CN107784163B - 一种沥青混合料空隙结构离散元模拟方法 - Google Patents

一种沥青混合料空隙结构离散元模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种沥青混合料空隙结构离散元模拟方法，包括以下步骤：(1)室内试件旋转压实成型；(2)室内试件CT扫描；(3)室内试件结构分层与空隙统计分析；(4)不同层位空隙随机位置确定；(5)不同层位空隙结构扩展；(6)模拟试件最终成型。本发明的优点在于突破道路工程离散元模拟过程中空隙细观结构仿真的难点，采用离散元软件PFC3D，结合CT扫描信息确定不同旋转压实功下空隙结构在试件内的分布规律，并拟合出不同压实功下对应沥青混合料的空隙结构预估公式，可以根据室内实验不同的压实功作用，快速成型空隙结构，同时考虑空隙形态的各向异性，提出一种空隙结构扩展的成型方法，为应对大批量的沥青混合料试验模拟任务提供指导。

Description

一种沥青混合料空隙结构离散元模拟方法
技术领域
本发明属于道路工程技术领域，尤其涉及一种旋转压实作用下沥青混合料空隙结构离散元模拟方法。
背景技术
在道路工程数值离散模拟试验中，沥青混合料的空隙结构模拟一直是难点，成为精确模拟仿真的阻碍，PFC3D软件内，现有的模拟方法中，主要分为两种，一类是随机删除小球颗粒来模拟空隙，该类方法仅仅保证空隙总量与室内试件保持一致，但是空隙的结构、形态过于简化，与实际并不符合；第二类方法通过精确扫描，图像识别，真实重构出每一个空隙的形态，这类方法精确度较高，但是对于设备的依赖性较强，且模拟周期极长，无法应对大批量的试验模拟任务。
发明内容
发明目的：针对以上问题，提出一种快捷的沥青混合料空隙结构离散元模拟方法。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种沥青混合料空隙结构离散元模拟方法，包括以下步骤：
(1)室内试件旋转压实成型；
(2)CT扫描室内试件；
(3)室内试件结构分层与空隙统计分析；
(4)不同层位空隙随机位置确定；
(5)不同层位空隙结构扩展；
(6)模拟试件成型。
所述步骤(1)中，计算最佳油石比，确定沥青用量，采用旋转压实仪，在不同的压实功作用下，成型多组沥青混合料试件。
所述步骤(2)中，对沥青混合料试件进行CT扫描，扫描方向沿着试件纵向，每组试件获得若干试件圆形截面图，扫描前，标记圆形截面的起始位置。
所述步骤(3)中，以标记为起始位置，顺时针旋转，将试件的一个纵截面分为一层，并做标记，对沥青混合料圆形截面进行图像处理，识别其中空隙，并进行数据统计；所述数据包括整个试件沿着纵向方向上空隙个数分布比例m、空隙总面积分布比例n；其中，空隙总面积分布比例按照二次拟合公式进行拟合。
所述步骤(4)中，将试件的空隙结构随机分配给划分的矩形截面，随机分配方法如下：
(4.1)假设选取试件纵向高度为hh，根据空隙扫描信息汇总，获得hh高度下空隙总个数nn与空隙总面积mm；
(4.2)在PFC3D软件内建立n个随机数，并将n个随机数从小到大依次排列并记为k1、k2、k3、k4、……、kn；
(4.3)以k1、k2-k1、k3-k2、k4-k3、……、1-kn作为每层矩形截面的空隙个数、空隙面积分配比例，则每层矩形截面在高度hh下，空隙个数分别为nn×k1、nn×(k2-k1)、nn×(k3-k2)、nn×(k4-k3)、……、nn×(1-kn)；空隙面积为mm×k1、mm×(k2-k1)、mm×(k3-k2)、mm×(k4-k3)、……、mm×(1-kn)；
(4.4)令hh＝hh+1，循环上述1-3步骤，直至每层矩形截面上所有纵向高度的空隙都随机分配完成。
在PFC3D软件中建立圆柱形墙作为虚拟试筒，在试筒范围内依次遍历生成首尾相连、上下相连的小球颗粒，将所有的小球颗粒划分为n+1组，标记组别，每组代表室内实验的一层矩形截面，再根据各层在不同高度确定的空隙数量，循环判断该层截面该高度下所有的小球，判断方法如下：
建立随机控制数j，每次判断一个小球时，比较j的大小，若j小于0.05，则改变该小球的颜色指数为2，并将所有颜色指数为2的小球定义为空隙，直到该层截面该高度下颜色指数为2的小球颗粒数量等于该层截面该高度下随机分配的空隙数量；通过该种方法，循环处理n+1层所有截面内的小球颗粒，最终成型虚拟试件内所有空隙的初始位置。
所述步骤(5)中，根据不同高度处随机分配的空隙面积进行空隙结构扩展，扩展的结构分别为2个、3个、4个、……、m个小球聚粒，按照如下方式进行：
(5.1)选择第i层矩形截面，纵向高度为hi，该层截面该高度下空隙面积为mi；
(5.2)随机选取该层截面该高度下的空隙初始位置，并获得与该初始位置左右、上下相连接的k个小球位置信息；
(5.3)判断该位置处空隙的结构扩展形式，一种是保持结构不变，以单个小球表示空隙结构；
(5.4)若判断该位置处扩展为2个小球聚粒，则在获得的相邻的k个小球内随机选择1个小球并改变其颜色指数为2；若判断该位置处扩展为3个小球聚粒，则在获得的相邻的k个小球内随机选择2个小球并改变其颜色指数为2；若判断该位置处扩展为4个小球聚粒，则在获得的相邻的k个小球内随机选择3个小球并改变其颜色指数为2，以此类推；
(5.5)循环判断该层该高度下所有初始空隙位置的扩展形式，直到该层该高度下颜色指数为2的小球面积与要求的空隙面积一致。
所述步骤(6)中，将所有颜色指数为2的小球定义为空隙，通过delete命令统一删除，在PFC3D软件内建立空隙结构。
有益效果：本发明的优点在于：(1)能够快速判断空隙分布规律，同时结合CT扫描获得沥青混合料试件的准确空隙信息在空隙虚拟形态的模拟上，将沥青混合料试件划分层位，以空隙数量、面积的层间分配，表征空隙结构分布的不均匀性；(2)通过空隙结构扩展，保证了空隙结构的多样性与各向异性；(3)根据不同级配、不同旋转压实功作用，提出了空隙分布的预估公式，可以根据预估公式快速判断不同级配的空隙组成，节省大量成本；(4)本专利所提出的方法，适用性广，可以较好的应对大批量的数值模拟任务。
附图说明
图1是本发明方法生成的空隙结构和沥青混合料层位划分示意图；
图2是本发明的空隙扩展形式示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示是本发明的旋转压实作用下沥青混合料空隙结构离散元模拟方法，包括以下步骤：
(1)室内试件旋转压实成型；
采用铁质的圆柱形试筒成型沥青混合料试件，半径25cm，高度80cm，级配采用SMA13，通过计算最佳油石比确定沥青用量，采用旋转压实仪，在不同的压实功作用下，成型4组沥青混合料试件，压实功分别为50G、75G、100G、150G。
(2)室内试件CT扫描；
对4组沥青混合料试件分别进行CT扫描，扫描方向沿着试件纵向，扫描步长为1cm，每组试件共获得80个半径为25cm的试件圆形截面图，扫描前，用标签标记圆形截面的起始位置。
(3)室内试件结构分层与空隙统计分析；
以标签标记的起始位置，顺时针旋转，每旋转18°将试件的一个纵截面分为一层，共分为20层，如图1所示，分别标记为1-20。每一层截面长80cm，宽50cm，对CT扫描获取的每个沥青混合料80个圆形截面进行图像处理，识别其中空隙，并进行数据统计，包括整个试件沿着纵向方向上空隙个数分布比例m、空隙总面积分布比例n。
其中，空隙总面积分布比例按照下述二次公式进行拟合，基于拟合公式获得50G、75G、100G、150G压实功下不同的a、b、c值：
Figure GDA0002978343670000041
式中，y(x)为空隙总面积沿着试件纵向的分布比例；x为沥青混合料试件纵向深度；a、b、c为空隙总面积沿着纵向分布的经验参数；H为沥青混合料试件旋转压实的高度。
(4)PFC3D内不同层位空隙随机位置确定；
将整个试件的空隙结构随机分配给划分的20层矩形截面，其中在每一个纵向高度上，20层矩形截面的空隙个数和、空隙面积和应等于整个试件在该纵向高度上的空隙个数和、空隙面积和。随机分配方法按照如下进行：
(4.1)假设选取试件纵向高度为hh(cm)，hh初始值为0cm，根据空隙扫描信息汇总，获得hh(cm)高度下空隙总个数nn与空隙总面积mm；
(4.2)在PFC3D软件内以URAND命令建立n个随机数，n可选19，其中，URAND为0-1之间均匀分布的随机数，并将这19个随机数从小到大依次排列并记为k1、k2、k3、k4、k5、k6……k19；
(4.3)以k1、k2-k1、k3-k2、k4-k3……k19-k18、1-k19作为1-20层矩形截面的空隙个数、空隙面积分配比例，则1-20层矩形截面在高度hh(cm)下，空隙个数分别为nn×k1、nn×(k2-k1)、nn×(k3-k2)、nn×(k4-k3)、……、nn×(k19-k18)、nn×(1-k19)；空隙面积为mm×k1、mm×(k2-k1)、mm×(k3-k2)、mm×(k4-k3)、……、mm×(k19-k18)、mm×(1-k19)；
(4.4)令hh＝hh+1，循环上述1-3步骤，直至20层矩形截面上所有纵向高度的空隙都随机分配完成。
在离散元软件PFC3D中建立半径为25cm，高为80cm的圆柱形墙作为虚拟试筒，在试筒范围内依次遍历生成首尾相连、上下相连的小球颗粒，小球颗粒半径为0.5mm，颜色指数为1，将所有的小球颗粒根据步骤4中所述的方法划分为20组，组别分别记为1-20，每组代表室内实验的一层矩形截面，如图1所示。
根据各层在不同高度确定的空隙数量，循环判断该层截面该高度下所有的小球，以URAND命令建立随机控制数j，每次判断一个小球时，比较j的大小，若j小于0.05，则改变该小球的颜色指数为2，并将所有颜色指数为2的小球定义为空隙，直到该层截面该高度下颜色指数为2的小球颗粒数量等于该层截面该高度下随机分配的空隙数量；通过该种方法，循环处理1-20层所有截面内的小球颗粒，可以最终成型虚拟试件内所有空隙的初始位置。
(5)PFC3D内不同层位空隙结构扩展；
根据20层不同高度处随机分配的空隙面积进行空隙结构扩展，扩展的结构分别为2个小球聚粒、3个小球聚粒、4个小球聚粒、……m个小球聚粒，如图2所示。
按照如下方式进行：
(5.1)选择第i层矩形截面，纵向高度为hi，该层截面该高度下空隙面积为mi；
(5.2)随机选取该层截面该高度下的空隙初始位置，并获得与该初始位置左右、上下相连接的k＝9个小球位置信息；
(5.3)判断该位置处空隙的结构扩展形式，分为4种情况，一种是保持结构不变，以单个小球表示空隙结构，其他3种情况分别为扩展为2个小球聚粒、3个小球聚粒、4个小球聚粒；
(5.4)若判断该位置处扩展为2个小球聚粒，则在获得的相邻的9个小球内随机选择1个小球并改变其颜色指数为2；若判断该位置处扩展为3个小球聚粒，则在获得的相邻的9个小球内随机选择2个小球并改变其颜色指数为2；若判断该位置处扩展为4个小球聚粒，则在获得的相邻的9个小球内随机选择3个小球并改变其颜色指数为2，以此类推；
(5.5)循环判断该层该高度下所有初始空隙位置的扩展形式，直到该层该高度下颜色指数为2的小球面积与要求的空隙面积一致。
(6)模拟试件最终成型。
将所有颜色指数为2的小球定义为空隙，通过delete命令统一删除，在PFC3D软件内建立空隙结构。
在建立不同沥青混合料旋转压实作用下的虚拟空隙结构时，应根据拟合公式，首先确定不同压实功下合适的经验参数a、b、c，依据a、b、c的值，可以无需室内试验快速判断不同级配以及不同旋转压实功作用下空隙结构的分布特点，以达到快速成型虚拟试件的目标且无需依赖试验室测量。
本专利仅以级配SMA13为例，通过空隙结构分布拟合、结构层位划分、空隙结构初始位置确定、空隙结构扩展，阐述了虚拟空隙结构的成型方法，仅仅试验材料、试验条件作了改动，而模拟方法类似的成果均属于本专利的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种沥青混合料空隙结构离散元模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)室内试件旋转压实成型；
(2)CT扫描室内试件，扫描方向沿着试件纵向，每组试件获得若干试件圆形截面图，扫描前，标记圆形截面的起始位置；
(3)室内试件结构分层与空隙统计分析，以标记为起始位置，顺时针旋转，将试件的一个纵截面分为一层，并做标记，对沥青混合料圆形截面进行图像处理，识别其中空隙，并进行数据统计；
(4)不同层位空隙随机位置确定，将试件的空隙结构随机分配给划分的矩形截面，随机分配方法如下：
(4.1)假设选取试件纵向高度为hh，根据空隙扫描信息汇总，获得hh高度下空隙总个数nn与空隙总面积mm；
(4.2)在PFC3D软件内建立n个随机数，并将n个随机数从小到大依次排列并记为k1、k2、k3、k4、……、kn；
(4.3)以k1、k2-k1、k3-k2、k4-k3、……、1-kn作为每层矩形截面的空隙个数、空隙面积分配比例，则每层矩形截面在高度hh下，空隙个数分别为nn×k1、nn×(k2-k1)、nn×(k3-k2)、nn×(k4-k3)、……、nn×(1-kn)；空隙面积为mm×k1、mm×(k2-k1)、mm×(k3-k2)、mm×(k4-k3)、……、mm×(1-kn)；
(4.4)令hh＝hh+1，循环上述4.1-4.3步骤，直至每层矩形截面上所有纵向高度的空隙都随机分配完成；
(5)不同层位空隙结构扩展；
(6)模拟试件成型。
2.根据权利要求1所述的沥青混合料空隙结构离散元模拟方法，其特征在于：所述步骤(1)中，计算最佳油石比，确定沥青用量，采用旋转压实仪，在不同的压实功作用下，成型多组沥青混合料试件。
3.根据权利要求1所述的沥青混合料空隙结构离散元模拟方法，其特征在于：所述步骤(3)中，所述数据包括整个试件沿着纵向方向上空隙个数分布比例m、空隙总面积分布比例n；其中，空隙总面积分布比例按照二次拟合公式进行拟合。
4.根据权利要求1所述的沥青混合料空隙结构离散元模拟方法，其特征在于：所述步骤(4)中，在PFC3D软件中建立圆柱形墙作为虚拟试筒，在试筒范围内依次遍历生成首尾相连、上下相连的小球颗粒，将所有的小球颗粒划分为n+1组，标记组别，每组代表室内实验的一层矩形截面，再根据各层在不同高度确定的空隙数量，循环判断该层截面该高度下所有的小球，判断方法如下：
建立随机控制数j，每次判断一个小球时，比较j的大小，若j小于0.05，则改变该小球的颜色指数为2，并将所有颜色指数为2的小球定义为空隙，直到该层截面该高度下颜色指数为2的小球颗粒数量等于该层截面该高度下随机分配的空隙数量；通过该种方法，循环处理n+1层所有截面内的小球颗粒，最终成型虚拟试件内所有空隙的初始位置。
5.根据权利要求1所述的沥青混合料空隙结构离散元模拟方法，其特征在于：所述步骤(5)中，根据不同高度处随机分配的空隙面积进行空隙结构扩展，扩展的结构分别为2个、3个、4个、……、m个小球聚粒，按照如下方式进行：
(5.1)选择第i层矩形截面，纵向高度为hi，该层截面该高度下空隙面积为mi；
(5.2)随机选取该层截面该高度下的空隙初始位置，并获得与该初始位置左右、上下相连接的k个小球位置信息；
(5.3)判断该位置处空隙的结构扩展形式，一种是保持结构不变，以单个小球表示空隙结构；
(5.4)若判断该位置处扩展为2个小球聚粒，则在获得的相邻的k个小球内随机选择1个小球并改变其颜色指数为2；若判断该位置处扩展为3个小球聚粒，则在获得的相邻的k个小球内随机选择2个小球并改变其颜色指数为2；若判断该位置处扩展为4个小球聚粒，则在获得的相邻的k个小球内随机选择3个小球并改变其颜色指数为2，以此类推；
(5.5)循环判断该层该高度下所有初始空隙位置的扩展形式，直到该层该高度下颜色指数为2的小球面积与要求的空隙面积一致。
6.根据权利要求1所述的沥青混合料空隙结构离散元模拟方法，其特征在于：所述步骤(6)中，将所有颜色指数为2的小球定义为空隙，通过delete命令统一删除，在PFC3D软件内建立空隙结构。
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