CN110750819A - 一种离散元与有限差分法耦合的沥青混合料模拟建模方法 - Google Patents

一种离散元与有限差分法耦合的沥青混合料模拟建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种离散元与有限差分法耦合的沥青混合料模拟建模方法，通过沥青混合料骨料离散元处理，采用有限差分方法实现沥青混合料中的沥青胶结料连续介质模拟；通过考虑离散元和有限差分法耦合作用对沥青混合料强度、模量等力学性质的影响，以实现沥青混合料多相材料在不同荷载作用下变形、收缩和开裂等过程的模拟。本发明可以精确还原沥青混合料中集料和胶结料的真实形状和大小，以及空隙结构，并表征其分布特征，克服了离散元和有限差分法在沥青混合料数值模拟上各自分析方法的局限性，适用于分析沥青混合料多相材料不同条件下黏塑性大变形问题。

Description

一种离散元与有限差分法耦合的沥青混合料模拟建模方法
技术领域
本发明涉及沥青混合料数值模拟，尤其是三维离散元和有限差分法耦合建模和模拟方法。
背景技术
目前世界上新建道路绝大部分是沥青混凝土路面。而沥青混合料骨料形状的不均匀性和离散性，以及沥青胶浆材料的连续性，使得在沥青混合料的数值模拟中对骨料和沥青胶浆的模拟非常困难。之前研究大多采用离散元对沥青混合料进行模拟计算，虽然离散元在细致考虑集料的接触网络和空隙分布等方面具有优越性，但在考虑沥青胶结料和动态大变形的时候仍存在较大难度。而有限差分法相对于与有限元等其他方法，最大的优点是其处理塑性变形分析能力较强，且可以灵活处理任意本构模型，无需将单元应力带到屈服界面，对于模拟沥青混合料高温塑性流动问题更加高效和准确；然而有限差分法只能处理沥青混合料宏观层面的应力应变和位移现象，无法从细观上分析空隙特性与集料之间的接触互锁。
发明内容
为准确进行沥青混合料三维数值模拟，本发明提出一种离散元和有限差分法耦合条件下的三维建模模拟方法。通过沥青混合料骨料离散元处理，采用有限差分方法实现沥青混合料中的沥青胶结料连续介质模拟。通过考虑离散元和有限差分法耦合作用对沥青混合料强度、模量等力学性质的影响，以实现沥青混合料多相材料在不同荷载作用下变形、收缩和开裂等过程的模拟。
本发明为解决沥青混合料骨料和胶结料模拟问题提出的技术方案是，一种离散元与有限差分法耦合的沥青混合料模拟方法，其步骤包括：(1)通过工业CT对沥青混合料试件进行扫描及后处理，获得沥青混合料骨料、胶结料和空隙结构的三维坐标值；(2)构建沥青混合料的三维模型，赋予混合料骨料形状的三维离散单元属性，采用有限差分法实现沥青砂浆的连续性模拟；(3)考虑骨料形状对沥青混合料力学性质的影响，通过三维离散元建立沥青混合料骨料的细观特征和应力场的耦合；(4)考虑沥青砂浆对沥青混合料力学性质的影响，通过有限差分法建立沥青混合料沥青砂浆特征和应力场的耦合；(5)设定模型荷载位置、荷载大小、荷载方向以及作用时间；(6)利用离散元与有限差分法耦合计算沥青混合料的三维离散和连续单元的变形与破坏，实现沥青混合料骨料运动与迁移、沥青胶浆开裂变形过程的数值模拟与建模。
有益效果：与现有技术相比，本发明的一种离散元与有限差分法耦合的沥青混合料模拟建模方法的优点在于：(1)可以精确还原沥青混合料中集料和胶结料的真实形状和大小，以及空隙结构，并表征其分布特征；(2)克服了离散元和有限差分法在沥青混合料数值模拟上各自分析方法的局限性；(3)可同时考虑集料的真实形状、分析和处理细观现象，并处理压实过程中宏观动态大变形和连续介质的边界条件；(4)本发明所提出的方法精确性好。
附图说明
图1为离散元与有限差分法耦合的沥青混合料模拟建模方法的实现流程图。
图2为耦合计算信息交互边界的建立过程流程图。
图3为骨料与沥青胶结料耦合计算实现流程图。
具体实施方式
本发明方法工作流程如图1-图3所示。
图1为用于沥青混合料的三维离散元与有限差分耦合模拟建模方法实现流程图。
(1)采用工业CT扫描对沥青混合料试件进行扫描，得到沥青混合料CT断层图片；
(2)对沥青混合料CT断层图片进行处理和三维重构，获得沥青混合料的骨料、胶结料和空隙结构中像素的三维坐标值；
(3)构建沥青混合料的三维模型；在三维离散元中建立骨料非连续模型，并在有限差分法中建立沥青胶结料连续模型；
(4)输入计算模型的骨料参数、沥青胶结料参数、位移边界、模型约束条件、荷载条件；
(5)确定骨料和沥青胶浆接触边界，并将其设置为离散元与有限差分法耦合计算的信息交互边界；
(6)利用离散元与有限差分法耦合计算沥青混合料的三维离散和连续单元的变形与破坏，实现沥青混合料骨料运动与迁移、沥青胶浆开裂变形过程的数值模拟；
(7)输出数值模拟结果。
图2为耦合计算信息交互边界的建立过程流程图。步骤(21)-(23)详细说明步骤(5)中信息交互边界的建立过程。
(21)遍历全模型计算域内的离散骨料和沥青胶结料；
(22)确定离散骨料和沥青胶结料的接触边界；
(23)根据骨料空间网格对接触边界上的有限差分单元接触面的空间网格进行网格划分，并将其设置为离散元与有限差分法耦合计算的信息交互边界，以便骨料颗粒与有限差分单元进行信息交互。
图3为骨料与沥青胶结料耦合计算实现流程图。
步骤(31)-(36)详细说明步骤(6)中耦合计算的模拟过程。
(31)根据步骤(5)确定的信息交互边界，建立三维离散元计算软件和有限差分法计算软件的数据通信；
(32)在有限差分法软件中打开大应变模式，以适应沥青胶结料的动态大变形；
(33)在有限差分法中使用计算方程式计算一个循环，并将边界节点速度及其更新后的位置坐标一起写入阵列，再这些数据通过数据接口连接发送到离散元模型；
(34)离散元接收到边界节点速度及其更新后的位置坐标后，根据等效力系统重新计算合力和力矩，再将这些数据反馈给有限差分法模型；
(35)在每个时间步中，通过裂隙发展情况或是否满足设定迭代条件判断是否继续迭代，如果需要迭代，进入步骤(32)，否则，输出迭代结果；
(36)返回模拟结果。

Claims (4)

1.一种离散元和有限差分法耦合的沥青混合料模拟建模方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)通过工业CT对沥青混合料试件进行扫描及后处理，获得沥青混合料骨料、胶结料和空隙结构的三维坐标值；
(2)构建沥青混合料的三维模型，赋予混合料骨料形状的三维离散单元属性，采用有限差分法实现沥青砂浆的连续性模拟；
(3)考虑骨料形状对沥青混合料力学性质的影响，通过三维离散元建立沥青混合料骨料的细观特征和应力场的耦合；
(4)考虑沥青砂浆对沥青混合料力学性质的影响，通过有限差分法建立沥青混合料沥青砂浆特征和应力场的耦合；
(5)设定计算模型的骨料参数、沥青胶结料参数、位移边界、模型约束条件、荷载条件；
(6)利用离散元与有限差分法耦合计算沥青混合料的三维离散和连续单元的变形与破坏，实现沥青混合料骨料运动与迁移、沥青胶浆开裂变形过程的数值模拟与建模。
2.根据权利要求1所述离散元和有限差分法耦合的沥青混合料模拟建模方法，其特征是，具体步骤为：
(1)采用工业CT扫描对沥青混合料试件进行扫描，获得沥青混合料CT断层图片；
(2)对沥青混合料CT断层图片进行处理和三维重构，得到断层图片中沥青混合料骨料、胶结料和空隙结构的三维坐标值；
(3)构建沥青混合料的三维模型；在三维离散元中建立骨料非连续模型，并在有限差分法中建立沥青胶结料连续模型；
(4)输入计算模型的骨料参数、沥青胶结料参数、位移边界、模型约束条件、荷载条件；
(5)确定骨料和沥青胶浆接触边界，并将其设置为离散元与有限差分法耦合计算的信息交互边界；
(6)利用离散元与有限差分法耦合计算沥青混合料的三维离散和连续单元的变形与破坏，实现沥青混合料骨料运动与迁移、沥青胶浆开裂变形过程的数值模拟；
(7)输出数值模拟结果。
3.根据权利要求2所述离散元和有限差分法耦合的沥青混合料模拟建模方法，其特征是，步骤(21)-(23)详细说明步骤(5)中信息交互边界的建立过程；
(21)遍历全模型计算域内的离散骨料和沥青胶结料；
(22)确定离散骨料和沥青胶结料的接触边界；
(23)根据骨料空间网格对接触边界上的有限差分单元接触面的空间网格进行网格划分，并将其设置为离散元与有限差分法耦合计算的信息交互边界，以便骨料颗粒与有限差分单元进行信息交互。
4.根据权利要求2所述离散元和有限差分法耦合的沥青混合料模拟建模方法，其特征是，步骤(31)-(36)详细说明步骤(6)中耦合计算的模拟过程；
(31)根据步骤(5)确定的信息交互边界，建立三维离散元计算软件和有限差分法计算软件的数据通信；
(32)在有限差分法软件中打开大应变模式，以适应沥青胶结料的动态大变形；
(33)在有限差分法中使用计算方程式计算一个循环，并将边界节点速度及其更新后的位置坐标一起写入阵列，并将这些数据通过数据接口连接发送到离散元模型；
(34)离散元接收到边界节点速度和及其更新后的位置坐标后，根据等效力系统重新计算合力和力矩，再将这些数据反馈给有限差分模型；
(35)在每个时间步中，通过裂隙发展情况或是否满足设定迭代条件判断是否继续迭代，如果需要迭代，进入步骤(32)，否则，输出迭代结果；
(36)返回模拟结果。
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