CN110110397B - 沥青路面胶轮压路机揉搓碾压的模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种沥青路面胶轮压路机揉搓碾压的模拟方法，将离散元软件作为模拟的基础软件，在该离散元软件中生成沥青路面的颗粒域并设置参数；生成胶轮轮胎的模型，并导入到动力学软件中，设置相关参数；利用动力学软件控制胶轮压路机压实模拟过程中轮胎的运动。本发明将离散元软件与动力学软件进行耦合，能够模拟沥青路面上胶轮压路机揉搓碾压的情况。本发明方法操作简单，模拟可视化，经济有效，可以模拟沥青路面颗粒的受力情况，以及胶轮压路机在压实过程中的轮胎变形，对于沥青路面的压实施工具有一定的指导意义。

Description

沥青路面胶轮压路机揉搓碾压的模拟方法

技术领域

本发明属于图像仿真技术领域，涉及沥青路面离散元数值仿真技术，具体涉及沥青路面胶轮压路机揉搓碾压的模拟方法。

背景技术

沥青混合料的压实是路面施工的关键工序。大量的研究表明：路面的早期破坏与路面的压实质量直接相关。压实度是严格控制的指标之一，对沥青路面施工质量、使用性能和使用寿命有重要影响，在一定程度上决定了沥青路面的抗水损害能力、抗车辙能力和耐久性。压实一般分为静力压实、搓揉压实、振动压实、夯实和冲击压实，其中振动压实因其作业效果较好应用最多。在过去的沥青混凝土铺层压实施工过程中，往往更多的采用是静压和振动压实。不过道路工作者发现，只经过静压和振动压实的路面往往很容易出现损坏，这是由于路面材料分布不均，导致路面结构不均匀，容易出现早期损坏。胶轮压路机是一种广泛应用于沥青混凝土面层压实施工的机械，胶轮压路机的轮胎能够对沥青混凝土铺层材料产生揉搓作用，从而沥青混凝土铺层的小颗粒可以实现位移，使得被压材料的颗粒分布更加均匀，也更加密实，达到更好的压实效果。路面压实的重要性以及胶轮压路机的揉搓压实也引起了道路科研工作者的关注和重视。他们也对压实进行了大量的研究工作，取得了一定的成果。比如研究胶轮压路机揉搓碾压的压实机理，沥青路面压路机组合式碾压实施措施等，这些是属于宏观层面的研究，无法在本质上去研究揉搓压实过程中沥青混合料颗粒的状态，而且研究成本高，时间长。

因此，微观分析成了近年来沥青路面压实研究的新方向。离散元方法能够在细观方面研究沥青混合料颗粒的本质特征。目前，国内主要使用有限元软件ABAQUS和离散元软件PFC来研究沥青混合料的力学性能和颗粒状态。然而，目前对于沥青路面压实的离散元研究相对较少，特别是业内尚缺乏对于胶轮揉搓碾压的模拟。目前离散元模拟使用的软件主要是PFC^2D和PFC^3D，PFC在操作使用上存在一定难度，在模拟过程中存在一定的局限性。现有的模拟存在颗粒域较小，动力学模拟不好控制、胶轮揉搓碾压模拟无法实现等问题，对于现实中的沥青路面压实过程贴合度也不够。

发明内容

为克服上述现有模拟软件的局限性，本发明提供一种沥青路面胶轮压路机揉搓碾压的模拟方法，尝试新的离散元软件和动力学软件的耦合减小模拟难度，模拟出压实过程中轮胎的变形以及胶轮对沥青混合料的揉搓作用，贴近沥青路面胶轮压路机揉搓碾压的真实状态，也能够更好地研究沥青路面颗粒受力的状态。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

沥青路面胶轮压路机揉搓碾压的模拟方法，包括以下步骤：

步骤1，确定空间区域，通过等比例放缩选取沥青路面中一部分进行研究分析；

步骤2，根模拟的沥青路面混合料级配类型，计算混合料的颗粒数，并设置颗粒参数；

步骤3，在离散元软件中设置颗粒间的接触模型，并在颗粒域内随机生成出所有颗粒，颗粒生成后形成了自然摊铺状态，随后对颗粒域进行预压，使颗粒密实平整；

步骤4，根据胶轮压路机的轮胎布置，生成胶轮轮胎的模型，导入到动力学软件中，并在该软件中赋予轮胎特征参数及运动参数；

步骤5，设置轮胎的位置坐标，将轮胎模型导入到离散元软件中，将离散元软件与动力学软件进行耦合模拟，模拟并观察沥青路面胶轮压路机揉搓碾压的过程；

步骤6，模拟仿真结束后，利用软件的后处理功能对颗粒的受力及运动情况进行分析研究。

进一步的，所述步骤1给定的空间区域的尺寸大小为实际施工路面的压实尺寸缩小了若干倍，其中颗粒域高度与沥青路面上面层厚度相当，高度范围为4cm-6cm。

进一步的，所述步骤2中颗粒参数包括以下参数中的至少一种：相应的密度、剪切模量、接触半径、恢复系数、摩擦系数。

进一步的，所述步骤2中，只计算颗粒的粒径大于或等于2.36mm的集料。

进一步的，所述步骤3中颗粒间的接触模型采用爱丁堡粘结模型。

进一步的，所述步骤4中，胶轮压路机的轮胎布置方式需要考虑到颗粒域的大小并根据实际布置情况进行放缩，胶轮压路机原型参考SR26T/SR26T-3型胶轮压路机。

进一步的，所述步骤4中轮胎特征参数包括以下参数中的至少一种：内外径尺寸、宽度、胎压、质量。

进一步的，步骤6中分析研究的内容包括：轮胎周围颗粒的水平、垂直方向的受力情况以及空间位置变化。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

1.本发明方法可以模拟沥青路面颗粒的受力情况，以及胶轮压路机在压实过程中的轮胎变形，操作简单，模拟可视化，经济有效，对于沥青路面的压实施工具有一定的指导意义。

2.本发明采用离散元模拟用颗粒单元反映集料的三维形态特征，有效模拟揉搓压实对沥青混合料的压实机理，操作简单，实用性强；将其与动力学软件进行耦合，能够有效地模拟胶轮压路机对沥青路面的揉搓碾压作用，展现出压实的真实状态，同时操作简单方便，明显优于传统模拟方法。

3.本发明在模拟过程中能够很好地体现轮胎的变形，分析颗粒受力情况，提供了沥青路面胶轮压路机揉搓碾压模拟研究的新思路。

附图说明

图1为实施例中空间区域三维尺寸示意图。

图2为实施例中区域内生成的球形颗粒示意图。

图3为实施例中区域内生成的沥青混合料示意图。

图4为实施例中考虑的胶轮压路机轮胎布置的简单示意图。

图5为实施例中在动力学软件中生成胶轮的示意图。

图6为实施例中沥青路面胶轮压路机揉搓碾压模型的示意图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

本发明用一款在道路工程领域使用较少但有很好模拟效果的离散元软件作为模拟的基础软件，在该离散元软件中生成沥青路面的颗粒域并设置参数(设置均在该软件的可视化窗口中进行)；在Solidworks软件中生成胶轮轮胎的模型，并导入到动力学软件中，设置相关参数；利用动力学软件控制胶轮压路机压实模拟过程中轮胎的运动；将离散元软件与动力学软件进行耦合，模拟沥青路面上胶轮压路机揉搓碾压的情况。

具体地说，本发明以沥青混合料AC20的压实为例并结合附图详细说明本发明的实施步骤。沥青混合料AC20的级配见表1。

表1沥青混合料AC20级配表

筛孔(mm)	19	16	13.2	9.5	4.75	2.36	<2.36
								分计筛余通过率(％)	2	7	6	13	22	14.5	35.5

具体的沥青混合料建模过程如下：

1)空间区域的确定

为了简化沥青路面的压实模型，本发明通过等比例放缩选取较小的一部分进行研究分析。根据表1，沥青混合料的中粗集料(大于或等于2.36mm)的百分比占有优势，且混合料的骨架结构主要由粗集料承担，而细集料占了一定比例，但是其体积较小，因此颗粒数量会远远多于粗集料。考虑到计算效率问题，在生成颗粒进行模拟的时候主要考虑粗集料。

沥青混合料压实模型的颗粒域主要是根据集料类型以及软件运行效率来选择的。在模拟过程中选择的颗粒域尺寸是实际施工路面缩小了一定比例的，但为了模拟更加贴近现实情况，在高度选择上保证颗粒域高度与沥青路面上面层厚度相当，在4-6cm左右。如图1所示，本实施案例采用的尺寸为600mm×180mm×60mm。

2)计算颗粒数并设置参数

根据步骤1中选取的颗粒域大小以及模拟的沥青路面混合料级配类型，计算混合料中不同粒径的颗粒数，并设置颗粒相应的密度、剪切模量、接触半径以及恢复系数等参数。根据实际选取材料的本征参数，如密度、剪切模量等，对于接触参数，如恢复系数、摩擦系数等，通过试验来确定。

根据集料的粒径和模拟的整体性，颗粒的粒径只考虑大于或等于2.36mm的集料。

3)沥青混合料颗粒的生成

在离散元软件中，采用球形单元作为颗粒物质的基本单元，如图2所示。

设置颗粒间的接触模型，本例中颗粒间的粘结模型采用的是软件中的爱丁堡粘结模型，方便键入参数，而且适用于粘塑性材料，能够很好地表征沥青混合料的粘结状态。在该粘结模型中的细观参数也很难通过宏观参数转换得到，因此也采用了试验的方法来确定，如表面能等。最终生成的沥青路面颗粒域见图3。

沥青路面压实的重要指标就是压实度，而压实度是与空隙率息息相关的，路面压实施工控制的关键就是通过压实度来降低沥青混合料的空隙率。本发明中所述的沥青混合料是指在初始生成之后经过平板预压的沥青混合料，因而具有了一定的初始接触。研究表明，此时沥青混合料的压实度在80％-90％左右，即空隙率在10％-20％左右，相对较小。

在该离散元软件中，生成的颗粒在自由落体摊铺之后，孔隙率以及初始应力无法被控制，而通过预压之后，颗粒的表面趋于平整，如图3所示，可以通过简单计算得到颗粒域的空隙率，从而得到压实度。值得注意的是，由于在模拟过程中，忽略了胶浆部分，即粒径在2.36mm以下的部分，因此在该空隙率的计算过程中，可以将此部分补足，从而可以得到接近于实际压实过程中的空隙率。

4)生成轮胎模型，导入到动力学软件中，并与离散元软件进行耦合

在该实例中，胶轮压路机的胶轮直接通过动力学软件中的轮胎模型生成，由于路面压实区域为600mm×180mm×60mm，因此轮胎的尺寸也相应减小，胶轮压路机的轮胎布置是前5后6(参考SHANTUI牌的SR26T/SR26T-3型胶轮压路机)，简单的前排轮的布置示意图见图4。在模拟的过程中，为了实现胶轮压路机轮胎的变形模拟，设置为轮胎的内径为d＝230mm，外径D＝300mm，宽度为B＝90mm，轮子的质量为M＝40kg，并设置胎压参数。在动力学软件中设置轮胎的运动参数，并设置轮胎的位置，与离散元中颗粒域位置相关联，导出轮胎模型为“wall”文件并载入到离散元软件中，然后将离散元软件与动力学软件耦合，实时监控揉搓压实过程中颗粒的情况。图5-6则反映了这一过程。轮胎对颗粒的作用包括自身重力产生的垂直荷载力，以及在运动过程中受到前进阻力所产生的相反作用力，从而对颗粒有水平方向上的载荷作用。在模拟过程中可以模拟轮胎的变形，从而模拟出轮胎对沥青混合料的揉搓作用。

5)沥青路面压实模型及结果分析

图5为沥青路面胶轮压路机揉搓碾压的模型图。在实际过程中，沥青混合料的压实分为了初压、复压和终压，而在该实例模型中，考虑到模拟效率，模拟过程为一遍压实，可以证明此模拟方法的可行性。压实模拟过程中，在轮胎的揉搓作用下，沥青混合料的内部集料位置发生了明显的空间位移，通过离散元软件的后处理研究，也可以明显观察到颗粒在轮胎压实的过程中，细集料有明显的横向位移，内部接触也明显增多，且横向接触有明显的切向重分布。同时在离散元软件中，除了研究颗粒的空间位移及内部接触力，还可以通过后处理功能分析颗粒的应力及能量等变量信息，从而在细观层次深入研究沥青路面胶轮压路机揉搓碾压的压实机理。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.沥青路面胶轮压路机揉搓碾压的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，确定空间区域，通过等比例放缩选取沥青路面中一部分进行研究分析；

步骤2，根据步骤1中选取的颗粒域大小以及模拟的沥青路面混合料级配类型，计算混合料的颗粒数，并设置颗粒参数；

步骤3，在离散元软件中设置颗粒间的接触模型，并在颗粒域内随机生成出所有颗粒，颗粒生成后形成了自然摊铺状态，随后对颗粒域进行预压，使颗粒密实平整；

步骤4，对胶轮压路机进行轮胎布置，生成胶轮轮胎的模型，导入到动力学软件中，并在该软件中赋予轮胎特征参数及运动参数；

步骤5，设置轮胎的位置坐标，将轮胎模型导入到离散元软件中，将离散元软件与动力学软件进行耦合模拟，模拟并观察沥青路面胶轮压路机揉搓碾压的过程；

步骤6，模拟仿真结束后，利用软件的后处理功能对颗粒的受力及运动情况进行分析研究。

2.根据权利要求1所述的沥青路面胶轮压路机揉搓碾压的模拟方法，其特征在于：所述步骤1给定的空间区域的尺寸大小为实际施工路面的压实尺寸缩小了若干倍，其中颗粒域高度与沥青路面上面层厚度相当，高度范围为4cm-6cm。

3.根据权利要求1所述的沥青路面胶轮压路机揉搓碾压的模拟方法，其特征在于：所述步骤2中颗粒参数包括以下参数中的至少一种：相应的密度、剪切模量、接触半径、恢复系数、摩擦系数。

4.根据权利要求1所述的沥青路面胶轮压路机揉搓碾压的模拟方法，其特征在于：所述步骤2中，只计算颗粒的粒径大于或等于2.36mm的集料。

5.根据权利要求1所述的沥青路面胶轮压路机揉搓碾压的模拟方法，其特征在于：所述步骤3中颗粒间的接触模型采用爱丁堡粘结模型。

6.根据权利要求1所述的沥青路面胶轮压路机揉搓碾压的模拟方法，其特征在于：所述步骤4中，胶轮压路机的轮胎布置方式需要考虑到颗粒域的大小并根据实际布置情况进行放缩，胶轮压路机原型参考SR26T/SR26T-3型胶轮压路机。

7.根据权利要求1所述的沥青路面胶轮压路机揉搓碾压的模拟方法，其特征在于：所述步骤4中轮胎特征参数包括以下参数中的至少一种：内外径尺寸、宽度、胎压、质量。

8.根据权利要求1所述的沥青路面胶轮压路机揉搓碾压的模拟方法，其特征在于：步骤6中分析研究的内容包括：轮胎周围颗粒的水平、垂直方向的受力情况以及空间位置变化。

Images