CN114970095B - 一种沥青混合料三维虚拟试件模型 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种沥青混合料三维虚拟试件模型，包括支撑脚，支工作台的顶部分别设置有三维虚拟软件和实验模型装置，本发明涉及沥青技术领域。该沥青混合料三维虚拟试件模型，解决了难以有单一的复合材料细观力学理论去进行匹配沥青混合料的细观结构，沥青混合料为具有粘弹性的颗粒物质，在动态加载时其内部结构也会不断发生变化，导致其宏观性能具有非线性、模糊性和不确定性，数字图像处理技术必须以实际试件作为基础，需要将不同的试样进行重复性处理，耗时耗力且成本较高，数值模拟分析法缺陷在于其集料级配、分布、空隙大小等细观特征均为固定设置，虚拟试件单一，试验结果难以具备广泛应用性的问题。

Description

一种沥青混合料三维虚拟试件模型
技术领域
本发明涉及沥青技术领域，具体为一种沥青混合料三维虚拟试件模型。
背景技术
沥青是一种粘稠的、黑色的并且具有高度粘度的液体或半固体形态的石油，表面呈黑色，可溶于二硫化碳、四氯化碳。沥青主要可以分为煤焦沥青、石油沥青和天然沥青三种：其中，煤焦沥青是炼焦的副产品。石油沥青是原油分馏后的残渣。天然沥青则是储藏在地下，有的形成矿层或在地壳表面堆积。沥青的主要用途，约70％的沥青，是用在道路建设里，沥青被用作与建筑骨料颗粒混合的胶水或粘合剂，以产生沥青混凝土。沥青的其他主要用途是用于沥青防水，包括油毡生产和平屋顶密封。
现有沥青混合料设计方式如下，一是从复合材料细观力学理论去研究沥青混合料各组分材料细观特征对其宏观力学性能的影响，并建立相应的定量关系。较为成熟的理论有如自洽理论、Mori-Tanaka方法、Eshelby等效夹杂理论，微分介质方法等，二是数字图像处理技术，即使用X-ray CT无损伤扫描或数码相机拍照的方式去采集沥青混合料的切片图像并处理，以获取材料的内部结构组成、细观特征等。三是通过计算机软件对沥青混合料建立数值模型，再进行细观力学上的模拟分析，目前用得较多的数值模拟分析法是有限元分析法与离散元分析法，但存在以下问题；
第一，由于沥青混合料的真实组成结构极为复杂，难以有单一的复合材料细观力学理论去进行匹配沥青混合料的细观结构；
第二，沥青混合料为具有粘弹性的颗粒物质，在动态加载时其内部结构也会不断发生变化，导致其宏观性能具有非线性、模糊性和不确定性；另一方面，数字图像处理技术必须以实际试件作为基础，需要将不同的试样进行重复性处理，耗时耗力且成本较高，其应用也就受到了一定的局限；
第三，数值模拟分析法缺陷在于其集料级配、分布、空隙大小等细观特征均为固定设置，虚拟试件单一，试验结果难以具备广泛应用性。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种沥青混合料三维虚拟试件模型，解决了由于沥青混合料的真实组成结构极为复杂，难以有单一的复合材料细观力学理论去进行匹配沥青混合料的细观结构，沥青混合料为具有粘弹性的颗粒物质，在动态加载时其内部结构也会不断发生变化，导致其宏观性能具有非线性、模糊性和不确定性，另一方面，数字图像处理技术必须以实际试件作为基础，需要将不同的试样进行重复性处理，耗时耗力且成本较高，其应用也就受到了一定的局限，数值模拟分析法缺陷在于其集料级配、分布、空隙大小等细观特征均为固定设置，虚拟试件单一，试验结果难以具备广泛应用性的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种沥青混合料三维虚拟试件模型，包括支撑脚(2)，所述支撑脚(2)的顶部固定连接有工作台(1)，所述工作台(1)的顶部分别设置有三维虚拟软件(3)和实验模型装置(4)。
所述实验模型装置(4)包括箱体(41)，所述箱体(41)的顶部转动连接有盖板(44)，所述箱体(41)的内壁对称固定有放料板(42)，所述放料板(42)的中间固定开设有凹槽(49)，所述凹槽(49)的内壁对称固定开设有滑动槽(410)，所述凹槽(49)的内腔设置有半圆弯曲混合料沥青(43)，所述滑动槽(410)的内腔滑动套接有滑动块(411)，所述滑动块(411)的表面通过合页(412)转动连接有挤压块(413)，所述挤压块(413)的顶部固定连接有第二把手(414)，所述第二把手(414)和挤压块(413)的表面滑动套接有按压杆(415)，所述第二把手(414)的内腔通过第一弹簧(417)滑动套接有插杆(416)，所述插杆(416)的表面固定开设有斜槽(418)，所述第二把手(414)的内腔固定开设有安装孔(419)，所述安装孔(419)的内腔对称固定连接有第二弹簧(421)，所述按压杆(415)的表面固定套接有套板(420)，所述盖板(44)和箱体(41)的表面分别固定连接有第一固定块(46)和第二固定块(48)，所述第二固定块(48)的表面螺纹套接有螺栓(47)，所述盖板(44)的底部固定连接有驱动座(423)，所述驱动座(423)的内腔转动套接有丝杆(424)，所述丝杆(424)的表面螺纹套接有移动板(425)，所述移动板(425)的顶部分别固定连接有伸缩板(427)和气缸(426)，所述气缸(426)的伸出端固定套接有安装板(428)，所述安装板(428)的顶部固定连接有数码相机(429)，所述驱动座(423)的一端固定连接有驱动电机(422)。
所述三维虚拟软件(3)包括Matlab软件，且采用Matlab软件中“凸包法”、三维ODEC算法、内聚力本构模型及离散元软件的块体生成技术建立沥青混合料三维虚拟试件模型。
优选的，所述套板(420)的表面与安装孔(419)的内腔相互吻合。
优选的，所述第二弹簧(421)的顶部固定连接在套板(420)的底部上。
优选的，所述盖板(44)的顶部固定连接有第一把手(45)。
优选的，所述驱动电机(422)固定连接在盖板(44)的底部上。
优选的，所述驱动电机(422)的输出端贯穿驱动座(423)的一端，并与丝杆(424)的一端固定连接。
优选的，所述移动板(425)滑动套接在驱动座(423)的内腔中。
优选的，所述气缸(426)的底部为圆弧状，所述数码相机(429)为倾斜状。
优选的，所述安装板(428)左端的顶部固定连接在伸缩板(427)的底部上。
优选的，所述按压杆(415)的底部与斜槽(418)的表面相互吻合。
(三)有益效果
本发明提供了一种沥青混合料三维虚拟试件模型。与现有技术相比具备以下有益效果：
1、该沥青混合料三维虚拟试件模型，通过打开盖板，将半圆弯曲混合料沥青随着凹槽的内腔进行放置，然后通过挤压块翻转挤压块，使挤压块与凹槽进行贴合，然后再通过第二把手推动挤压块和滑动块进行滑动，使插杆在挤压下，通过第一弹簧进行缩进，最后使插杆的一端插入在凹槽的内壁上，形成闭合的同时会对半圆弯曲混合料沥青形成限位，然后关闭盖板，然后再转动螺栓，使螺栓的底部进入到第二固定块的内腔中，完成固定，然后启动驱动电机，使驱动电机的输出端带动丝杆进行移动，同时带动移动板在驱动座的内腔中进行移动，使气缸位于半圆弯曲混合料沥青的上方即可，然后启动气缸，使气缸通过安装板带动伸缩板进行向下移动，使气缸的底部挤压在半圆弯曲混合料沥青的表面上，从而使半圆弯曲混合料沥青出现断裂的现象，通过数码相机来获取断裂下半圆弯曲混合料沥青的图像，并传送到三维虚拟软件中进行图像数字化处理，获取真实下半圆弯曲混合料沥青内部结构信息等，解决由于沥青混合料的真实组成结构极为复杂，难以有单一的复合材料细观力学理论去进行匹配沥青混合料的细观结构的问题。
2、该沥青混合料三维虚拟试件模型，通过三维虚拟软件包括的Matlab软件，采用Matlab软件“凸包法”、三维ODEC算法、内聚力本构模型及离散元软件的块体生成技术可以直接建立沥青混合料三维虚拟试件模型，并先以虚拟劈裂试验对比实验模型装置实验结果验证离散元模型的准确性和可行性，随后，建立沥青混合料虚拟半圆弯曲试验模型，分析复合荷载作用下沥青混合料半圆试件开裂行为的变化规律。最后，综合前几步关于粗集料特性对沥青混合料断裂性能影响的研究结论，再结合分形理论，提出新的抗裂功能型沥青混合料级配设计方法，并通过虚拟试验与原级配作对比，分析其优势，解决沥青混合料为具有粘弹性的颗粒物质，在动态加载时其内部结构也会不断发生变化，导致其宏观性能具有非线性、模糊性和不确定性；另一方面，数字图像处理技术必须以实际试件作为基础，需要将不同的试样进行重复性处理，耗时耗力且成本较高，其应用也就受到了一定的局限。
3、该沥青混合料三维虚拟试件模型，通过利用内聚力模型与离散元随机生成法生成试件，并使用虚拟半圆弯曲试验对集料的细观特性进行分析，通过改变集料的特性来获取其对断裂性能试验结果的影响。以典型的下面层AC-20级配沥青混合料为例，通过半圆弯曲试验的模拟，分析荷载作用下沥青混合料内部粗集料粒径、粗集料几何特征、粗集料含量、粗集料空间分布、空隙大小、砂浆强度等对沥青混合料断裂试验结果的影响，计算出各细观特征对沥青混合料断裂性能的影响占比，解决数值模拟分析法缺陷在于其集料级配、分布、空隙大小等细观特征均为固定设置，虚拟试件单一，试验结果难以具备广泛应用性。
4、该沥青混合料三维虚拟试件模型，通过真实和虚拟实验，利用同一位置在不同应力阶段的图像组合分析裂缝演化特点，观测沥青混合料开裂的全过程，再对试件作切片处理以分析各粗集料细观特性等对试件开裂破坏的影响，从细观尺度上对混合料内部细观特征对断裂性能影响进行定量描述。对深刻理解路面沥青混合料断裂力学机制、分析断裂过程影响因素、更精确地预测混合料破坏过程，改进抗裂功能型沥青混合料的设计方法、性能评价等。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明结构实验模型装置示意图；
图3为本发明结构放料板示意图；
图4为本发明结构放料板局部示意图；
图5为本发明结构放料板局部剖视图；
图6为本发明结构图5中A处局部放大图；
图7为本发明结构盖板示意图；
图8为本发明结构图7中B处局部放大图。
图中：1、工作台；2、支撑脚；3、三维虚拟软件；4、实验模型装置；41、箱体；42、放料板；43、半圆弯曲混合料沥青；44、盖板；45、第一把手；46、第一固定块；47、螺栓；48、第二固定块；49、凹槽；410、滑动槽；411、滑动块；412、合页；413、挤压块；414、第二把手；415、按压杆；416、插杆；417、第一弹簧；418、斜槽；419、安装孔；420、套板；421、第二弹簧；422、驱动电机；423、驱动座；424、丝杆；425、移动板；426、气缸；427、伸缩板；428、安装板；429、数码相机。
具体实施方式
对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例提供一种技术方案：一种沥青混合料三维虚拟试件模型，包括支撑脚2，支撑脚2的顶部固定连接有工作台1，工作台1的顶部分别设置有三维虚拟软件3和实验模型装置4，三维虚拟软件3包括Matlab软件，且采用Matlab软件中“凸包法”、三维ODEC算法、内聚力本构模型及离散元软件的块体生成技术建立沥青混合料三维虚拟试件模型。
请参阅图2-8，实验模型装置4包括箱体41，箱体41的顶部转动连接有盖板44，箱体41的内壁对称固定有放料板42，放料板42的中间固定开设有凹槽49，凹槽49的内壁对称固定开设有滑动槽410，凹槽49的内腔设置有半圆弯曲混合料沥青43，滑动槽410的内腔滑动套接有滑动块411，滑动块411的表面通过合页412转动连接有挤压块413，挤压块413的顶部固定连接有第二把手414，第二把手414和挤压块413的表面滑动套接有按压杆415，第二把手414的内腔通过第一弹簧417滑动套接有插杆416，插杆416的表面固定开设有斜槽418，第二把手414的内腔固定开设有安装孔419，安装孔419的内腔对称固定连接有第二弹簧421，按压杆415的表面固定套接有套板420，盖板44和箱体41的表面分别固定连接有第一固定块46和第二固定块48，第二固定块48的表面螺纹套接有螺栓47，盖板44的底部固定连接有驱动座423，驱动座423的内腔转动套接有丝杆424，丝杆424的表面螺纹套接有移动板425，移动板425的顶部分别固定连接有伸缩板427和气缸426，气缸426的伸出端固定套接有安装板428，安装板428的顶部固定连接有数码相机429，驱动座423的一端固定连接有驱动电机422，套板420的表面与安装孔419的内腔相互吻合，第二弹簧421的顶部固定连接在套板420的底部上，盖板44的顶部固定连接有第一把手45，驱动电机422固定连接在盖板44的底部上，驱动电机422的输出端贯穿驱动座423的一端，并与丝杆424的一端固定连接，移动板425滑动套接在驱动座423的内腔中，气缸426的底部为圆弧状，数码相机429为倾斜状，安装板428左端的顶部固定连接在伸缩板427的底部上，按压杆415的底部与斜槽418的表面相互吻合。
使用时，首先打开盖板44，将半圆弯曲混合料沥青43随着凹槽49的内腔进行放置，然后通过挤压块413翻转挤压块413，使挤压块413与凹槽49进行贴合，然后再通过第二把手414推动挤压块413和滑动块411进行滑动，使插杆416在挤压下，通过第一弹簧417进行缩进，当挤压块413和滑动块411移动做底部的时候，会使插杆416的一端插入在凹槽49的内壁上，形成闭合的同时会对半圆弯曲混合料沥青43形成限位，然后关闭盖板44，然后再转动螺栓47，使螺栓47的底部进入到第二固定块48的内腔中，完成固定，然后启动驱动电机422，使驱动电机422的输出端带动丝杆424进行移动，同时带动移动板425在驱动座423的内腔中进行移动，使气缸426位于半圆弯曲混合料沥青43的上方即可，然后启动气缸426，使气缸426通过安装板428带动伸缩板427进行向下移动，使气缸426的底部挤压在半圆弯曲混合料沥青43的表面上，从而使半圆弯曲混合料沥青43出现断裂的现象，并通过数码相机429来获取断裂下半圆弯曲混合料沥青43的图像，并传送到三维虚拟软件3中进行图像数字化处理，获取沥青混合料内部结构信息等，当结束后，可以按动按压杆415，使按压杆415挤压斜槽418的表面，从而使插杆416向一侧移动，使插杆416从凹槽49内壁取出，然后通过第二把手414将挤压块413和滑动块411向上移动，并使挤压块413进行翻转，当松开按压杆415在第二弹簧421和第一弹簧417的弹力，带动按压杆415和插杆416进行复位让，最后在将半圆弯曲混合料沥青43取出即可。
另外通过三维虚拟软件3包括的Matlab软件，采用Matlab软件“凸包法”、三维ODEC算法、内聚力本构模型及离散元软件的块体生成技术可以直接建立沥青混合料三维虚拟试件模型，并先以虚拟劈裂试验对比实验模型装置4实验结果验证离散元模型的准确性和可行性，随后，建立沥青混合料虚拟半圆弯曲试验模型，分析复合荷载作用下沥青混合料半圆试件开裂行为的变化规律。最后，综合前几步关于粗集料特性对沥青混合料断裂性能影响的研究结论，再结合分形理论，提出新的抗裂功能型沥青混合料级配设计方法，并通过虚拟试验与原级配作对比，分析其优势。
通过真实和虚拟实验，利用同一位置在不同应力阶段的图像组合分析裂缝演化特点，观测沥青混合料开裂的全过程，再对试件作切片处理以分析各粗集料细观特性等对试件开裂破坏的影响，从细观尺度上对混合料内部细观特征对断裂性能影响进行定量描述对深刻理解路面沥青混合料断裂力学机制、分析断裂过程影响因素、更精确地预测混合料破坏过程，改进抗裂功能型沥青混合料的设计方法、性能评价等。
以及利用内聚力模型与离散元随机生成法生成试件，并使用虚拟半圆弯曲试验对集料的细观特性进行分析，通过改变集料的特性来获取其对断裂性能试验结果的影响以典型的下面层AC-20级配沥青混合料为例，通过半圆弯曲试验的模拟，分析荷载作用下沥青混合料内部粗集料粒径、粗集料几何特征、粗集料含量、粗集料空间分布、空隙大小、砂浆强度等对沥青混合料断裂试验结果的影响，计算出各细观特征对沥青混合料断裂性能的影响占比。
需要说明的是，实验模型装置4实现真实下半圆弯曲混合料沥青43的断裂下的实验，那么三维虚拟软件3中的Matlab软件可以根据数码相机429获取的图像进行自动三维建模方式，来实现虚拟下半圆弯曲混合料沥青43的断裂实验，并可以将真实下与虚拟下对半圆弯曲混合料沥青43断裂检测的数据进行对比，可以进行数据分析，使数据更加准确。
同时本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域技术人员公知的现有技术。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种沥青混合料三维虚拟试件模型，包括支撑脚(2)，所述支撑脚(2)的顶部固定连接有工作台(1)，其特征在于：所述工作台(1)的顶部分别设置有三维虚拟软件(3)和实验模型装置(4)；
所述实验模型装置(4)包括箱体(41)，所述箱体(41)的顶部转动连接有盖板(44)，所述箱体(41)的内壁对称固定有放料板(42)，所述放料板(42)的中间固定开设有凹槽(49)，所述凹槽(49)的内壁对称固定开设有滑动槽(410)，所述凹槽(49)的内腔设置有半圆弯曲混合料沥青(43)，所述滑动槽(410)的内腔滑动套接有滑动块(411)，所述滑动块(411)的表面通过合页(412)转动连接有挤压块(413)，所述挤压块(413)的顶部固定连接有第二把手(414)，所述第二把手(414)和挤压块(413)的表面滑动套接有按压杆(415)，所述第二把手(414)的内腔通过第一弹簧(417)滑动套接有插杆(416)，所述插杆(416)的表面固定开设有斜槽(418)，所述第二把手(414)的内腔固定开设有安装孔(419)，所述安装孔(419)的内腔对称固定连接有第二弹簧(421)，所述按压杆(415)的表面固定套接有套板(420)，所述盖板(44)和箱体(41)的表面分别固定连接有第一固定块(46)和第二固定块(48)，所述第二固定块(48)的表面螺纹套接有螺栓(47)，所述盖板(44)的底部固定连接有驱动座(423)，所述驱动座(423)的内腔转动套接有丝杆(424)，所述丝杆(424)的表面螺纹套接有移动板(425)，所述移动板(425)的顶部分别固定连接有伸缩板(427)和气缸(426)，所述气缸(426)的伸出端固定套接有安装板(428)，所述安装板(428)的顶部固定连接有数码相机(429)，所述驱动座(423)的一端固定连接有驱动电机(422)；
所述三维虚拟软件(3)包括Matlab软件，且采用Matlab软件中“凸包法”、三维ODEC算法、内聚力本构模型及离散元软件的块体生成技术建立沥青混合料三维虚拟试件模型。
2.根据权利要求1所述的一种沥青混合料三维虚拟试件模型，其特征在于：所述套板(420)的表面与安装孔(419)的内腔相互吻合。
3.根据权利要求1所述的一种沥青混合料三维虚拟试件模型，其特征在于：所述第二弹簧(421)的顶部固定连接在套板(420)的底部上。
4.根据权利要求1所述的一种沥青混合料三维虚拟试件模型，其特征在于：所述盖板(44)的顶部固定连接有第一把手(45)。
5.根据权利要求1所述的一种沥青混合料三维虚拟试件模型，其特征在于：所述驱动电机(422)固定连接在盖板(44)的底部上。
6.根据权利要求5所述的一种沥青混合料三维虚拟试件模型，其特征在于：所述驱动电机(422)的输出端贯穿驱动座(423)的一端，并与丝杆(424)的一端固定连接。
7.根据权利要求1所述的一种沥青混合料三维虚拟试件模型，其特征在于：所述移动板(425)滑动套接在驱动座(423)的内腔中。
8.根据权利要求1所述的一种沥青混合料三维虚拟试件模型，其特征在于：所述气缸(426)的底部为圆弧状，所述数码相机(429)为倾斜状。
9.根据权利要求1所述的一种沥青混合料三维虚拟试件模型，其特征在于：所述安装板(428)左端的顶部固定连接在伸缩板(427)的底部上。
10.根据权利要求1所述的一种沥青混合料三维虚拟试件模型，其特征在于：所述按压杆(415)的底部与斜槽(418)的表面相互吻合。
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细观尺度下基于非均匀性研究沥青混合料的开裂行为;孙雅珍;郭学南;程圆圆;侯艳妮;;中外公路;20181025(05);全文 *

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