CN116822303A - 一种基于X-Ray的沥青混凝土三维有限元建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于X‑Ray的沥青混凝土三维有限元建模方法，其步骤为：利用Mimics软件对沥青混凝土试件横断面的X‑rayCT连续扫描图进行相关处理，重构集料的三维模型以及沥青与集料之和的三维模型；然后导入到3‑Matic中，通过布尔运算获得沥青的三维模型；接着通过对集料、沥青、沥青与集料之和的三维模型与提前建立的模型进行布尔运算，切割出相应大小的沥青、集料、空隙的三维模型；分别划分面网格与体网格后装配，最后将装配后生成体网格的沥青混合料模型导入Abaqus软件中进行分类、材料属性赋值以及进一步的计算分析。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X-Ray的沥青混凝土三维有限元建模方法。
背景技术
沥青路面因表面平整、行车舒适、易养护维修、可再生利用等诸多适用于现代道路的材料服役性能，在我国高速公路设计中得到广泛应用。在借用有限元软件进行路面性能分析时，研究者大多从宏观角度以及微观角度出发构建道路模型。沥青混合料细观力学模型的构建方式主要有两种：数字图像处理法和参数化建模法。参数化建模法是指利用计算机软件编写随机骨料程序，生成不同形状的骨料，并遵循一定的干涉准则投放骨料，建立符合沥青混合料真实结构的细观几何模型。虽然在一定程度上，参数化建模法能反映沥青混合料中集料体积比和集料的随机分布对其力学性能的影响，但是仍然不够真实，无法还原沥青混合料的内部细观结构，无法深入研究集料级配和集料形状等要素对混合料整体力学性能的影响。而采用数字图像处理法时，研究者大多从二维的角度出发，目前并没有合适的三维有限元建模方法，可以建立与沥青混合料实际构造相符合的有限元模型。
专利CN111882667A公开了一种基于细观结构的沥青混凝土三维有限元建模方法，该方法在Mimics软件中对沥青混凝土的X-rayCT图进行处理，三维重构后导入3-Matic中进行装配，接着划分面网格及生成体网格后导回Mimics中进行材料属性赋值。该方法的不足之处在于：因为Mimics中材料的难以区分以及单个空隙体积过小，难以与沥青和集料统一划分面网格，而忽略了空隙的存在，仅生成了沥青混合料中的集料以及沥青；用Intersection-based方法装配后再生成面网格的方法会使得装配体难以划分的部分不生成导致丢失，从而对重构的沥青混合料的内部结构以及占比形成一定影响。
发明内容
为解决上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供了一种基于X-Ray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。
为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于X-Ray的沥青混凝土三维有限元建模方法，其特点在于：将沥青混凝土试件横断面的X-rayCT连续扫描图导入Mimics中进行预处理，将处理完的三维模型复制进3-Matic中切割出想要的部分，装配后生成体网格导入Abaqus中，在Abaqus中进行分类、材料属性赋值。具体包括以下步骤：
步骤1：利用X-rayCT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1.1：将扫描得到的图像导入Mimics软件中，此处扫描的试件大小直径为101.6mm、高为63.5mm，是标准马歇尔试件；
步骤1.2：利用CropImages功能在图像中限定覆盖沥青混凝土试件的区域，将载物台的区域排除在外，后续的操作步骤只对沥青混凝土所在区域产生效果；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；
步骤1.3：在Mimics软件中，采用阈值分割法并结合多切片编辑处理，依次分割出序列图像中的沥青与集料之和以及集料的蒙版；
步骤1.4：蒙版创建完成后，在Mimics软件中，计算出沥青与集料之和以及集料的三维模型；
步骤2：将处理完的三维模型复制进3-Matic中切割出想要的部分，分别划分面网格确保能够生成体网格后装配，装配体生成体网格后导入Abaqus中
步骤2.1：将Mimics软件中重构的两模型复制到模型处理软件3-Matic中，对集料的三维模型及沥青与集料之和的三维模型进行平滑处理，然后通过对沥青与集料之和以及集料的三维模型进行布尔运算，获得沥青的三维模型；
步骤2.2：在3-Matic软件中，提前创建好要进行分析的模型，利用布尔运算对集料的三维模型和沥青的三维模型以及沥青与集料之和的模型同提前创建的模型分别进行切割处理，获得提前创建模型区域内的集料、沥青、空隙的三维模型；
步骤2.3：首先对集料使用模型修复功能，划分面网格后再度修复至可以生成体网格，与划分面网格前的模型比较，查找丢失部分，修改难以划分面网格的地方，确保单独生成后与未丢失部分合并；接着对沥青和空隙采取相同操作，确保单个模型都可生成体网格后装配；
步骤2.4：装配后再次生成体网格，检查无误后，以SurfaceSet的形式输出可以导入Abaqus的inp文件；
步骤3：导入部件后，在Abaqus中进行分类、材料属性赋值
步骤3.1：在Abaqus中以Model的形式导入inp文件，生成模型；
步骤3.2：单独显示各个集合，并点击Surfaces高亮显示进行区分；
步骤3.3：将区分好的集合合并，并赋予材料属性。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、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，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，因此能更直观地反映沥青混合料中集料、空隙的形状以及分布，从而更进一步的研究沥青混凝土的多种特性。
2、与已有方法相比，本发明可以在划分网格后查找丢失的集料或者空隙，修改不易生成的部分，尽可能地还原沥青混合料内部分布以及集料、空隙的占比。
3、与已有方法相比，本发明可以在Abaqus软件中准确的区分沥青、集料、空隙，并不会因材料种类的变多而使得材料的区分产生误差，导致材料属性赋值产生错误。
附图说明
图1为本发明基于X-Ray的沥青混凝土三维有限元建模方法流程图。
图2为利用CropImages功能限定图像处理区域以及使用Contrast功能调整对比度，其中：(a)为初始图片，从上至下依次为俯视图、主视图和左视图，(b)为利用CropImages功能限定图像处理区域，(c)为限定区域后的图片，(d)为使用Contrast功能调整对比度，(e)为调整完对比度后的图片。
图3为在Mimics中灰度值区分、创建蒙版、三维重构的流程图，其中：(a)为使用Draw ProfileLine功能，(b)为所有部分的蒙版，(c)为空隙的蒙版，(d)为沥青与集料之和的蒙版，(e)为集料的蒙版，(f)为沥青与集料之和的三维模型，(g)为集料的三维模型。
图4为在3-Matic中平滑沥青与集料之和模型及集料模型后通过布尔运算得到沥青模型的流程图，其中：(a)为沥青与集料之和初始模型，(b)为集料的初始模型，(c)为平滑后的沥青与集料之和模型，(d)为平滑后的集料模型，(e)为沥青模型。
图5为正方体模型分别与沥青模型、集料模型、沥青与集料之和模型进行布尔运算，切割出正方体大小的沥青、集料、空隙模型的流程图，其中：(a)为提前创立的小正方体模型，(b)为沥青模型，(c)为集料模型，(d)为沥青与集料之和的模型，(e)为切割后的沥青模型，(f)为切割后的集料模型，(g)为切割出的空隙模型。
图6为未丢失集料模型与丢失集料模型合并的流程图，其中：(a)为未丢失的集料模型，(b)丢失的集料模型，(c)为合并后的集料模型。
图7为沥青、集料、空隙模型进行非流行装配得到装配体的流程图，其中：(a)为集料模型，(b)为空隙模型，(c)为沥青模型，(d)为装配体模型。
图8为检查体网格是否生成图，其中：(a)为未生成体网格的剖面图，(b)为生成体网格后的剖面图；
图9为在Abaqus中对集合分类并赋予材料属性的流程图，其中：(a)为沥青的识别，(b)为集料的识别，(c)为空隙的识别，(d)为材料属性赋值。
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X-Ray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、面网格划分与体网格生成、材料属性赋值三部分，具体包括以下步骤：
步骤1：利用X-rayCT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1.1：将扫描得到的图像导入Mimics软件中，此处扫描的试件大小直径为101.6mm、高为63.5mm，是标准马歇尔试件；
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。
步骤1.2：利用CropImages功能在图像中限定覆盖沥青混凝土试件的区域，将载物台的区域排除在外，后续的操作步骤只对沥青混凝土所在区域产生效果；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；
如图2所示，在图像重构软件Mimics对导入的图像进行图像预处理：首先利用CropImages功能框选沥青混凝土试件的区域，即后续的操作步骤只对框选区域产生效果，否则在三维重构时载物台的影像也会一起出现，影响后续操作；鉴于原始扫描图像整体亮度过大，各种材料难以分辨，这里利用Contrast功能调整图像对比度，调整到集料容易分辨的数值。因为后续的蒙版创建中集料的蒙版最为重要。
步骤1.3：在Mimics软件中，采用阈值分割法并结合多切片编辑处理，依次分割出序列图像中的沥青与集料之和以及集料的蒙版；
与通常取值范围为0-255的灰度值不同，在Mimics中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。首先采用阈值分割的方法得到初步的蒙版，后面使用多切片编辑对蒙版进行处理。具体操作为：利用Mimics中的DrawProfileLine功能在扫描图像上定义一条穿过集料、沥青和空隙的剖面线，如图3(a)所示，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2250)，全部的分割阈值(阈值上线为3071，阈值下限为-224)，空隙的分割阈值(阈值上线为1850，阈值下限为-224)，采用阈值分割法，首先得到全部以及空隙的蒙版，如图3(b)、(c)所示，接着通过布尔操作，得到沥青与集料之和的蒙版，如图3(d)所示，最后再通过阈值分割法得到集料的初步蒙版。沥青混合料扫描图像中空隙CT值最低，集料CT值最高，这两种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。且因为是由布尔操作所得沥青与集料之和，不会出现区域重复的问题。
由于扫描过程中不同材料的HU值相差不大，导致初步的蒙版创建后，部分集料块之间由于距离过近，未被分割开。这种集料间的相连一方面会给面网格的划分带来困难，另一方面也与现实情况不符，体现为模型的失真，不能真实的反应沥青混合料内部的结构分布。所以，需要使用多切片编辑将相连的部位分开。具体操作为选择“MultipleSliceEdit”按钮，操作鼠标，将相连部位依照轮廓分开。值得注意的是，三个视角的每一张图片等都需要进行相关的处理，才可以得到最终想要的集料蒙版，如图3(e)所示。
步骤1.4：蒙版创建完成后，在Mimics软件中，计算出沥青与集料之和以及集料的三维模型；
得到处理过的集料蒙版以及沥青与集料之和的蒙版后，右击使用“CalculatePart”，选中想要生成的蒙版，生成相应的三维模型，如图3(f)、(g)所示。
步骤2：将处理完的三维模型复制进3-Matic中切割出想要的部分，分别划分面网格确保能够生成体网格后装配，装配体生成体网格后导入Abaqus中
步骤2.1：将Mimics软件中重构的两模型复制到模型处理软件3-Matic中，对集料的三维模型及沥青与集料之和的三维模型进行平滑处理，然后通过对沥青与集料之和以及集料的三维模型进行布尔运算，获得沥青的三维模型。具体如下：
将模型复制进3-Matic中，使用平滑功能减少三维模型表面的不规则，也为后续有限元仿真中的计算减少难度，这里采用默认的0.7作为平滑因子，光滑的同时兼顾不失真。首先，点击菜单栏中的“Fix”，在下拉菜单中选择“Smooth”；在右下角的“Entities”中选择“沥青与集料之和模型”以及“集料模型”，点击“Apply”得到光滑后的“沥青与集料之和模型”(如图4(c)所示)，以及“集料模型”(如图4(d)所示)。
其次，点击菜单栏中的“Design”，在下拉菜单中选择“BooleanSubtraction”，在右下角的“Entity”中选择“沥青与集料之和模型”，在“SubtractionEntity”中选择“集料模型”，然后点击“Apply”，得到沥青的三维模型图，如图4(e)所示。
步骤2.2：在3-Matic软件中，提前创建好要进行分析的模型，利用布尔运算对集料的三维模型和沥青的三维模型以及沥青与集料之和的模型同提前创建的模型分别进行切割处理，获得提前创建模型区域内的集料、沥青、空隙的三维模型；
由于沥青混合料原始尺寸过大，全部生成体网格后进行分析则计算量过大，本发明选取的是一个较小的正方体模型，长宽高为20mm。操作为：点击菜单栏中的“Design”，在下拉菜单中选择“CreatePrimitive”，点击右侧的“CreateBox”，在右下角选择基于“CornerPoint”的方法，选择CornerPoint的坐标为(0,0,0)，长宽高设置为20，点击“Apply”生成模型，如图5(a)所示。
完成小正方体的创建后，使用布尔运算进行切割，先使用“BooleanIntersection”，选择小正方体以及集料模型，点击“Apply”后得到小正方体模型内的集料模型(如图5(f)所示)，对沥青模型同样操作得到小正方体模型内的沥青模型(如图5(e)所示)，再使用“Boolean Subtraction”，在右下角的“Entity”中选择小正方体，在“SubtractionEntity”中选择“沥青与集料之和模型”，然后点击“Apply”，得到空隙的三维模型(如图5(g)所示)。
步骤2.3：首先对集料使用模型修复功能，划分面网格后再度修复至可以生成体网格，与划分面网格前的模型比较，查找丢失部分，修改难以划分面网格的地方，确保单独生成后与未丢失部分合并；接着对沥青和空隙采取相同操作，确保单个模型都可生成体网格后装配；
以集料为例，在网格划分之前先利用3-Matic软件FixWizard功能对模型进行修复。完成模型的修复后，点击“Reform”下拉菜单中的“UniformRemesh”，根据模型的大小选择合适的Targettriangleedgelength，面网格划分划分好后，再次使用FixWizard功能对划分好面网格的模型进行修复，修复完成后生成体网格。将未修复前的集料模型显示，与划分面网格后修复完的模型进行对比，查找因划分面网格而丢失的部分，丢失的原因多是因与其余部分之间的细长连接无法划分网格导致。使用“Mark”菜单栏中的“MarkShell”选中丢失部分，再点击“InvertMarking”进行反选，按Del键删除选中部分，这样就保留了丢失部分，再使用“RectangularMark”框选需要删除的细长连接部位及未丢失部位，使用FIX按钮下的“Fill HoleFreeform”修复因删除产生的BadContour，重复上述模型修复，面网格划分，模型修复，体网格生成流程，将可以生成体网格的所有丢失部位(如图6(b)所示)，与第一次生成体网格的部位(如图6(a)所示)，通过“Design”下拉菜单中的“BooleanUnion”合并，如此集料模型准备完毕，如图6(c)所示。空隙模型的构建采用同样的流程，并且因为空隙体积过小，需要较小的Targettriangleedgelength进行面网格的划分，以及更容易不生成导致丢失，需更仔细的排查丢失部分。沥青模型因为形状的原因，不用查找丢失的部分。
步骤2.4：装配后再次生成体网格，检查无误后，以SurfaceSet的形式输出可以导入Abaqus的inp文件；
因为计算原因，要生成共节点的模型，所以需要使用非流行装配将沥青、集料、空隙的三维模型装配起来，具体操作为：在“Remesh”按钮的下拉菜单栏下，点击“CreateNon-manifold Assembly”按钮，选择Grid-based方法，选择合适大小的Gridresolution，在右下角选择“沥青模型”(如图7(c)所示)作为MainEntity，选择“集料模型”(如图7(a)所示)、“空隙模型”(如图7(b)所示)作为Intersectingentity。因为以主体为对象的体积会被插入体减少，若选择其他模型作为主体，会导致模型的失真问题。
装配后，如图7(d)所示，点击“Remesh”按钮下的“CreateVolumeMesh”生成体网格。点击展开右侧ObjectTree中的SectionList，显示XYZ中的任意一轴，勾选右下角的Clip，使用“Align”按钮下的Translate功能，选用点到点的方法，将(0,0,0)的点平移到(-10,-10,-10)的位置，即可观察体网格是否生成，如图8(b)所示。
点击File菜单栏下的“Export”右侧的Abaqus，只勾选ExportVolumeMesh，选择BySurface Set的形式，输出生成体网格的装配体。
步骤3：导入部件后，在Abaqus中进行分类、材料属性赋值
步骤3.1：在Abaqus中以Model的形式导入inp文件，生成模型；
在Abaqus中点击File按钮下的Import右侧的Model，选中在3-Matic中输出的inp文件，值得注意的是，如果以Part的形式导入文件，则会不显示集合，不显示Surfaces，导致难以区分类以及材料属性赋值。
步骤3.2：单独显示各个集合，并点击Surfaces高亮显示进行区分；
Abaqus可以只显示单个集合，为了进行分类，在只显示单个集合的情况下，点击Surfaces观察与显示集合的重合情况进行分类。
步骤3.3：将区分好的集合合并，并赋予材料属性。
将分类好的集合合并成一个大的集合后，在Abaqus中赋予材料属性，如图9(d)所示。保存为cae文件，以便进行下一步的分析计算。
以上所示仅为本发明的示例性实施例，并不用于限定本发明。
Claims (2)
1.一种基于X-Ray的沥青混凝土三维有限元建模方法，其特征在于：将沥青混凝土试件横断面的X-rayCT连续扫描图导入Mimics中进行预处理，将处理完的三维模型复制进3-Matic中切割出想要的部分，装配后生成体网格导入Abaqus中，在Abaqus中进行分类、材料属性赋值。
2.根据权利要求1所述的一种基于X-Ray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-rayCT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1.1：将扫描得到的图像导入Mimics软件中；
步骤1.2：利用CropImages功能在图像中限定覆盖沥青混凝土试件的区域，将载物台的区域排除在外，后续的操作步骤只对沥青混凝土所在区域产生效果；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；
步骤1.3：在Mimics软件中，采用阈值分割法并结合多切片编辑处理，依次分割出序列图像中的沥青与集料之和以及集料的蒙版；
步骤1.4：蒙版创建完成后，在Mimics软件中，计算出沥青与集料之和以及集料的三维模型；
步骤2：将处理完的三维模型复制进3-Matic中切割出想要的部分，分别划分面网格确保能够生成体网格后装配，装配体生成体网格后导入Abaqus中
步骤2.1：将Mimics软件中重构的两模型复制到模型处理软件3-Matic中，对集料的三维模型及沥青与集料之和的三维模型进行平滑处理，然后通过对沥青与集料之和以及集料的三维模型进行布尔运算，获得沥青的三维模型；
步骤2.2：在3-Matic软件中，提前创建好要进行分析的模型，利用布尔运算对集料的三维模型和沥青的三维模型以及沥青与集料之和的模型同提前创建的模型分别进行切割处理，获得提前创建模型区域内的集料、沥青、空隙的三维模型；
步骤2.3：首先对沥青使用模型修复功能，划分面网格后再度修复至可以生成体网格，与划分面网格前的模型比较，查找丢失部分，修改难以划分面网格的地方，确保单独生成后与未丢失部分合并；接着对沥青和空隙采取相同操作，确保单个模型都可生成体网格后装配；
步骤2.4：装配后再次生成体网格，检查无误后，以SurfaceSet的形式输出可以导入Abaqus的inp文件；
步骤3：导入部件后，在Abaqus中进行分类、材料属性赋值
步骤3.1：在Abaqus中以Model的形式导入inp文件，生成模型；
步骤3.2：单独显示各个集合，并点击Surfaces高亮显示进行区分；
步骤3.3：将区分好的集合合并，并赋予材料属性。
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| CN202310844288.XA Pending CN116822303A (zh) | 2023-07-11 | 2023-07-11 | 一种基于X-Ray的沥青混凝土三维有限元建模方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116822303A (zh) |
-
2023
- 2023-07-11 CN CN202310844288.XA patent/CN116822303A/zh active Pending
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