CN111882667A - 基于细观结构的沥青混凝土三维有限元建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于细观结构的沥青混凝土三维有限元建模方法，是利用Mimics软件对沥青混凝土试件横断面的X‑ray CT连续扫描图进行一系列处理，重构集料的三维模型以及集料和沥青玛蹄脂的三维模型；然后导入到模型处理软件3‑Matic中进行布尔运算，获得沥青玛蹄脂的三维模型；接着对集料的三维模型和沥青玛蹄脂的三维模型分别进行相同的切割处理，建立竖直向沥青混合料模型并进行网格划分；最后将网格划分后的竖直向沥青混合料模型导回Mimics软件中进行材料属性赋值，从而使其可利用有限元软件Abaqus进行分析。本发明的方法不仅能准确地建立与沥青混凝土实际构造极为符合的三维模型，也为揭示沥青混合料的多种特性提供了重要的工具。
Description
技术领域
本发明属于沥青混凝土细观建模领域，具体涉及一种基于细观结构的沥青混凝土三维有限元建模方法。
背景技术
沥青路面作为我国路面的一种，以其平整度高、稳定性强、噪音低和后期易于维护等优点，被广泛应用于我国高等级路面的设计中。在借用有限元软件进行路面材料性能分析时，研究者大多从宏观角度或者二维角度出发构建道路模型，这虽然提高了工作效率但却忽视了沥青混合料内部结构。研究发现，沥青混合料内部集料和空隙的分布特征对整体性能有着重要影响，因此很有必要在构建道路模型时，还原沥青混合料的内部细观结构，考虑集料和空隙分布的影响。实际研究中，沥青混合料样本是一个圆柱体的三维结构，因此需要构建三维模型进一步地对沥青混合料的性能做出分析，但目前并没有合适的有限元建模方法，可以建立与沥青混合料实际构造相符合的有限元模型。
发明内容
为解决上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供了基于细观结构的沥青混凝土三维有限元建模方法，旨在通过CT扫描技术和图像重构技术创建与沥青混合料结构相同的三维有限元模型，更加精确的理解沥青混合料的内部结构，从而更进一步的研究沥青混合料的多种特性。
本发明为实现发明目的，采用如下技术方案：
基于细观结构的沥青混凝土三维有限元建模方法，是利用Mimics软件对沥青混凝土试件横断面的X-ray CT连续扫描图进行一系列处理，重构集料的三维模型以及集料和沥青玛蹄脂的三维模型；然后导入到模型处理软件3-Matic中进行布尔运算，获得沥青玛蹄脂的三维模型；接着对集料的三维模型和沥青玛蹄脂的三维模型分别进行相同的切割处理，建立竖直向沥青混合料模型，对所得竖直向沥青混合料模型进行网格划分；最后将网格划分后的沥青混合料模型导回Mimics软件中进行材料属性赋值，从而使其可利用有限元软件Abaqus进行分析。具体包括以下步骤：
步骤1、利用X-ray CT对沥青混凝土试件进行横断面连续扫描，得到连续扫描序列图像，导入图像重构软件Mimics中进行预处理；
步骤2、在Mimics软件中，采用阈值分割法并结合形态学处理，依次分割出序列图像中的集料、集料和沥青玛蹄脂；
步骤3、完成分割后，在Mimics软件中重构集料的三维模型，以及集料和沥青玛蹄脂的三维模型；
步骤4、将Mimics软件中重构的两模型复制到模型处理软件3-Matic中进行布尔运算，获得沥青玛蹄脂的三维模型，然后对集料的三维模型及沥青玛蹄脂的三维模型进行平滑处理；
步骤5、在3-Matic软件中，利用布尔运算对集料的三维模型和沥青玛蹄脂的三维模型分别进行相同的切割处理，从两三维模型中沿竖直方向截取呈圆柱形的局部区域；
步骤6、对截取的两圆柱形三维模型进行模型修复，然后通过非流行装配将两模型装配成一体，形成竖直向沥青混合料模型；再对所得竖直向沥青混合料模型进行网格划分；
步骤7、将网格划分后的竖直向沥青混合料模型导回Mimics软件中进行材料属性赋值；
步骤8、将赋值后的竖直向沥青混合料模型导入到有限元软件Abaqus中，即可进行有限元分析。
进一步地，步骤1中，所述沥青混凝土试件为直径100mm、高60mm的圆柱体试件。
进一步地，步骤1中，所述连续扫描的扫描间距设置为0.625mm。
进一步地，步骤1中，利用图像重构软件Mimics进行预处理是指：首先利用CropMask功能在序列图像中限定覆盖沥青混凝土试件的处理区域，后续的操作步骤只对该区域产生效果；然后利用Contrast功能调整图像对比度，在原始扫描图像中凸显集料部分。
进一步地，步骤4中，所述平滑处理的平滑因子为0.7。
进一步地，步骤5中，所截取的圆柱形局部区域的高度为30mm、直径为30mm。
进一步地，步骤6中，所述网格划分为先进行面网格划分，面网格划分成功后再进行体网格划分。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
本发明基于连续多张的沥青混凝土CT扫描图像，在Mimics软件中从细观角度出发建立与沥青混凝土实际构造极为符合的三维模型。沥青混凝土样本足够数量的切片图像，保证了三维模型重构的连续性和真实可靠性。相比于二维模型，三维模型的重构是基于来自一个沥青混合料样本的连续多张的二维图像，因此更能直观地反映沥青混合料内部结构，从而更进一步的研究沥青混凝土的多种特性。此外为了简化后续计算量和研究沥青混合料的多种特性，在3-Matic中从集料的三维模型和沥青玛蹄脂的三维模型分别沿竖直方向截取呈圆柱形的局部区域，然后通过非流行装配将两模型装配成一体，形成竖直向沥青混合料模型，再在网格划分软件3-Matic中对沥青混凝土模型进行面网格划分和体网格划分。本发明不仅能准确地建立与沥青混凝土实际构造极为符合的三维模型，也为揭示沥青混合料的多种特性提供了重要的工具。
附图说明
图1为本发明基于细观结构的沥青混凝土三维有限元建模方法的流程图；
图2为本发明实施例步骤1中沥青混合料预处理后的图；
图3为本发明实施例步骤2中材料的分割效果图，其中(a)为集料的分割效果图，(b)为集料和沥青玛蹄脂的分割效果图；
图4为本发明实施例步骤3中集料的三维模型(图(a))以及集料和沥青玛蹄脂的三维模型(图(b))；
图5为本发明实施例步骤4中平滑后集料的三维模型(图(a))和沥青玛蹄脂的三维模型(图(b))；
图6为本发明实施例步骤5中创建小圆柱体模型图；
图7为本发明实施例步骤5中集料三维模型(图(a))和沥青玛蹄脂三维模型切割图(图(b))；
图8为本发明实施例步骤6中两模型装配成一体后所得沥青混合料模型图；
图9(a)、(b)为本发明实施例步骤6中网格单元质量检测图；
图10为本发明实施例步骤6中沥青混合料模型面网格划分图；
图11为本发明实施例步骤6中获得的沥青混合料模型体网格划分图(图(a))及其剖面图(图(b))；
图12为本发明实施例步骤7中材料属性赋值图(图(a))及其完成材料属性赋值的竖直向模型图(图(b))。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细的说明。
如图1所示，基于细观结构的沥青混凝土三维有限元建模方法，包括沥青混凝土三维模型重构、网格划分、材料属性赋值三部分，具体包括以下步骤：
步骤1、利用X-ray CT对沥青混凝土试件进行横断面连续扫描，得到连续扫描序列图像，导入图像重构软件Mimics中进行预处理。
X光计算机断层扫描技术作为一种高分辨率的信息采集工具，以无损的方式获取沥青混凝土试件的内部结构，这极大地提高后续三维模型重构的准确性。为获得沥青混凝土试件的连续多张的二维图像，扫描间距设置为0.625mm，足够数量的切片图像保证了三维模型重构的连续性和真实可靠性。在图像重构软件Mimics对导入的序列图像进行图像预处理，即：首先利用Crop Mask功能在序列图像中限定覆盖沥青混凝土试件的处理区域，后续的操作步骤只对该区域产生效果，如图2所示；鉴于原始扫描图像整体亮度过大，各相材料难以分辨，这里利用Contrast功能调整图像对比度，在原始扫描图像中凸显集料部分，如图2所示。
步骤2、在Mimics软件中，采用阈值分割法并结合形态学处理，依次分割出序列图像中的集料、集料和沥青玛蹄脂。具体如下：
本发明充分利用Mimics软件在图像处理方面的优势，首先对图像中的集料进行分割，空隙部分为黑色，接着将除空隙外的集料和沥青玛蹄脂作为整体一起分割出来，然后通过布尔运算将两部分进行相减得到沥青玛蹄脂，其余部分即为空隙。沥青混合料扫描图像中空隙CT值最低，集料CT值最高，两相材料的上限和下限易于控制，最容易分割，这种分割思路可以大大提高分割的准确性。在Mimics中只有一种阈值分割方法，图像的灰度值分布范围为-1024—3071，这里的“灰度值”指的是医学扫描上的CT值，单位为HU。具体操作为：利用Mimics中的Draw Profile Line功能在扫描图像上定义一条穿过集料、沥青玛蹄脂和空隙的剖面线，根据定义剖面线上的HU值，初步确定集料的分割阈值(阈值上限为3071，阈值下限为2466)，采用阈值分割法，分割出二维CT序列图像中集料部分，得到集料初步图像。
由于扫描过程中不同材料的HU值相差不大，导致阈值分割后，部分集料块之间由于距离过近，未被分割开。这种集料间接触会给后续网格划分和有限元计算带来极大不便，因此，这里采用形态学操作，对集料进行再次处理。具体操作为选择“MorphologyOperation”按钮，先“腐蚀”再“膨胀”。值得注意的是，一两次的膨胀和腐蚀不能达到预期的效果，需要多次操作，从而达到较为满意地效果。图3(a)为集料最终分割效果图。
完成集料的分割后，按照类似的操作步骤，可以分割出CT序列图像中集料和沥青玛蹄脂(这里先将集料和沥青玛蹄脂作为一体分割，在后续利用布尔运算可以分割出每一种材料)，其分割效果图如图3(b)。
步骤3、完成分割后，在Mimics软件中重构集料的三维模型，以及集料和沥青玛蹄脂的三维模型。具体如下：
完成上述集料以及集料和沥青玛蹄脂部分的分割后，便可基于分割图像构建三维模型。这里利用Mimics的Calculate 3D功能，在Mimics中重构集料的三维模型，以及集料和沥青玛蹄脂的三维模型，如图4所示。
步骤4、将Mimics软件中重构的两模型复制到模型处理软件3-Matic中进行布尔运算，获得沥青玛蹄脂的三维模型，然后对集料的三维模型及沥青玛蹄脂的三维模型进行平滑处理。
具体如下：
通过上述操作步骤完成集料的三维模型以及集料和沥青玛蹄脂三维模型的重构，但是混合料是由集料、沥青玛蹄脂和空隙三部分组成，因此为了构建相应的三维模型，进行布尔运算，即对上述两个模型做减法处理，得到沥青玛蹄脂的三维模型。具体操作步骤为：将Mimics中得到的两三维模型复制到模型处理软件3-Matic中，其中顶部是菜单栏，每个菜单下面包含多种操作指令，右侧为模型树，右击模型树中的模型，可以显示和隐藏模型。首先，点击菜单栏中的“Design”，在下拉菜单中选择“Boolean Subtraction”，在右下角的“Entities”中选择“集料和沥青玛蹄脂模型”，在“Subtraction Entities”中选择“集料模型”，然后点击“Apply”，得到沥青玛蹄脂的三维模型图。
由于所得到的三维模型表面不规则，这会给后续的有限元分析带来极大不便，在这里利用该软件的平滑功能对集料的三维模型、沥青玛蹄脂的三维模型进行平滑处理，平滑因子设定为0.7，这样在保证模型不失真的情况下，达到预期的平滑效果，如图5所示。
步骤5、在3-Matic软件中，利用布尔运算对集料的三维模型和沥青玛蹄脂的三维模型分别进行相同的切割处理，从两三维模型中沿竖直方向截取呈圆柱形的局部区域。具体如下：
由于沥青混合料样本原始尺寸过大，如果直接将沥青混合料原始三维模型用于分析则计算量过于庞大，因此本发明在集料三维模型和沥青玛蹄脂三维模型中分别再取一个较小的圆柱体，这里所取的小圆柱体模型的高度为30mm、直径为30mm。其操作为：首先，以沥青玛蹄脂的三维模型底面为参考面完成第一个坐标平面的创建，然后在右侧模型树中，复制该平面，同时将其移动到模型的另一端，两个平面设置间距为30mm，创建好坐标平面后，设置半径为15mm，采用“两点法”在两平面之间创建小圆柱体，如图6所示。
完成小圆柱体创建后，再次利用布尔运算，但是这里选择的是“BooleanIntersection”，首先选择集料和小圆柱体，进行第一次布尔运算，结果如图7(a)所示。然后再选择沥青玛蹄脂和小圆柱体，进行第二次布尔运算，结果如图7(b)所示。
步骤6、对截取的两圆柱形三维模型进行模型修复，然后通过非流行装配将两模型装配成一体，形成竖直向沥青混合料模型；再对所得竖直向沥青混合料模型进行网格划分。具体如下：
鉴于生成的两圆柱形三维模型中，有很多重复、相交或者尖锐的三角形单元，在网格划分之前先利用3-Matic软件Fix Wizard功能对两个模型进行修复。完成模型的修复后，点击Reduce按钮减少两模型中三角片数量，因为三角片数量过多不利于后续网格划分，接着对两个模型进行“非流行装配”。
“非流行装配”的具体操作为：在顶部菜单栏中点击“Remesh”按钮，在下拉菜单中点击“Crate No-manifold Assembly”，在“Main Entities”中选择沥青玛蹄脂模型，在“Intersection Entities“中选择集料模型，然后点击“Apply”，使集料和沥青玛蹄脂装配成一体，如图8所示。由于装配后三角面片数量骤然增加，所以在此需要再次点击Reduce按钮减少装配体中三角片数量。
完成三维模型的修复和装配后，接下来是对模型的网格划分。这里的网格划分包括面网格划分和体网格划分。这是因为，面网格划分后的模型无法直接导入到Abaqus中进行有限元计算，需要在面网格划分的基础上再进行体网格划分，且在面网格划分时需要对网格单元质量进行检测，因为只有网格单元质量满足了要求，才表明面网格划分的成功，进而后续的体网格划分才得以顺利进行。有时候，为了达到这种要求，需要反复地调整网格单元的长度、划分时的迭代次数以及划分时候的网格单元长度的容许误差。
具体的，面网格划分后，首先检测网格单元的质量，理想的面网格单元应是等边三角形，但是考虑到实际情况，在本实施例中用三角形单元高与底边的比值来衡量三角形单元质量，并设定阈值为0.3。如图9(a)所示，有31％的网格单元没有达到要求。为此，点击顶部菜单中的“Remesh”，在下拉菜单中选择“Auto Remesh”，在弹出的对话框中，选中竖直向沥青混合料模型的装配体，设定阈值为0.3，最大几何形状0.2，并控制三角形最大边长为1。随后，利用Mimics的Quality Preserving Reduce Triangles功能在保证网格单元长度的前提下减少网格数量，提升面网格的划分质量。观察网格单元质量发现，全部的网格单元已经满足阈值要求，如图9(b)所示，得到竖直向沥青混合料模型的面网格划分图，如图10所示。
依据上述操作步骤完成面网格的划分后，接下来开始进行体网格的划分，得到竖直向沥青混合料模型的体网格划分图，如图11(a)所示。为了验证体网格划分是否已经成功，需要通过模型的剖面图进行观察，结果如图11(b)所示，通过图11(b)可清楚地看到模型的体网格划分成功。
步骤7、将网格划分后的竖直向沥青混合料模型导回Mimics软件中进行材料属性赋值。
具体如下：
完成体网格的划分后，接下来便是赋值材料属性。整个沥青混合料由粗集料、沥青玛蹄脂和空隙组成，因此需要对集料和沥青玛蹄脂赋值相应的材料属性。尽管有限元软件Abaqus也有材料属性赋值的功能，但是如果在Abaqus中赋值材料属性，则会由于模型网格过于密集，节点数过多，在选择材料区域时会带来极大的不便，极易产生操作失误。为了解决这一困扰，本发明将完成体网格划分的模型重新导入到Mimics中，Mimics在赋值弹性材料时，会自动给不同材料定义相应的集合，利用该功能很容易的给模型的组成材料赋值相应的材料属性。这里需要注意的是，Mimics的材料属性只可赋值弹性材料属性，不能赋值黏弹性材料参数，这里先假定材料为弹性材料，并赋予任意的参数，但是利用其划分好的不同材料区域，可以在Abaqus中将弹性材料属性更改为粘弹性材料属性。
具体操作方法为：将体网格划分后的模型复制到Mimics中，如图12(a)所示，图中模型还未赋值材料属性。首先选择所有的体积块(即沥青玛蹄脂和集料)，赋予任意的参数。随后，再赋值沥青玛蹄脂的体积块。这里需要注意两点：第一，由于在后续的Abaqus中需要修改材料参数为黏弹性材料参数，因此这里所取赋值的弹性参数是任意取值的，没有参考价值；第二，由于集料的体积块有很多，而沥青玛蹄脂的体积块只有一个并且组成的体积单元数量最多，所以先全部选中赋值材料属性将其命名为集料，随后修改体积单元数量最多的体积块的属性，将其名命名为沥青玛蹄脂。这样操作可以避免材料赋值时繁琐的操作步骤，能快速准确地给集料和沥青玛蹄脂赋值材料属性和定义相应的集合。
完成材料属性赋值的竖直向沥青混合料模型如图12(b)所示。图中模型呈现深蓝色，表明材料属性已经赋值成功。
步骤8、将赋值后的竖直向沥青混合料模型导入到有限元软件Abaqus中，即可进行有限元分析。
通过步骤7，已经完成材料属性赋值，接下来需要将模型导入到有限元软件Abaqus中，这里利用Mimics软件的输出功能生成相应的inp文件，将生成的inp文件导入到Abaqus中，即可进行三维模型的有限元分析。
本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.基于细观结构的沥青混凝土三维有限元建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、利用X-ray CT对沥青混凝土试件进行横断面连续扫描，得到连续扫描序列图像，导入图像重构软件Mimics中进行预处理；
步骤2、在Mimics软件中，采用阈值分割法并结合形态学处理，依次分割出序列图像中的集料、集料和沥青玛蹄脂；
步骤3、完成分割后，在Mimics软件中重构集料的三维模型以及集料和沥青玛蹄脂的三维模型；
步骤4、将Mimics软件中重构的两模型复制到模型处理软件3-Matic中进行布尔运算，获得沥青玛蹄脂的三维模型，然后对集料的三维模型及沥青玛蹄脂的三维模型进行平滑处理；
步骤5、在3-Matic软件中，利用布尔运算对集料的三维模型和沥青玛蹄脂的三维模型分别进行相同的切割处理，从两三维模型中沿竖直方向截取呈圆柱形的局部区域；
步骤6、对截取的两圆柱形三维模型进行模型修复，然后通过非流行装配将两模型装配成一体，形成竖直向沥青混合料模型；再对所得竖直向沥青混合料模型进行网格划分；
步骤7、将网格划分后的竖直向沥青混合料模型导回Mimics软件中进行材料属性赋值；
步骤8、将赋值后的竖直向沥青混合料模型导入到有限元软件Abaqus中，即可进行有限元分析。
2.根据权利要求1所述的基于细观结构的沥青混凝土三维有限元建模方法，其特征在于：步骤1中，所述沥青混凝土试件为直径100mm、高60mm的圆柱体试件。
3.根据权利要求1所述的基于细观结构的沥青混凝土三维有限元建模方法，其特征在于：步骤1中，所述连续扫描的扫描间距设置为0.625mm。
4.根据权利要求1所述的基于细观结构的沥青混凝土三维有限元建模方法，其特征在于：步骤1中，利用图像重构软件Mimics进行预处理是指：首先利用Crop Mask功能在序列图像中限定覆盖沥青混凝土试件的处理区域，后续的操作步骤只对该区域产生效果；然后利用Contrast功能调整图像对比度，在原始扫描图像中凸显集料部分。
5.根据权利要求1所述的基于细观结构的沥青混凝土三维有限元建模方法，其特征在于：步骤4中，所述平滑处理的平滑因子为0.7。
6.根据权利要求1所述的基于细观结构的沥青混凝土三维有限元建模方法，其特征在于：步骤5中，所截取的圆柱形局部区域的高度为30mm、直径为30mm。
7.根据权利要求1所述的基于细观结构的沥青混凝土三维有限元建模方法，其特征在于：步骤6中，所述网格划分为先进行面网格划分，面网格划分成功后再进行体网格划分。
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|---|---|---|---|
| CN202010730729.XA Active CN111882667B (zh) | 2020-07-27 | 2020-07-27 | 基于细观结构的沥青混凝土三维有限元建模方法 |
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|---|---|
| CN (1) | CN111882667B (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113128095A (zh) * | 2021-04-27 | 2021-07-16 | 中国科学院武汉岩土力学研究所 | 一种三维网格模型的构建方法及装置 |
| CN116775097A (zh) * | 2023-08-21 | 2023-09-19 | 广东云湃科技有限责任公司 | 一种模型组件的管理及仿真方法和系统 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106202728A (zh) * | 2016-07-12 | 2016-12-07 | 哈尔滨工业大学 | 基于Micro‑CT三维编织复合材料非均匀Voxel网格离散方法 |
| CN107301307A (zh) * | 2017-08-08 | 2017-10-27 | 武汉理工大学 | 基于实测形貌的沥青混凝土劈裂试验细观有限元建模方法 |
| CN110276814A (zh) * | 2019-06-05 | 2019-09-24 | 上海大学 | 一种基于拓扑特征的编织复合材料细观结构快速重构方法 |
| CN111028355A (zh) * | 2019-11-13 | 2020-04-17 | 武汉科技大学 | 一种沥青混合料三维模型重构方法 |
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-
2020
- 2020-07-27 CN CN202010730729.XA patent/CN111882667B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| CN113128095A (zh) * | 2021-04-27 | 2021-07-16 | 中国科学院武汉岩土力学研究所 | 一种三维网格模型的构建方法及装置 |
| CN113128095B (zh) * | 2021-04-27 | 2022-04-22 | 中国科学院武汉岩土力学研究所 | 一种三维网格模型的构建方法及装置 |
| CN116775097A (zh) * | 2023-08-21 | 2023-09-19 | 广东云湃科技有限责任公司 | 一种模型组件的管理及仿真方法和系统 |
| CN116775097B (zh) * | 2023-08-21 | 2023-11-07 | 广东云湃科技有限责任公司 | 一种模型组件的管理及仿真方法和系统 |
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| CN111882667B (zh) | 2023-11-21 |
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