维重建技术被引入沥青混合料细观结构研究领域，不仅可获取混合料内部结构的三维特征信息，还可识别混合料在荷载作用前后内部的细微变化，精细化地分析骨架结构在细观层次上的力学行为，但是X-ray CT技术目前可探测的试件尺寸有限，使用成本偏高，集料的识别与分离精度影响颗粒接触状态分析等因素，限制了该无损检测重构技术手段在路面材料研究及公路建设领域的推广服务范围。

发明内容

本发明提供了一种路面材料骨架结构的逆向三维重构与实体建模方法，本方法能较真实的模拟混合料的实际情况，有效地研究混合料级配对混合料骨架结构的影响，以用于准确的判断沥青混合料内部是否形成稳定的、路用性能优良的骨架结构。

本发明的技术方案是：一种路面材料骨架结构的逆向三维重构与实体建模方法，包括如下几个步骤：试验集料的三维扫描；试验集料的3D打印；微型无线微惯性传感器的安装；含3D打印集料的混合料制备；点云坐标系的建立；点云坐标系的转换重建；三维实体重构建模；数值模拟分析。

所述方法的具体步骤如下：

A、试验集料的三维扫描；

应用非接触式三维激光扫描仪对试验用粗集料颗粒进行扫描，获得反映集料表面特征信息的高密度点云；应用逆向工程软件Imageware对三维点云数据进行处理，利用边界线与点云拟合成集料的曲面模型；在UG设计软件里通过曲面缝合与布尔运算，完成对粗集料颗粒的逆向三维实体建模；对后续试验中制备混合料试件用的每颗粗集料进行实体建模，编号后存入数据库；

B、试验集料的3D打印；

根据粗集料的路用质量技术要求，采用3D打印机导入集料的数字化模型，配以3D打印原材料制备3D打印集料样品；

所述步骤 B 中所述3D打印原材料，是一种采用无机材料粉末、高硬度砂、纤维、黏结剂、增韧剂基础材料调配形成的，压碎值、磨耗损失、坚固性、磨光值及粘附性试验指标均符合粗集料的路用质量技术要求的复合材料。

C、微型无线微惯性传感器的安装；

首先将3D打印集料的一侧切开，之后将微型无线微惯性传感器置于其内部，然后用环氧树脂对其进行连接处理，各个粗集料内部的微型无线微惯性传感器都已进行编号，与粗集料的编号分别对应；

D、含3D打印集料的混合料制备；

将安装好微型无线微惯性传感器的3D打印集料替换原来的粗集料，将其与其它试验材料调配制备形成混合料；

E、点云坐标系的建立；

首先在逆向工程软件 Imageware中建立代表集料空间位置的局部坐标系（P-u,v,w），以微型无线微惯性传感器靶心为原点P（u₀,v₀,w₀），定义P-u轴、P-v轴、P-w轴方向，将粗集料扫描获得的表面轮廓特征点云数据导入逆向工程软件 Imageware，对齐靶心基准点与坐标系原点，生成集料的点云模型，计算集料点云在局部坐标系中的三维坐标数据，再将每颗试验用集料在局部坐标系下的点云数据与内置微型无线微惯性传感器匹配，存入数据库；其次在逆向工程软件 Imageware中建立用户全局坐标系（O-x,y,z），以传感器信号检测设备感应片中心点为原点O（x₀,y₀,z₀），定义O-x轴、O-y轴、O-z轴方向；

F、点云坐标系的转换重建；

局部坐标系三轴与全局坐标系三轴的姿态角为（θ_i,θ_i,θ_i）；在全局坐标系中检测混合料试件内每颗3D打印粗集料内置微型无线微惯性传感器的6D位姿数据Pi（x_i,y_i,z_i,θ_i,θ_i,θ_i）；将数据库中集料的局部坐标系点云数据导入逆向工程软件 Imageware，通过空间平移旋转，解算该集料在全局坐标系中相应的轮廓点云数据；

G、三维实体重构建模；

应用UG软件NX功能模块，从数据库中提取试件内每颗3D打印粗集料在全局坐标系中的点云数据，进行三维实体重构，建立混合料粗集料骨架结构的实体模型，借助数字图像处理技术，对混合料粗集料骨架结构的逆向三维重构精度进行校准与修正；

H、数值模拟分析；

利用UG NX定义粗集料颗粒及颗粒在混合料内的存在环境，建立反映粗集料颗粒三维轮廓特征的混合料离散元前处理模型，生成STEP格式解算文件，导入离散元分析软件EDEM中进行求解与后处理。

本发明的有益效果是：

1、本发明提出一套基于逆向工程原理，综合运用三维扫描、点云处理、3D打印、空间测量及实体重构等技术手段，从逆向实现沥青混合料骨架结构三维重构的方法及技术路线。

2、本发明提出的方法交叉融合多学科领域的原理方法与技术手段，可真实地还原混合料骨架在细观层次上的结构特征，具有显著的学术创新性。

3、该方法能较真实的模拟混合料的实际情况，有效地研究混合料级配对混合料骨架结构的影响，为评价粗集料是否形成稳定的骨架结构提供新方法。

4、提出了一套基于混合料骨架结构三维重构实体模型，运用UG NX与数值模拟分析软件（EDEM、ANSYS）协调建模分析技术，对混合料细观力学行为进行数值分析的方法。可充分发挥计算机辅助设计软件功能完备的建模优势与数值模拟分析软件强大的非连续介质力学行为解算功能，反映粗集料颗粒的空间轮廓特征，提升前处理模型的真实性，保证骨架结构细观力学行为数值模拟的准确性，因此可为复杂的混合料结构体系的细观力学行为分析提供一条新的途径，在路面材料研究领域具有一定的技术推广价值。

附图说明

图1是本发明粗集料空间姿态测量示意图；

图2是本发明点云坐标系转换重建示意图；

图3是本发明粗集料三维实体重构示意图；

图4是本发明UG NX前处理建模示意图；

图5是本发明流程图。

具体实施方式

实施例1：如图1-4所示，一种路面材料骨架结构的逆向三维重构与实体建模方法，本次试验采用的是沥青混合料，制备AC-16C沥青混合料，选取的级配如表1所示：

表1

分别按照通过率1～3分档筛出集料进行混合料掺配，油石比5.5%，内掺矿粉3%，集料：石灰石；

选取的粗集料为筛孔2.36mm以上的集料，然后进行以下步骤：

A、试验集料的三维扫描；应用非接触式三维激光扫描仪对试验用粗集料颗粒进行扫描，获得反映集料表面特征信息的高密度点云；应用逆向工程软件Imageware对三维点云数据进行处理，利用边界线与点云拟合成集料的曲面模型；在UG设计软件里通过曲面缝合与布尔运算，完成对粗集料颗粒的逆向三维实体建模；对后续试验中制备混合料试件用的每颗粗集料进行实体建模，编号1，2，3 ·····后存入数据库。

B、试验集料的3D打印；根据粗集料的路用质量技术要求，采用3D打印机导入集料的数字化模型，配以一种采用无机材料粉末、高硬度砂、纤维、黏结剂、增韧剂等基础材料调配形成的，压碎值、磨耗损失、坚固性、磨光值及粘附性试验等指标均符合粗集料的路用质量技术要求的复合材料制备3D打印集料样品。

C、微型无线微惯性传感器的安装；首先将3D打印集料的一侧切开，之后将微型无线微惯性传感器置于其内部，然后用环氧树脂对其进行连接处理，各个粗集料内部的微型无线微惯性传感器都已进行编号，与粗集料的编号分别对应。

D、含3D打印集料的混合料制备；将安装好微型无线微惯性传感器的3D打印集料替换原来的粗集料，将其与其它试验材料调配制备形成混合料。

E、点云坐标系的建立；首先在逆向工程软件 Imageware中建立代表集料空间位置的局部坐标系（P-u,v,w），以微型无线微惯性传感器靶心为原点P（u₀,v₀,w₀），定义P-u轴、P-v轴、P-w轴方向，将粗集料扫描获得的表面轮廓特征点云数据导入逆向工程软件Imageware，对齐靶心基准点与坐标系原点，生成集料的点云模型，计算集料点云在局部坐标系中的三维坐标数据，再将每颗试验用集料在局部坐标系下的点云数据与内置微型无线微惯性传感器匹配，存入数据库；其次在逆向工程软件 Imageware中建立用户全局坐标系（O-x,y,z），以传感器信号检测设备感应片中心点为原点O（x₀,y₀,z₀），定义O-x轴、O-y轴、O-z轴方向。

F、点云坐标系的转换重建；局部坐标系三轴与全局坐标系三轴的姿态角为（θ_i,θ_i,θ_i）；在全局坐标系中检测混合料试件内每颗3D打印粗集料内置微型无线微惯性传感器的6D位姿数据Pi（x_i,y_i,z_i,θ_i,θ_i,θ_i）；将数据库中集料的局部坐标系点云数据导入逆向工程软件 Imageware，通过空间平移旋转，解算该集料在全局坐标系中相应的轮廓点云数据，点云坐标系转换重建示意图如图2所示。

G、三维实体重构建模；应用UG软件NX功能模块，从数据库中提取试件内每颗3D打印粗集料在全局坐标系中的点云数据，进行三维实体重构，建立混合料粗集料骨架结构的实体模型，借助数字图像处理技术，对混合料粗集料骨架结构的逆向三维重构精度进行校准与修正（如图3所示）。

H、数值模拟分析；利用UG NX定义粗集料颗粒及颗粒在混合料内的存在环境，建立反映粗集料颗粒三维轮廓特征的混合料离散元前处理模型（如图4所示），生成STEP格式解算文件，导入离散元分析软件EDEM中进行求解与后处理。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (3)

1.一种路面材料骨架结构的逆向三维重构与实体建模方法，其特征在于：包括如下几个步骤：试验集料的三维扫描；试验集料的3D打印；微型无线微惯性传感器的安装；含3D打印集料的混合料制备；点云坐标系的建立；点云坐标系的转换重建；三维实体重构建模；数值模拟分析。

2.根据权利要求1所述的路面材料骨架结构的逆向三维重构与实体建模方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：

A、试验集料的三维扫描；

应用非接触式三维激光扫描仪对试验用粗集料颗粒进行扫描，获得反映集料表面特征信息的高密度点云；应用逆向工程软件Imageware对三维点云数据进行处理，利用边界线与点云拟合成集料的曲面模型；在UG设计软件里通过曲面缝合与布尔运算，完成对粗集料颗粒的逆向三维实体建模；对后续试验中制备混合料试件用的每颗粗集料进行实体建模，编号后存入数据库；

B、试验集料的3D打印；

根据粗集料的路用质量技术要求，采用3D打印机导入集料的数字化模型，配以3D打印原材料制备3D打印集料样品；

C、微型无线微惯性传感器的安装；

首先将3D打印集料的一侧切开，之后将微型无线微惯性传感器置于其内部，然后用环氧树脂对其进行连接处理，各个粗集料内部的微型无线微惯性传感器都已进行编号，与粗集料的编号分别对应；

D、含3D打印集料的混合料制备；

将安装好微型无线微惯性传感器的3D打印集料替换原来的粗集料，将其与其它试验材料调配制备形成混合料；

E、点云坐标系的建立；

首先在逆向工程软件 Imageware中建立代表集料空间位置的局部坐标系（P-u,v,w），以微型无线微惯性传感器靶心为原点P（u₀,v₀,w₀），定义P-u轴、P-v轴、P-w轴方向，将粗集料扫描获得的表面轮廓特征点云数据导入逆向工程软件 Imageware，对齐靶心基准点与坐标系原点，生成集料的点云模型，计算集料点云在局部坐标系中的三维坐标数据，再将每颗试验用集料在局部坐标系下的点云数据与内置微型无线微惯性传感器匹配，存入数据库；其次在逆向工程软件 Imageware中建立用户全局坐标系（O-x,y,z），以传感器信号检测设备感应片中心点为原点O（x₀,y₀,z₀），定义O-x轴、O-y轴、O-z轴方向；

F、点云坐标系的转换重建；

局部坐标系三轴与全局坐标系三轴的姿态角为（θ_i,θ_i,θ_i）；在全局坐标系中检测混合料试件内每颗3D打印粗集料内置微型无线微惯性传感器的6D位姿数据Pi（x_i,y_i,z_i,θ_i,θ_i,θ_i）；将数据库中集料的局部坐标系点云数据导入逆向工程软件 Imageware，通过空间平移旋转，解算该集料在全局坐标系中相应的轮廓点云数据；

G、三维实体重构建模；

应用UG软件NX功能模块，从数据库中提取试件内每颗3D打印粗集料在全局坐标系中的点云数据，进行三维实体重构，建立混合料粗集料骨架结构的实体模型，借助数字图像处理技术，对混合料粗集料骨架结构的逆向三维重构精度进行校准与修正；

H、数值模拟分析；

利用UG NX定义粗集料颗粒及颗粒在混合料内的存在环境，建立反映粗集料颗粒三维轮廓特征的混合料离散元前处理模型，生成STEP格式解算文件，导入离散元分析软件EDEM中进行求解与后处理。

3.根据权利要求2所述的路面材料骨架结构的逆向三维重构与实体建模方法，其特征在于：所述步骤 B 中所述3D打印原材料，是一种采用无机材料粉末、高硬度砂、纤维、黏结剂、增韧剂基础材料调配形成的，压碎值、磨耗损失、坚固性、磨光值及粘附性试验指标均符合粗集料的路用质量技术要求的复合材料。