CN113434933B - 一种微胶囊在沥青混合料拌和过程中破裂的仿真分析方法 - Google Patents

一种微胶囊在沥青混合料拌和过程中破裂的仿真分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微胶囊在沥青混合料拌和过程中破裂的仿真分析方法，主要包括以下步骤：1)计算微胶囊沥青混合料多尺度模型体积参数；2)预估微胶囊等效力学参数；3)计算沥青砂浆和沥青胶浆的等效力学参数；4)构建混合料拌和模型；5)确定混合料最佳拌和参数；6)构建沥青砂浆集合体受力模型；7)构建沥青砂浆单体受力模型；8)基于单体受力模型提取出模型中微胶囊所受最大法向力，并结合微胶囊材料参数建立微胶囊受力模型；9)基于微胶囊受力模型确定微胶囊的应力分布、破裂状态、破裂位置和存活率范围。用仿真模拟的方式，预估微胶囊在沥青混合料搅拌过程中的破裂率和混合料最佳拌和参数。

Description

一种微胶囊在沥青混合料拌和过程中破裂的仿真分析方法
技术领域
本发明属于材料力学技术领域，具体涉及一种微胶囊在沥青混合料拌和过程中破裂的仿真分析方法。
背景技术
沥青路面在交通运输体系中的地位越发重要，其使用寿命和使用安全也直接影响经济的发展。但是，是近十年来由极端天气和车辆超载带来的车辙、开裂和凝冰等病害正在威胁着道路的使用寿命和使用安全。在这种背景下，作为对传统技术的补充，一些新技术被人们积极用于沥青路面的病害处治，微胶囊技术即为其中的一种。
根据解决的问题和运行原理的不同，可以将沥青路面微胶囊分为修复路面裂缝的自愈合微胶囊和调控路面温度的相变微胶囊。其中，自愈合微胶囊大多由树脂类材料包裹油性愈合剂而制成，以囊芯的愈合剂来修复沥青路面的早期裂纹。相变微胶囊是指在固-液相变材料微粒表面包覆一层性能稳定的高分子膜而构成具有核-壳结构的复合相变材料，通过囊芯的相变材料调节沥青路面的温度。
目前国内外对于微胶囊的研究主要集中在微胶囊的制备、微胶囊对于沥青或沥青混合料性能的影响、微胶囊的力学性能表征等方面。采用多种树脂材料作为囊壁，以植物油、再生剂、相变材料等为囊芯，制备了自愈合微胶囊和相变微胶囊，并研究了其对自愈合性能、相变性能以及沥青混合料其它路用性能的影响。研究表明，自愈合微胶囊可以显著提高沥青路面的自愈合性能，提升沥青混合料的疲劳强度；相变微胶囊具有良好的储热调温效果，可以在夏季降低路面温度及在冬季提升路面温度，进而可以提高沥青路面的抗车辙、低温开裂及凝冰的能力。
但是，现阶段微胶囊沥青路面仍未进行大规模的推广使用，原因之一是，人们发现部分微胶囊在生效(如运营过程中路面出现裂缝，自愈合微胶囊修补裂缝，或者出现极端的气候时相变微胶囊调控温度)以前，即在沥青路面施工以及运营过程中的初期就已经开裂，囊芯材料流出，从而不再具有修复裂缝或调温功能。
对于运营期和压实过程中沥青路面中的微胶囊，沥青混合料拌和时的微胶囊所处的环境更加复杂。高达140℃～180℃的拌和温度以及离心力、集料与集料(或拌和器)之间的摩擦以及撞击等作用，对于微胶囊的热稳定和力学性能提出了很高的要求。限于问题的复杂性，目前尚未从根本上理解微胶囊在拌和过程中的力学响应、破裂机理和影响微胶囊拌和破裂的因素，不利于微胶囊产品的组成设计和微胶囊沥青路面的使用推广。
发明内容
本发明提供了一种微胶囊在沥青混合料拌和过程中破裂的仿真分析方法，目的是为了用相对方便简单成本低廉的仿真模拟的方式，在微胶囊和微胶囊沥青混合料设计之后预估微胶囊在沥青混合料搅拌过程中的破裂率和混合料最佳拌和参数，为改进微胶囊和微胶囊沥青混合料设计提供依据，为实际的微胶囊沥青路面生产提供指导，提高微胶囊沥青路面的使用效率。
为达到上述目的，本发明所述一种微胶囊在沥青混合料拌和过程中破裂的仿真分析方法，包括以下步骤：
S1：计算微胶囊沥青混合料多尺度模型体积参数；
S2：预估微胶囊等效力学参数；
S3：根据S1得到的微胶囊沥青混合料多尺度模型体积参数，预估沥青砂浆和沥青胶浆的等效力学参数；
S4：构建混合料拌和模型；
S5：根据S4构建的混合料拌和模型确定混合料最佳拌和参数；
S6：根据S5确定的混合料最佳拌和参数，进行沥青砂浆集合体受力分析，得到沥青砂浆颗粒之间的最大法向力；
S7：基于S1中计算得到的微观模型体积参数计算得到沥青砂浆单体模型中各颗粒的数量和S2和S3计算得到的微胶囊、沥青砂浆和沥青胶浆等效力学参数以及S6得到的沥青砂浆颗粒之间的最大法向力，进行沥青砂浆单体受力分析，确定整个仿真过程中微胶囊所受的最大法向力；
S8：基于S7确定的微胶囊所受的最大法向力，构建微胶囊受力模型；
S9：根据S8构建的微胶囊受力模型对微胶囊在拌和过程中的存活率进行预估。
进一步的，S1的具体过程为：确定细观和微观模型的材料组成，并根据微胶囊沥青混合料中各材料的密度、微胶囊掺量、混合料级配、混合料油石比、微胶囊囊壁和囊芯的密度、微胶囊的囊芯相对半径和热松散状态下沥青混合料的孔隙率，计算各模型中各材料的体积参数。
进一步的，S2的具体过程为：分别基于复合球力学模型和三相球力学模型中的体积模量和剪切模型计算公式建立微胶囊等效力学参数的预估模型，在微胶囊等效力学参数预估模型中囊芯被简化为近似不可压缩固体，囊壁的弹性模量和泊松比通过制备微胶囊囊壁材料宏观试件并进行拌和温度下的拉伸试验来确定，最后将所得囊壁的弹性模量和泊松比代入微胶囊等效力学参数预估模型中计算得到该拌和温度下微胶囊的等效力学参数。
进一步的，S3的具体过程为：以相变细观力学本构模型为基础，结合分步夹杂的理论方法，将S1计算得到的细观模型体积参数进行随动体分比转换后连同砂浆模型体积参数代入相变细观力学本构模型的体积模量和剪切模量计算公式，计算沥青砂浆和沥青胶浆的等效力学参数。
进一步的，S4的具体过程为：
以实际生产中沥青混合料搅拌器的结构参数为基础，建立沥青混合料拌和器模型并根据相似理论对所建立的拌和器缩进行缩放，然后将缩放后的模型导入多用途离散元素法建模软件中，然后在保留粒径大于1.18mm的集料颗粒的前提下根据微胶囊沥青混合料的颗粒构成建立颗粒模型；在多用途离散元素法建模软件中建立颗粒模型之后建立一个接触模型插件并导入多用途离散元素法建模软件中，使得干拌和湿拌的模型能随时间自动切换，并以此模型作为混合料拌和过程中颗粒之间的接触模型。
进一步的，S5的具体过程为：
以拌和过程中颗粒的离散系数为混合料拌和效果的判断基准，采用不同拌和参数对混合料拌和模型进行拌和仿真，确定颗粒离散系数最小时的混合料拌和速度、拌和充盈率和拌和时间为该微胶囊沥青混合料的最佳拌和参数。
进一步的，S6的具体过程为：
提取最佳拌和参数仿真过程中各瞬时颗粒之间的法向力链，确定整个拌和过程中颗粒之间的最大法向力；并基于S2计算得到的沥青砂浆等效力学参数，在多用途离散元素法建模软件中构建沥青砂浆集合体离散元模型，并编写多体动力学恒定力赋值插件并导入沥青砂浆集合体离散元模型中，实现对沥青砂浆集合体模型的恒定力赋值，恒定力的大小即为拌和过程中颗粒之间的最大法向力；提取仿真过程中各瞬时沥青砂浆颗粒之间的法向力链，确定整个仿真过程中沥青砂浆颗粒之间的最大法向力。
进一步的，S7的具体过程为：
基于S1中计算得到的微观模型体积参数计算得到沥青砂浆单体模型中各颗粒的数量和S2和S3计算得到的微胶囊、沥青砂浆和沥青胶浆等效力学参数，在用途离散元素法建模软件中建立砂浆单体的离散元模型；通过与S6相同的方法，编写多体动力学恒定力赋值插件并导入砂浆单体的离散元模型中，实现对沥青砂浆单体模型的恒定力赋值，恒定力的大小即为S6中获得的沥青砂浆颗粒之间的最大法向力；提取仿真过程中各瞬时沥青砂浆单体模型中各颗粒之间的法向力链分布，确定整个仿真过程中微胶囊所受的最大法向力。
进一步的，S8的具体过程为：
以有限元软件构建由一个微胶囊和两个平行板构成的微胶囊受力模型，并在上部平行板施加一个方向垂直向下的静荷载，静荷载的大小为S7中确定的砂浆单体受力模型中微胶囊所受最大法向力；通过提取受力后微胶囊囊壁内侧和外侧的最大Mises应力并与囊壁材料的破裂的应力相比较，确定微胶囊的破裂状态和破裂位置。
进一步的，S9的具体过程为：
调整微胶囊单体模型所受的荷载大小，代入S8中构建的微胶囊受力模型，并确定微胶囊破裂的临界荷载；然后通过拌和颗粒之间最大法向力、砂浆集合模型中最大法向力和砂浆单体模型中微胶囊的最大法向力的取值频率来改变微胶囊单体模型所受荷载，并将所得的不同的确定微胶囊在拌和过程中的存活率。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：预估微胶囊在沥青混合料中存活率的仿真方法目前还没有研究，本发明可以填补此领域空白本发明所用到的力学模型、相似理论、有限元和离散元软件均为学术领域被证实科学合理的。且相较于通过制备微胶囊，制备微胶囊沥青混合料，混合料搅拌，汲取样本，分析微胶囊的破裂程度，最后根据微胶囊破裂程度调整微胶囊材料、体积参数以及混合料级配、油石比的微胶囊沥青混合料现行设计方法，本方法主要基于计算机仿真，由于不涉及微胶囊制备、混合料制备、混合搅拌、试验观察微胶囊破裂程度等试验所以能大幅度降低成本、缩短时间，在第一次建立了微胶囊、微胶囊砂浆、沥青胶浆力学参数预估模型以及离散元和有限元模型后，后期调整参数时模型均可直接采用，重新仿真的工作量少，整个发明应用更为方便，也更适用于实际的行业生产，可以有效的提高微胶囊沥青路面中的实际功效。
进一步的，步骤2中建立微胶囊等效力学参数的方法基于现有的细观力学理论模型，解决了微胶囊这样的体积微小的复合材料等效力学参数确定的难题，相较于制备微胶囊然后采用纳米压痕等试验仪器确定的方式，本发明中所用的方法更为简单，成本低，具有可推广性。
进一步的，步骤4和步骤5中基于相似理论，将实际尺寸的混合料搅拌机模型化，并相应的调整搅拌参数，最终确定混合料的最佳搅拌参数，在兼顾数据可靠性的同时极大的降低了全尺寸模型运算带来的高额硬件成本和时间成本，具有可推广性。
进一步的，本发明步骤6和步骤7中采用通过软件编写多体动力学恒定力赋值插件并导入模型中，实现对沥青砂浆集合体模型的恒定力赋值，解决了多用途离散元素法建模离散元软件无法单独施加恒定力的难题，使得建立的沥青砂浆集合体模型和沥青砂浆单体模型均能被施加被确定的最不利荷载，实现多尺度体系中力的传递。
附图说明
图1为本发明中微胶囊等效力学参数预估模型图；
图2为本发明中双卧轴搅拌器模型图；
图3a为本发明中不同拌和速度下的17.5mm颗粒离散系数；
图3b为本发明中不同拌和速度下的14.6mm颗粒离散系数；
图3c为本发明中不同拌和速度下的11.4mm颗粒离散系数；
图3d为本发明中不同拌和速度下的7.1mm颗粒离散系数；
图3e为本发明中不同拌和速度下的3.6mm颗粒离散系数；
图3f为本发明中不同拌和速度下的1.8mm颗粒离散系数；
图4a为本发明中不同拌和充盈率下17.5mm颗粒离散系数变化图；
图4b为本发明中不同拌和充盈率下14.6mm颗粒离散系数变化图；
图4c为本发明中不同拌和充盈率下11.4mm颗粒离散系数变化图；
图4d为本发明中不同拌和充盈率下7.1mm颗粒离散系数变化图；
图4e为本发明中不同拌和充盈率下3.6mm颗粒离散系数变化图；
图4f为本发明中不同拌和充盈率下1.8mm颗粒离散系数变化图；
图5为本发明中不同拌和时间下颗粒离散系数变化图；
图6为本发明中各瞬间拌和颗粒之间最大法向力分布图；
图7为本发明中沥青砂浆集合体受力模型图；
图8为本发明中砂浆集合体模型中各砂浆单体颗粒之间的法向力分布图；
图9为本发明中沥青砂浆单体受力模型图；
图10为本发明中微胶囊受力模型图；
图11为本发明中囊壁内侧Mises应力变化曲线图；
图12为本发明中囊壁外侧Mises应力变化曲线图；
图13为本发明中微胶囊囊壁Mises应力分布图；
图14为本发明流程图。
附图中：1-搅拌叶片，2-搅拌轴，3-搅拌仓，4-沥青砂浆颗粒，5-刚性立方体，6-微胶囊颗粒，7-沥青胶浆颗粒，8-刚性立方体，9-刚性平行板，11-近似不可压缩固体。
具体实施方式
为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述，参照图14，一种微胶囊在沥青混合料拌和过程中破裂的仿真分析方法，包括以下步骤：
S1：计算微胶囊沥青混合料多尺度模型体积参数：
由于微胶囊沥青混合料内部的颗粒粒径相差较大，需要按组成材料的尺寸大小将其划分为细观和微观两级模型，确定细观和微观模型的材料组成，并根据微胶囊沥青混合料中各材料的密度、微胶囊掺量、混合料级配、混合料油石比、微胶囊囊壁和囊芯的密度、微胶囊的囊芯相对半径和热松散状态下沥青混合料的孔隙率计算得到各模型中各材料的体积参数(体分比)。
S2：预估微胶囊等效力学参数：
分别基于复合球力学模型和三相球力学模型中的体积模量和剪切模型计算公式建立微胶囊等效力学参数(体积模量、剪切模量、弹性模量和泊松比)的预估模型。在微胶囊等效力学参数预估模型中囊芯被简化为近似不可压缩固体11，其泊松比为0.4999，体积模量为1.6GPa，囊壁的弹性模量和泊松比则由通过制备相关微胶囊囊壁材料宏观试件并进行拌和温度下的拉伸试验来确定，最后将所得囊壁的弹性模量和泊松比代入微胶囊等效力学参数预估模型中计算得到该拌和温度下微胶囊的等效力学参数，等效力学参数包括等效体积模量、等效剪切模量、等效弹性模量和等效泊松比。
S3：预估沥青砂浆和沥青胶浆的等效力学参数：
以细观力学中Mori-Tanaka力学模型基础，结合分步夹杂的理论方法，将S1计算得到的细观模型体积参数进行随动体分比转换后连同砂浆模型体积参数代入Mori-Tanaka力学模型的体积模量和剪切模量计算公式中计算得到沥青砂浆和沥青胶浆的等效力学参数。
S4：构建混合料拌和模型：
以实际生产中沥青混合料搅拌器的结构参数为基础，采用SolidWorks软件建立沥青混合料拌和器模型并根据相似理论对所建立的拌和器缩进行缩放，然后将缩放后的模型导入多用途离散元素法建模(EDEM)软件中，然后在保留粒径大于1.18mm的集料颗粒的前提下根据微胶囊沥青混合料的颗粒构成建立颗粒模型。在EDEM软件中建立了颗粒模型之后采用Visual Studio软件建立一个接触模型插件并导入EDEM软件中，使得干拌和湿拌的模型能随时间自动切换，并以此模型作为混合料拌和过程中颗粒之间的接触模型。
S5：确定混合料最佳拌和参数：
以拌和过程中颗粒的离散系数为混合料拌和效果的判断基准，采用不同拌和参数对混合料拌和模型进行拌和仿真，确定颗粒离散系数最小时的混合料拌和速度、拌和充盈率和拌和时间为该微胶囊沥青混合料的最佳拌和参数。
S6：沥青砂浆集合体受力分析：
提取最佳拌和参数仿真过程中各瞬时颗粒之间的法向力链，以95％的取值频率确定整个拌和过程中颗粒之间的最大法向力。并基于S3计算得到的沥青砂浆等效力学参数，在EDEM软件中构建沥青砂浆集合体离散元模型(由一定数量的砂浆颗粒集合而成)，并通过Visual Studio软件编写多体动力学(MBD)恒定力赋值插件并导入模型中，实现对沥青砂浆集合体模型的恒定力赋值，恒定力的大小即为拌和过程中颗粒之间的最大法向力。采取相似的方法，提取仿真过程中各瞬时沥青砂浆颗粒之间的法向力链，以95％的取值频率确定整个仿真过程中沥青砂浆颗粒之间的最大法向力。
S7：沥青砂浆单体受力分析；
基于S1中计算得到的微观模型体积参数计算得到沥青砂浆单体模型中各颗粒的数量和S2和S3计算得到的微胶囊、沥青砂浆和沥青胶浆等效力学参数，在EDEM软件中建立砂浆单体的离散元模型。通过与S6相同的方法，通过Visual Studio软件编写多体动力学恒定力赋值插件并导入模型中，实现对沥青砂浆单体模型的恒定力赋值，恒定力的大小即为S6中获得的沥青砂浆颗粒之间的最大法向力。采取与S6相似的方法，提取仿真过程中各瞬时沥青砂浆单体模型中各颗粒之间的法向力链分布，以95％的取值频率确定整个仿真过程中微胶囊所受的最大法向力。
S8：微胶囊单体受力分析：
以ABAQUS软件构建由一个微胶囊和两个平行板构成的微胶囊受力模型，并在上部平行板施加一个方向垂直向下的静荷载，静荷载的大小为S7中确定的砂浆单体受力模型中微胶囊所受最大法向力。通过提取受力后微胶囊囊壁内侧和外侧的最大Mises应力并与囊壁材料的破裂的应力相比较，确定微胶囊的破裂状态和破裂位置。
S9：微胶囊在拌和过程中的存活率预估：
调整步长，取值频率从95％降至85％，将微胶囊单体模型所受的荷载大小代入S8中构建的微胶囊单体受力模型，并确定微胶囊破裂的临界荷载。然后通过拌和颗粒之间最大法向力、砂浆集合模型中最大法向力和砂浆单体模型中微胶囊的最大法向力的取值频率来改变微胶囊单体模型所受荷载，并将所得的不同的确定微胶囊在拌和过程中的存活率范围。
应用实例
一种微胶囊在沥青混合料拌和过程中破裂的仿真分析方法，包括以下步骤：
步骤1、计算微胶囊沥青混合料多尺度模型体积参数
首先将微胶囊沥青混合料按表1进行模型划分，其中微观模型为沥青砂浆的细化，沥青胶浆为沥青和矿粉组成。
表1
Figure BDA0003134503630000101
其次以级配如表2所示的AC-16为例，计算多尺度模型中各材料参数的体分比，该微胶囊沥青混合料的各材料参数如表3所示，计算得到的体积参数如表4所示。
表2
Figure BDA0003134503630000102
表3
Figure BDA0003134503630000103
表4
Figure BDA0003134503630000104
Figure BDA0003134503630000111
步骤2、预估微胶囊等效力学参数
将微胶囊的液体囊芯简化为近似不可压缩固体，建立如图1所示的等效预估模型，囊芯泊松比为0.4999，体积模量为1.6GPa。该微胶囊模型的等效体积模量和等效剪切模量分别由式(1)和式(2)所示。
Figure BDA0003134503630000112
Figure BDA0003134503630000113
Figure BDA0003134503630000114
Figure BDA0003134503630000115
Figure BDA0003134503630000116
Figure BDA0003134503630000117
Figure BDA0003134503630000121
Figure BDA0003134503630000122
式中：khom为微胶囊等效体积模量，μhom为微胶囊等效剪切模量，C1为夹杂体的体分比，本式中代表微胶囊囊芯的体分比，C1＝a3/b3，a和b分别为微胶囊的内径和外径，km和ki分别为囊壁和囊芯的体积模量；μm和μi分为囊壁和囊芯的剪切模量；vm和vi分为囊壁和囊芯的泊松比；A、B、C、y1、y2和y3均为中间变量。
之后以囊芯相对半径0.8的脲醛树脂为研究对象，单独制备液态的囊壁材料并倒入模具中制成宏观试件。将试件放置于160℃的环境中进行拉伸试验得到囊壁材料在该拌和温度下的弹性模量为1.65GPa，泊松比分别0.36。将两参数代入式(9)和式(10)中算得的剪切模量和体积模量后代入式(1)和式(2)算得该微胶囊在160℃的拌和温度下等效弹性模量为0.22GPa，泊松比为0.478。
Figure BDA0003134503630000123
Figure BDA0003134503630000124
式中：E为弹性模量；V为泊松比；k为体积模量；μ为剪切模量。
步骤3、预估沥青砂浆和沥青胶浆的等效力学参数
将步骤2)所算得的微观模型体积参数代入式(11)中计算得到随动体分比后，分别将砂浆模型中沥青和矿粉的体分比和微观模型中材料的随动体分比代入Mori-Tanaka力学模型的体积模量预估公式(12)和剪切模量公式(13)后算得沥青胶浆的等效弹性模量为19.87MPa，泊松比为0.4986，沥青砂浆的等效弹性模量为88.7731MPa和0.4968。
Figure BDA0003134503630000125
式中：fi为第i次夹杂时夹杂物的随动体分比；Vi为投入第i次集料时夹杂的体积。
Figure BDA0003134503630000126
Figure BDA0003134503630000131
式中：kMT和μMT分别为复合材料的等效体积模量和等效剪切模量；k0和μ0分别为基体的体积模量和剪切模量；C1为夹杂体的体分比，本式中代表集料的体分比。
步骤4、构建混合料拌和模型
以实际中采用的体积为4.04m3的4000型双卧轴搅拌器为原型，采用SolidWorks软件建立如图2所示的搅拌器模型，搅拌器模型包括搅拌叶片1、搅拌轴2和搅拌仓3。并基于相似理论将模型的饿长度尺度缩小12倍并导入EDEM软件中。在建立了颗粒模型之后采用Visual Studio软件编写插件，将仿真时间的前2s内的颗粒接触模型设置为Hertz-Mindlin(No slip)以模拟“干拌”，之后的时间接触模型为Hertz-Mindlin JKR以模拟加入沥青后的“湿拌”。
步骤5、确定混合料最佳拌和参数
以拌和过程中颗粒的离散系数为判断基准，采用不同拌和参数进行拌和仿真，得到不同拌和速度下的颗粒离散系数图3a至图3f、不同拌和充盈率下颗粒离散系数图4a至图4f和不同拌和时间下颗粒离散系数图5。综合分析得到最佳拌和速度为49rpm，最佳拌和充盈率为50％，最佳拌和时间为53s。
步骤6、沥青砂浆集合体受力分析
首先提取最佳拌和参数下，各瞬间颗粒之间法向力的数值和分布频率，考虑到数据的离散性，以95％分布频率下的最大法向力作为该瞬间的最大法向力。提取出各仿真瞬间的最大法向力如图6所示，以第2s时的最大法向力24.71N为砂浆细观模型的荷载。
然后将S3所得到的砂浆等效力学参数代入EDEM软件中构建如图7所示的沥青砂浆集合体受力模型，包括沥青砂浆颗粒4和刚性立方体5。其中沥青砂浆颗粒4的单体模型为粒径1mm的球体，模型边界为边长10mm的立方体。通过Visual Studio软件编写一个MBD耦合插件并导入EDEM软件的耦合模块中，以实现恒定力对EDEM模型的施加。
采用同样的方法，提取砂浆集合体模型中各砂浆颗粒之间的法向力分布图8，以95％分布频率下的法向力3.25N为砂浆单体所受的最大法向力。
步骤7、沥青砂浆单体受力分析
采用EDEM构建如图9所示的沥青砂浆单体的离散元模型，模型为边长1mm的刚性立方体8，立方体边框为钢材，内部采用随机分布的方式填充有粒径为1.18～0.6mm、0.6～0.3mm、0.3～0.15mm、0.15～0.075mm的细集料、粒径为0.1mm微胶囊颗粒6和粒径0.05mm的沥青胶浆颗粒7，微胶囊颗粒6和沥青胶浆颗粒7均为球体，并采用Visual Studio软件编写的MBD耦合插件进行恒定力的施加。提取95％分布频率下的微胶囊所受的法向力80mN作为微胶囊所受的最大法向力。
步骤8、微胶囊单体受力分析
采用ABAQUS有限元软件构建一个如图10所示的微胶囊受力模型，包括两个刚性平行板9和位于两个刚性平行板9之间的微胶囊颗粒6，其中微胶囊颗粒6的参数为步骤2所得，对模型施加一个垂直向下的荷载，荷载大小为80mN。然后提取80mN荷载下微胶囊囊壁的Mises应力分布以及囊壁内侧和外侧的应力分布曲线，得到囊壁内侧Mises应力变化曲线图如图11所示，囊壁外侧Mises应力变化曲线图如图12所示；从图13可以看出，将所得最大应力64.6318Mpa与52.42MPa的囊壁破裂应力相比确定该囊壁在拌和过程中会破裂，且破裂首先发生在囊壁内侧。
步骤9、微胶囊在拌和过程中的存活率预估
调整微胶囊单体模型所受的荷载大小代入步骤8中微胶囊单体受力模型进行受力分析，仿真得到当荷载为67.3mN时，微胶囊内最大Mises应力为52.4225MP，与52.42MPa的囊壁破裂强度最接近，因此将67.3mN作为微胶囊破裂的临界荷载。然后调整拌和模型中最大法向力的频率取值(频率1)、砂浆集合体模型中最大法向力频率取值(频率2)和砂浆单体模型中微胶囊所受最大法向力取值频率(频率3)进行仿真，获得如表5所示的仿真结果。发现当三级模型的最大法向力频率取值分别为：95％、85％和90％时，90％、90％和90％时，以及85％、90％和90％时，微胶囊单体模型所受荷载分别为67.65MPa、67.34MPa和67.14MPa，在数值上最接近67.3MPa的临界荷载，将各自工况下的频率值相乘可得拌和过程中微胶囊的存活率≥68.9％。
表5
Figure BDA0003134503630000141
Figure BDA0003134503630000151
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种微胶囊在沥青混合料拌和过程中破裂的仿真分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：计算微胶囊沥青混合料多尺度模型体积参数；
S2：预估微胶囊等效力学参数；
S3：根据S1得到的微胶囊沥青混合料多尺度模型体积参数，预估沥青砂浆和沥青胶浆的等效力学参数；
S4：构建混合料拌和模型；
S5：根据S4构建的混合料拌和模型确定混合料最佳拌和参数；
S6：根据S5确定的混合料最佳拌和参数，进行沥青砂浆集合体受力分析，得到沥青砂浆颗粒之间的最大法向力；
S7：基于S1中计算得到的微观模型体积参数计算得到沥青砂浆单体模型中各颗粒的数量和S2和S3计算得到的微胶囊、沥青砂浆和沥青胶浆等效力学参数以及S6得到的沥青砂浆颗粒之间的最大法向力，进行沥青砂浆单体受力分析，确定整个仿真过程中微胶囊所受的最大法向力；
S8：基于S7确定的微胶囊所受的最大法向力，构建微胶囊受力模型；
S9：根据S8构建的微胶囊受力模型对微胶囊在拌和过程中的存活率进行预估；
所述S2包括以下步骤：
将微胶囊的液体囊芯简化为近似不可压缩固体，建立等效预估模型，所述等效预估模型包括微胶囊模型的等效体积模量和等效剪切模量，分别由式（1）和式（2）所示；
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
式中：为微胶囊等效体积模量，为微胶囊等效剪切模量，C 1为夹杂体的体分比，本式中代表微胶囊囊芯的体分比，C 1=a 3/b 3，a和b分别为微胶囊的内径和外径，k m和k i分别为囊壁和囊芯的体积模量；μ m和μ i分为囊壁和囊芯的剪切模量；v m和v i分为囊壁和囊芯的泊松比；A、B、C、y 1 、y 2和y 3均为中间变量；
所述S4包括以下步骤:
以实际生产中沥青混合料搅拌器的结构参数为基础，建立沥青混合料拌和器模型并根据相似理论对所建立的拌和器缩进行缩放，然后将缩放后的模型导入多用途离散元素法建模软件中，然后在保留粒径大于1.18mm的集料颗粒的前提下根据微胶囊沥青混合料的颗粒构成建立颗粒模型；在多用途离散元素法建模软件中建立颗粒模型之后建立一个接触模型插件并导入多用途离散元素法建模软件中，使得干拌和湿拌的模型能随时间自动切换，并以此模型作为混合料拌和过程中颗粒之间的接触模型；
S5的具体过程为：
以拌和过程中颗粒的离散系数为混合料拌和效果的判断基准，采用不同拌和参数对混合料拌和模型进行拌和仿真，确定颗粒离散系数最小时的混合料拌和速度、拌和充盈率和拌和时间为该微胶囊沥青混合料的最佳拌和参数；
S6的具体过程为：
提取最佳拌和参数仿真过程中各瞬时颗粒之间的法向力链，确定整个拌和过程中颗粒之间的最大法向力；并基于S2计算得到的沥青砂浆等效力学参数，在多用途离散元素法建模软件中构建沥青砂浆集合体离散元模型，并编写多体动力学恒定力赋值插件并导入沥青砂浆集合体离散元模型中，实现对沥青砂浆集合体模型的恒定力赋值，恒定力的大小即为拌和过程中颗粒之间的最大法向力；提取仿真过程中各瞬时沥青砂浆颗粒之间的法向力链，确定整个仿真过程中沥青砂浆颗粒之间的最大法向力；
S7的具体过程为：
基于S1中计算得到的微观模型体积参数计算得到沥青砂浆单体模型中各颗粒的数量和S2和S3计算得到的微胶囊、沥青砂浆和沥青胶浆等效力学参数，在用途离散元素法建模软件中建立砂浆单体的离散元模型；通过与S6相同的方法，编写多体动力学恒定力赋值插件并导入砂浆单体的离散元模型中，实现对沥青砂浆单体模型的恒定力赋值，恒定力的大小即为S6中获得的沥青砂浆颗粒之间的最大法向力；提取仿真过程中各瞬时沥青砂浆单体模型中各颗粒之间的法向力链分布，确定整个仿真过程中微胶囊所受的最大法向力。
2.根据权利要求1所述的一种微胶囊在沥青混合料拌和过程中破裂的仿真分析方法，其特征在于，S1的具体过程为：确定细观和微观模型的材料组成，并根据微胶囊沥青混合料中各材料的密度、微胶囊掺量、混合料级配、混合料油石比、微胶囊囊壁和囊芯的密度、微胶囊的囊芯相对半径和热松散状态下沥青混合料的孔隙率，计算各模型中各材料的体积参数。
3.根据权利要求1所述的一种微胶囊在沥青混合料拌和过程中破裂的仿真分析方法，其特征在于，S3的具体过程为：
以相变细观力学本构模型为基础，结合分步夹杂的理论方法，将S1计算得到的细观模型体积参数进行随动体分比转换后连同砂浆模型体积参数代入相变细观力学本构模型的体积模量和剪切模量计算公式，计算沥青砂浆和沥青胶浆的等效力学参数。
4.根据权利要求1所述的一种微胶囊在沥青混合料拌和过程中破裂的仿真分析方法，其特征在于，S8的具体过程为：
以有限元软件构建由一个微胶囊和两个平行板构成的微胶囊受力模型，并在上部平行板施加一个方向垂直向下的静荷载，静荷载的大小为S7中确定的砂浆单体受力模型中微胶囊所受最大法向力；通过提取受力后微胶囊囊壁内侧和外侧的最大Mises应力并与囊壁材料的破裂的应力相比较，确定微胶囊的破裂状态和破裂位置。
5.根据权利要求1所述的一种微胶囊在沥青混合料拌和过程中破裂的仿真分析方法，其特征在于，S9的具体过程为：
调整微胶囊单体模型所受的荷载大小，代入S8中构建的微胶囊受力模型，并确定微胶囊破裂的临界荷载；然后通过拌和颗粒之间最大法向力、砂浆集合模型中最大法向力和砂浆单体模型中微胶囊的最大法向力的取值频率来改变微胶囊单体模型所受荷载，并将所得的不同工况下的最大法向力频率相乘的确定微胶囊在拌和过程中的存活率。
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