CN117350141B - 基于离散元的再生沥青混合料疲劳损伤模拟方法及设备 - Google Patents

基于离散元的再生沥青混合料疲劳损伤模拟方法及设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于离散元的再生沥青混合料疲劳损伤模拟方法及设备，涉及再生沥青混合料的分析技术领域，所述方法包括：在第一指定区域中根据目标级配构建二维不规则凸多边形；在第二指定区域中生成满布圆球的离散元模型；将二维不规则凸多边形映射至离散元模型中，并根据二维不规则凸多边形与圆球的位置的重叠关系整合离散元模型；根据新集料组、旧集料组与沥青组之间的关系，将沥青组分组为新沥青组及旧沥青组；根据新集料组、旧集料组、新沥青组及旧沥青组之间的关系构建接触；根据接触的演化规律构建再生沥青混合料疲劳损伤本构模型，以模拟疲劳损伤。本发明可区分新沥青及旧沥青的性能差异对疲劳损伤行为的影响，有效描述损伤演化过程。

Description

基于离散元的再生沥青混合料疲劳损伤模拟方法及设备
技术领域
本发明涉及再生沥青混合料的分析技术领域，尤其涉及一种基于离散元的再生沥青混合料疲劳损伤模拟方法及设备。
背景技术
路面再生技术是一种将旧路面的废旧沥青混合料刨出回收，按一定比例与新沥青、新集料、再生剂（必要时）及一些添加剂进行掺和，进而得到满足规范要求的再生沥青混合料(Reclaimed Asphalt Pavement，RAP)的技术。但是，RAP的掺入会使混合料内部中存在不同强度的颗粒，颗粒与颗粒之间的相互接触产生强弱不同的接触界面，这些不同强度的接触界面所产生的相互制约影响混合料变形的一致性，从而降低了材料的疲劳耐久性能，成为制约再生沥青混合料推广应用的瓶颈。
目前，关于解决再生沥青混合料疲劳性能的大量研究主要聚焦在合理的掺量限制、再生剂研发、配合比设计等方面。然而，现有研究均是基于宏观的表象学，需要开展大量的试验研究，试验成本高，且无法从本质上剖析再生沥青混合料疲劳性能不足的内在机理。
基于散体力学和接触力学的离散元法能从细观上揭示颗粒之间的力学行为。再生沥青混合料是一种由新旧集料、新旧沥青等组成典型的多相颗粒物质，近年来，国内外虽有采用离散元研究了沥青混合料的细观力学行为，但是，运用离散元开展再生沥青混合料疲劳损伤演化规律研究较少。其一，已有研究将集料简化为简单圆盘考虑，忽略了集料真实棱角对性能的影响；其二，已有研究均将新、旧沥青统一考虑，不区分新旧沥青性能差异对疲劳损伤行为的影响；其三，已有研究较少采用离散元法开展损伤研究，仅简单考虑静压、重复荷载下的强度、变形等行为。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于离散元的再生沥青混合料疲劳损伤模拟方法及设备，可区分新沥青及旧沥青的性能差异对疲劳损伤行为的影响，有效描述损伤演化过程。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于离散元的再生沥青混合料疲劳损伤模拟方法，包括：采用随机生成算法，在第一指定区域中根据目标级配构建二维不规则凸多边形，所述二维不规则凸多边形用于表征粒径大于或等于基准尺寸的集料，所述集料包括新集料及旧集料；采用离散元内置算法，在第二指定区域中生成满布圆球的离散元模型，所述圆球用于表征沥青及粒径小于基准尺寸的集料，所述第二指定区域处于所述第一指定区域内；将所述二维不规则凸多边形映射至离散元模型中，并根据所述二维不规则凸多边形与圆球的位置的重叠关系整合所述离散元模型，整合后的所述离散元模型包括新集料组、旧集料组及沥青组；根据所述新集料组、旧集料组与沥青组之间的关系，将所述沥青组分组为新沥青组及旧沥青组；根据所述新集料组、旧集料组、新沥青组及旧沥青组之间的关系构建接触；根据所述接触的演化规律构建再生沥青混合料疲劳损伤本构模型，以模拟再生沥青混合料疲劳损伤。
作为上述方案的改进，所述采用随机生成算法，在第一指定区域中根据目标级配构建二维不规则凸多边形的步骤包括：根据所述再生沥青混合料二维断面确定多边形的边数；在第一指定区域内构建多边形的中心点；根据所述边数及中心点生成多边形的顶点；连接所述顶点以构建二维不规则凸多边形。
作为上述方案的改进，所述根据所述边数及中心点生成多边形的顶点的步骤包括：构建顶点与所述中心点之间的连线以形成顶点-中心线；根据所述边数，调整相邻所述顶点-中心线之间的夹角；使一所述顶点-中心线与基准轴共线；根据集料粒径确定所述顶点-中心线的长度；根据所述顶点-中心线与基准轴的夹角及所述顶点-中心线的长度，计算顶点坐标。
作为上述方案的改进，所述采用随机生成算法，在第一指定区域中根据目标级配构建二维不规则凸多边形的步骤还包括对所述二维不规则凸多边形进行重叠判断，以使：新生成的二维不规则凸多边形的任一顶点不在已生成的二维不规则凸多边形内；已生成的二维不规则凸多边形的任一顶点不在新生成的二维不规则凸多边形内；新生成的二维不规则凸多边形的边与已生成的二维不规则凸多边形的边不相交。
作为上述方案的改进，所述将所述二维不规则凸多边形映射至离散元模型中，并根据所述二维不规则凸多边形与圆球的位置的重叠关系整合所述离散元模型的步骤包括：根据试件生成区间面积、孔隙率及分计筛余，计算各档位中新集料及旧集料的生成面积；根据面积等效原理，将所述二维不规则凸多边形面积等效为集料小球面积，并计算集料小球半径；根据所述集料小球半径判断集料小球档位，根据所述集料小球档位中新集料与旧集料之间的比例将集料小球分配为新集料或旧集料，并根据所述生成面积及二维不规则凸多边形面积计算生成各档位的新集料或旧集料的个数：根据集料小球档位，将分配好的新集料组合为新集料组，将分配好的旧集料组合为旧集料组。
作为上述方案的改进，所述根据所述新集料组、旧集料组与沥青组之间的关系，将所述沥青组分组为新沥青组及旧沥青组的步骤包括：将所述沥青组中与旧集料组接触的沥青小球分配至旧沥青组，并将沥青组中不与旧集料组接触的沥青小球分配至新沥青组；根据沥青总量控制原则，调整旧沥青组与新沥青组中沥青小球的数量，以使旧沥青组中沥青小球的面积与基准沥青面积相等。
作为上述方案的改进，所述根据所述新集料组、旧集料组、新沥青组及旧沥青组之间的关系构建接触的步骤包括：根据已经存在的接触和未来将要存在的接触，在集料与集料之间、集料与墙体之间采用线性模型构建接触；根据已经存在的接触和未来将要存在的接触，在集料与沥青之间采用平行粘结模型构建接触。
作为上述方案的改进，所述根据所述接触的演化规律构建再生沥青混合料疲劳损伤本构模型，以模拟再生沥青混合料疲劳损伤的步骤包括：根据所述接触的法向应力及集料粒径，计算局部接触应力；根据所述局部接触应力及拉伸强度，计算损伤因子并调整粘结截面半径的实时缩放系数；根据所述损伤因子与实时缩放系数之间的关系描述损伤演化过程。
作为上述方案的改进，所述根据所述局部接触应力及拉伸强度，计算损伤因子并调整粘结截面半径的实时缩放系数的步骤包括：若σlocal<0.01×ten_mor，则D=0，其中，σlocal为局部接触应力，ten_mor为拉伸强度，D为损伤因子；若0.05×ten_mor<σlocal<0.8×ten_mor，则，Rmul=contact.extra(bp,1)+D×dt，其中，contact.extra为中转变量，用于实时记录Rmul的值，Rmul为实时缩放系数，dt为时间步长，bp为可以访问小球属性的指针；若σlocal>ten_mor，则调整实时缩放系数至极小值。
相应地，本发明还提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述基于离散元的再生沥青混合料疲劳损伤模拟方法的步骤。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明考虑了集料真实棱角对性能的影响，通过构建二维不规则凸多边形表征再生沥青混合料的二维断面，可有效兼顾集料的均匀性和不规则性；
本发明对新沥青及旧沥青进行分别考虑，以有效区分新沥青及旧沥青的性能差异对疲劳损伤行为的影响；
本发明采用离散元法开展再生沥青混合料疲劳损伤演化规律研究，通过循环荷载作用过程中平行粘结模型的粘结截面半径的缩放系数的逐步衰减来模拟损伤因子，以此描述损伤演化过程，能从本质上剖析再生沥青混合料疲劳性能不足的内在机理。
附图说明
图1是本发明基于离散元的再生沥青混合料疲劳损伤模拟方法的流程图；
图2是本发明中二维不规则凸多边形的构建示意图；
图3是本发明中二维不规则凸多边形重叠情形的示意图；
图4是本发明中二维不规则凸多边形映射至离散元模型的示意图；
图5是本发明中新旧集料体系与再生沥青混合料二维模型的示意图；
图6是本发明中间接拉伸疲劳试验模型的示意图，其中，曲线为循环荷载曲线；
图7是本发明中力链图；
图8是本发明中球体的位移变化图；
图9是本发明中裂缝图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。仅此声明，本发明在文中出现或即将出现的上、下、左、右、前、后、内、外等方位用词，仅以本发明的附图为基准，其并不是对本发明的具体限定。
参见图1，图1显示了本发明基于离散元的再生沥青混合料疲劳损伤模拟方法的实施例流程图，其包括：
S101，采用随机生成算法，在第一指定区域中根据目标级配构建二维不规则凸多边形；
其中，二维不规则凸多边形用于表征粒径大于或等于基准尺寸的集料；
考虑计算效率问题，本发明将2.36mm作为基准尺寸；即，将2.36mm粒径以上的集料采用二维不规则凸多边形随机生成算法生成二维不规则凸多边形，将沥青及小于2.36mm粒径的集料采用圆球代替。其中，集料包括新集料及旧集料。
需要说明的是，本发明采用二维不规则凸多边形随机生成算法生成二维不规则凸多边，从而表征再生沥青混合料的二维断面。也就是说，本发明按照一定规则依次随机生成多边形的边数、多边形的中心点坐标、多边形的顶点坐标，则各顶点连线形成的多边形为随机生成的不规则凸边形；因此，本发明所采用的二维不规则凸多边形随机生成算法考虑了顶点-中心线、相邻顶点-中心线夹角的随机性，在给定范围内采用随机算法生成，兼顾了集料的均匀性和不规则性。
如图2所示，采用随机生成算法，在第一指定区域中根据目标级配构建二维不规则凸多边形的步骤包括：
（1）根据再生沥青混合料二维断面确定多边形的边数；
实际情况集料的边数n=5～10。采用随机函数math.random.uniform，按照如下算法随机生成多边形的边数，多边形的边数取值为5～10内的任一整数。
n=Nmin+(Nmax-Nmin)×math.random.uniform
n=int(n)
其中，Nmin为最小边数值，Nmax为最大边数值，Nmin=5，Nmax=10。
（2）在第一指定区域内构建多边形的中心点；
在第一指定区域内，采用随机函数math.random.uniform及相关参数的组合形式随机生成中心点的坐标(x0, y0)，并围绕该点中心构建多边形。
x0=(-0.5×W+ra)+(W-2×ra)×math.random.uniform；
y0=(-0.5×H+rb)+(H-2×rb)×math.random.uniform；
rb=rmin+(rmax-rmin)×math.random.uniform，
ra=(1.25+0.25×math.random.uniform)×rb。
其中，math.random.uniform为均匀分配的随机数，ra及rb为容错参数，通过设置ra及rb可使在第一指定区域内生成的集料的轮廓不会超出第一指定区域；W为第一指定区域的宽度，H为第一指定区域的高度，rmin为该档集料粒径的最小值，rmax为该档集料粒径的最大值。
（3）根据边数及中心点生成多边形的顶点；
通过确定“各顶点与中心点连线的长度”及“各连线与基准轴的夹角”这两个参数，可随机生成顶点坐标。具体步骤包括：
（3.1）构建顶点与中心点之间的连线以形成顶点-中心线；
（3.2）根据边数，调整相邻顶点-中心线之间的夹角；
构建过程中，两相邻顶点-中心线所形成的夹角为α，并保证α∈[θ-β,θ+β]，其中，θ为预设标准值，且θ=360/n，n为多边形的边数。
为了保证形成的二维不规则凸多边形与集料形状接近，不失真实性，本发明采取每个夹角α保持在预设标准值θ的一定范围内进行微调的原则（即α∈[θ-β,θ+β]）。需要说明的是，每个夹角α总体控制在预设标准值θ的一定范围内，可以保证生成集料的均匀性；同时，对每个夹角α进行微调，又可以体现多边形在角度上的不均匀性，保证集料的不规则性。具体的微调的算法如下：
（3.2.1）在预设标准值θ基础上随机取一定容差范围，容差β的设定方法为：β=θ/n；
（3.2.2）容差范围为[-β,β]，则生成相邻顶点-中心线所形成的夹角为α∈[θ-β,θ+β]）；
（3.2.3）求α修正后的修正值。生成n个α后，将n个α值累加，因设计了容差β，n个α值累加值不一定恒为2π，故需要对α修正，以使修正后的n·/>=2π。修正公式如下：
sum=n·α
m=2π/sum
=α·m
（3.3）使一顶点-中心线与基准轴共线；
需要说明的是，所述基准轴可以为直角坐标系中的X轴，但不以此为限制，可根据实际情况进行调整。
计算第一条生成的顶点-中心线与基准轴所形成的夹角时，先令第一条顶点-中心线与第二条顶点-中心线的夹角为顶点-中心线与基准轴所形成的夹角，即假设第n条顶点-中心线与基准轴共线。
计算余下n-1条顶点-中心线与基准轴所形成的夹角。相应地，第2条、第3条…第n条顶点-中心线与基准轴所形成的夹角依次为2、3/>…n/>。
（3.4）根据集料粒径确定顶点-中心线的长度；
构建过程中，各顶点-中心线的长度∈[L-r,L+r]，其中，预设标准值L与生成该档集料粒径的关系式为：L=(rmin+rmax)/2，rmin为该档集料粒径的最小值，rmax为该档集料粒径的最大值。
为了不失真实性，本发明采取顶点-中心线的长度保持在预设标准值L的一定范围内进行微调的原则。需要说明的是，每条顶点-中心线的长度总体控制在预设标准值L的一定范围内，可以保证生成集料的均匀性；同时，对顶点-中心线的长度进行微调，又可以体现多边形在长度上的不均匀性，保证集料的不规则性。具体的微调的算法如下：
（3.4.1）在预设标准值L的基础上随机取一定容差范围，容差r的设定方法为：r=γ·L，其中，γ一般取[-0.2，0.2]，
（3.4.2）容差范围为[-r，r]，则各顶点-中心线长度∈[L-r,L+r]。
（3.5）根据顶点-中心线与基准轴的夹角及顶点-中心线的长度，计算顶点坐标。
根据各夹角及顶点-中心线的长度及夹角及顶点-中心线与基准轴的夹角，可以根据如下公式求出各顶点坐标：
a=90×math.random.uniform
x=x0+ra×cos((a+degree_new(i))×π/180.0)
y=y0+rb×sin((a+degree_new(i))×π/180.0)
其中，a为0～90的随机角度值，保证每个生成集料初始夹角不同，即集料的倾向随机。数组degree_new(i)依次储存的为生成每个随机多边形顶点需要的夹角；例如，当生成随机六边形，degree_new(1)、degree_new(2)…degree_new(6)储存的值分别为θ、2θ…6θ；又如，当生成随机七边形，degree_new(1)、degree_new(2)…degree_new(7)储存的值分别为θ、2θ…7θ。
（4）连接顶点以构建二维不规则凸多边形。
如图3所示，采用随机生成算法，在第一指定区域中根据目标级配构建二维不规则凸多边形的步骤还包括：
（5）采用不规则多边形重叠判定算法，对二维不规则凸多边形进行重叠判断，以使：
（5.1）新生成的二维不规则凸多边形的任一顶点不在已生成的二维不规则凸多边形内；
若新生成的二维不规则凸多边形的任何一个顶点在已生成的二维不规则凸多边形内，则该顶点与已生成的二维不规则凸多边形的各顶点中相邻两顶点组成三角形的面积之和与该已生成的二维不规则凸多边形的面积相等；如图3中的（a）所示。
（5.2）已生成的二维不规则凸多边形的任一顶点不在新生成的二维不规则凸多边形内；
若已生成的二维不规则凸多边形的任一顶点在新生成的二维不规则凸多边形内，则该顶点与新生成的二维不规则凸多边形的各顶点中相邻两顶点组成三角形的面积之和与该新生成的二维不规则凸多边形的面积相等；如图3中的（b）所示。
（5.3）新生成的二维不规则凸多边形的边与已生成的二维不规则凸多边形的边不相交。
即，新生成的二维不规则凸多边形的n条边与已生成的二维不规则凸多边形的所有边不相交；两边相交如图3中的（c）所示。
综上，重复步骤（1）～（5），直至生成满足空隙率的集料为止；同时，每成功生成一个二维不规则凸多边形，则保存二维不规则凸多边形的顶点坐标、面积及边数信息。
S102，采用离散元内置算法，在第二指定区域中生成满布圆球的离散元模型；
其中，圆球用于表征沥青及粒径小于基准尺寸的集料，圆球半径介于1mm和2mm之间;所述第二指定区域处于所述第一指定区域内；
相应地，本发明可将小于2.36mm粒径的集料等同于满布在试件尺寸范围内、粒径不一的沥青小球（即圆球)，并将所述沥青小球分组为沥青组。
S103，将二维不规则凸多边形映射至离散元模型中，并根据二维不规则凸多边形与圆球的位置的重叠关系整合离散元模型;
如图4所示，本发明采用二维不规则凸多边形几何映射算法,根据各个二维不规则凸多边形与圆球的位置关系，删除与二维不规则凸多边形位置重叠的圆球，并删除第一区域外的圆球，以将二维不规则凸多边形映射为2.36mm粒径以上真实级配的离散元模型；其中，整合后的离散元模型包括新集料组、旧集料组及沥青组。其中，新集料组及旧集料组均由二维不规则凸多边形组成，沥青组由圆球组成。具体的步骤包括：
（1）根据试件生成区间面积、孔隙率及分计筛余，计算各档位中新集料及旧集料的生成面积；
需要说明的是，旧料进行破碎、筛分处理后，分档后旧料各级粒径颗粒的比例固定，同时，新料的各级粒径颗粒比例也固定，因此，可以掺入一定比例的、分档后的旧料与新料合成，形成具有一定颗粒粒径分布的、满足规范要求的合成级配；而档位可根据实际情况进行设置。
相应地，各档位间的试件生成区间面积、孔隙率及分计筛余均不同。
映射时，先遍历每一个二维不规则凸多边形的信息，对遍历的二维不规则凸多边形进行规则的编号，如“geo-1”、“geo-2”…“geo-n”；
然后，计算整个试件生成区间的面积Area；
接着，根据合成级配计算各档位集料分计筛余，根据2.36mm粒径以上筛孔新集料与旧集料的比例分别计算新集料和旧集料的分计筛余pi；需要说明的是，分计筛余即各号筛上的筛余量除以砂样总量的百分率，因此，根据各档位集料分计筛余，并结合新集料与旧集料之间的比例，可确定新集料的分计筛余及旧集料的分计筛余。例如，档位A集料分计筛余为80%，且新集料与旧集料之间的比例为3：1，则新集料的分计筛余为60%，旧集料的分计筛余为20%。
最后，根据试件生成区间面积Area、孔隙率poros、分计筛余pi，计算每档新集料、旧集料的生成面积VV：
VV=Area×(1-poros)×pi
（2）根据面积等效原理，将二维不规则凸多边形面积等效为集料小球面积，并计算集料小球半径；
根据面积等效原理，将二维不规则凸多边形面积area等效为集料小球面积，计算集料小球半径ri：
（3）根据集料小球半径判断集料小球档位，根据集料小球档位中新集料与旧集料之间的比例将集料小球分配为新集料或旧集料，并根据生成面积及二维不规则凸多边形面积计算生成各档位的新集料或旧集料的个数：
根据集料小球半径ri判断其所属档位，根据该档位中新旧集料的比例，按照比例分配为新集料或旧集料，并同时计算生成个数N：
N=VV/area
例如，该档位中新集料与旧集料之间的比例为3：1，则对应集料小球所分配的新集料与旧集料比例同样为3：1。
（4）根据集料小球档位，将分配好的新集料组合为新集料组，将分配好的旧集料组合为旧集料组。
将分配好的新集料组命名为ball group‘new R1-R2’，将分配好的旧集料组命名为ball group‘old R1-R2’；新、旧集料分组完的结果是：该二维不规则凸多边形所覆盖的相同位置所有集料小球的区域被判定为该档位粒径的集料，即由组成该区域的所有集料小球的集合体来表征该档位集料，如此便完成了将该二维不规则凸多边形的映射到离散元模型中的集料组。
需要说明的是，不同档位对应不同的新集料组和不同的旧集料组。
反复循环步骤（4），直至所有的二维不规则凸多边形全部被映射为离散元模型中的集料组，从而形成了不同粒径的新集料组、不同粒径的旧集料组及沥青组。
S104，根据新集料组、旧集料组与沥青组之间的关系，将沥青组分组为新沥青组及旧沥青组；
如图5所示，采用二维不规则凸多边形几何映射算法后，在整个试件尺寸范围内，沥青组分布于新集料组与旧集料组的空隙中。此时，新沥青、旧沥青仍归为同组，故需要采用新旧沥青分离、分组算法将其进行分组。
实际情况中，再生沥青混合料试件中，新旧沥青的分布特征是：
（1）旧集料表面均会裹附不同厚度的沥青膜；其中，粗集料油石比低，细集料油石比高；同等情况下，粗集料表面的油膜厚度较细集料薄。
（2）本发明中，将2.36mm粒径以上的集料采用二维不规则凸多边形表达，小于2.36mm粒径的细集料全部采用小球等效替代，小于2.36mm粒径的新旧沥青、集料相互混合后，旧沥青在新集料组与旧集料组的空隙中呈随机分布。
针对特征（1），真实模拟粗集料或细集料表面油膜厚度，油膜厚度一般为微米级，而小球的直径为毫米级，两者相差三个数量级；如果采用微米级半径的小球去模拟再生沥青混合料表面裹附的旧沥青，与毫米级的小球相比，数量将相差6个数量级，将大大影响模型计算效率；考虑到计算效率问题，而又不失一般性，本发明统一采用将旧集料表面覆盖一层毫米级旧沥青以简化计算。
针对特征（2），采取总量控制原则，计算整个体系中新旧沥青的面积，比较总旧沥青的面积与旧集料表面已经覆盖的小球的面积的大小。如果总旧沥青的面积大于旧集料表面已经覆盖的小球的面积，则总旧沥青的面积减去旧集料表面已经覆盖的小球的面积后余下面积就是混合在新沥青体系中的旧沥青面积；如果总旧沥青的面积小于旧集料表面已经覆盖的小球的面积，则表明旧集料表面已经覆盖的小球的面积大于总面积，覆盖过多，在原再生沥青混合料表面随机删除指定数量小球，直至旧集料表面已经覆盖的小球的面积与总旧沥青的面积相等。
具体地，根据新集料组、旧集料组与沥青组之间的关系，将沥青组分组为新沥青组及旧沥青组的步骤包括：
（1）将沥青组中与旧集料组接触的沥青小球分配至旧沥青组，并将沥青组中不与旧集料组接触的沥青小球分配至新沥青组；
使再生沥青混合料外裹附一层旧沥青。换言之，使与不同粒径旧集料组中的集料小球相接触的原为沥青组的沥青小球的组别更改为“旧沥青组”。
算法的逻辑为：根据再生沥青混合料几何体内的集料小球组别‘old R1-R2’与几何体外沥青组的沥青小球的组别‘asphalt’不相同的特点，筛选出与再生沥青混合料几何体内的集料小球组别‘old R1-R2’相邻的几何体外所有沥青组‘asphalt’的沥青小球，将相邻的几何体外所有沥青组‘asphalt’的沥青小球的组别更改为‘old asphalt’。具体地：
（1.1）遍历体系中所有小球，给每个小球打上标签‘1’；
（1.2）遍历所有接触，判断每个接触两端小球的组别判断是否为同一类，若不为同一类，则继续判断该接触的一端A端小球的组别的命名中是否包含‘old’字符串，其中：
如果包含，继续判断该接触的另一端B端小球的组别是否为‘asphalt’，如果是，则该接触连接的一对小球是RAP集料几何体内的小球组别‘old R1-R2’与相邻的几何体外沥青组‘asphalt’的小球，则将相邻的几何体外沥青组‘asphalt’的小球的标签由‘1’更改为‘old asphalt’；
如果不包含，则判断该接触的另一端B端小球的组别的命名中是否包含‘old’字符串，如果包含，继续判断该接触的另一端A端小球的组别是否为‘asphalt’，如果是，则该接触连接的一对小球是RAP集料几何体内的小球组别‘old R1-R2’与相邻的几何体外沥青组‘asphalt’的小球，则将相邻的几何体外沥青组‘asphalt’的小球的标签由‘1’更改为‘oldasphalt’。
（1.3）遍历所有小球，找到打上标签不为‘1’的所有小球，将这些小球的组别更改为‘old asphalt’。
（2）根据沥青总量控制原则，调整旧沥青组与新沥青组中沥青小球的数量，以使旧沥青组中沥青小球的面积与基准沥青面积相等。
采取沥青总量控制原则，将旧集料表面覆盖一层旧沥青，计算整个体系中新、旧沥青的面积，比较总旧沥青的面积与旧集料表面已经覆盖的小球的面积大小，后随机增减直至满足新、旧沥青比例要求。具体地：
（2.1）遍历旧沥青组‘old asphalt’中所有小球，累加其面积，计算累加面积与基准沥青面积的大小。
（2.1.1）若累加面积=基准沥青面积，新、旧沥青分组结束；
（2.1.2）若累加面积＜基准沥青面积，在剩下的沥青组‘asphalt’中随机选择小球，更改其分组属性为‘old asphalt’，更改一次，进行一次面积判断，直至所有‘oldasphalt’的总面积等于基准沥青面积；
（2.1.3）若累加面积＞基准沥青面积，在已分完组的‘old asphalt’中随机删除小球，删除一次，进行一次面积判断，直至所有‘old asphalt’的总面积等于基准沥青面积。
S105，根据新集料组、旧集料组、新沥青组及旧沥青组之间的关系构建接触；
需要说明的是，集料与集料之间、集料与墙体之间采用线性模型Linear ContactBond Model，集料与沥青之间采用平行粘结模型Linear Parallel Bond Model；本发明按照已经存在的接触和未来将要存在的接触进行配置，先配置线性部分强度和刚度参数，后配置粘结部分强度和刚度参数；配置完成，通过pb_state判断平行粘结是否生效，若pb_state=3，则表示粘结生效且完好。
具体地，根据新集料组、旧集料组、新沥青组及旧沥青组之间的关系构建接触的步骤包括：
（1）根据已经存在的接触和未来将要存在的接触，在集料与集料之间、集料与墙体之间采用线性模型构建接触；
（2）根据已经存在的接触和未来将要存在的接触，在集料与沥青之间采用平行粘结模型构建接触。
S106，根据接触的演化规律构建再生沥青混合料疲劳损伤本构模型，以模拟再生沥青混合料疲劳损伤。
为描述再生沥青混合料在循环重复荷载下的疲劳损伤细观特征，本发明构建了再生沥青混合料疲劳损伤本构模型。具体步骤包括：
（1）根据接触的法向应力及集料粒径，计算局部接触应力；
构建时，遍历每个接触，给每个接触打上标签‘Rmul’，令‘Rmul’初始值等于1。
遍历每个接触时，获取每个接触的法向应力σn，并根据下式计算局部接触应力σlocal：
σlocal=2×σn/(rmin+rmax)
其中，rmin为该档集料粒径的最小值，rmax为该档集料粒径的最大值。
（2）根据局部接触应力及拉伸强度，计算损伤因子并调整粘结截面半径的实时缩放系数；
具体步骤包括：
（2.1）若σlocal<0.01×ten_mor，则D=0，其中，σlocal为局部接触应力，ten_mor为拉伸强度，D为损伤因子；
（2.2）若0.05×ten_mor<σlocal<0.8×ten_mor，则
（2.2.1）按照下式计算损伤因子D：
（2.2.2）按照下式更新实时缩放系数Rmul
Rmul=contact.extra(bp,1)+D×dt
其中，contact.extra为中转变量，用于实时记录并更新Rmul的值，dt为时间步长，dt取1×10-8，bp为可以访问小球属性的指针；
（2.2.3）根据实时缩放系数调整粘结截面半径。
（2.3）若σlocal>ten_mor，则调整实时缩放系数至极小值。
若σlocal>ten_mor，对应的实际情况是局部接触应力σlocal过大，将造成局部粘结处断裂，断裂后将出现计算上的不稳定。为了保证计算过程的连续性，如果σlocal>ten_mor，令Rmul取极小值1×10-4，以保证计算的连续性。
需要说明的是，σlocal在区间[0.01×ten_mor，0.05×ten_mor]内时，由于力值太小，故不需要计算损伤因子；σlocal在区间[0.8×ten_mor，ten_mor]内时，为了考虑计算收敛性，也不需要计算损伤因子。
（3）根据损伤因子与实时缩放系数之间的关系描述损伤演化过程。
本发明通过循环荷载作用过程中平行粘结模型的粘结截面半径的实时缩放系数的逐步衰减来模拟损伤因子。具体地，在损伤的过程中，引入损伤因子，并根据损伤因子与局部接触应力、拉伸强度的关系，通过计算各个计算时刻的局部接触应力来计算损伤因子；并建立损伤因子与粘结截面半径的关系，获取粘结截面半径的实时缩放系数；在损伤演化过程中，损伤因子增加，粘结截面半径的实时缩放系数减小，相应地，粘结刚度减小，以此描述损伤演化过程。
相应地，本发明还公开了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其中，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述基于离散元的再生沥青混合料疲劳损伤模拟方法的步骤。
下面结合具体的实施例对本发明作进一步的详细描述：
1、对小于2.36mm粒径的集料统一视为沥青砂浆，并以1mm颗粒表示。具体的模型级配如下：
① 生成旧集料比例：
16-22mm—1.1%；13.2-16mm—1.4%；9.5-13.2mm—3.0%；4.75-9.5mm—17.5%；2.36-4.75mm—10.0%；1mm（圆形颗粒并视为沥青砂浆）—27.0%；
合计:1.1+1.4+3.0+17.5+10.0+27.0=60%。
② 生成新集料比例：
16-26.5mm—3.3%；13.2-16mm—4.3%；9.5-13.2mm—10.2%；4.75-9.5mm—11.9%；2.36-4.75mm—4.8%；1mm（圆形颗粒并视为沥青砂浆）—5.5%；
合计:3.3+4.3+10.2+11.9+4.8+5.5=40%。
试件的直径为100mm，孔隙率为3.5%，颗粒密度取2691 kg/m3。模型建立时部分旧集料砂浆用来包裹旧石料。
本实施例采用平行粘结衰减模型加载损伤累积，加载时以半正弦循环荷载信号的方式进行加载，最终建立的再生沥青混合料疲劳损伤本构模型如图6所示。
2、模型的参数调试-根据表1的实验数据进行调试：
3、模型可以输出的数据如图7~图9所示，其中，图7中A1、A2区内的散点表示损伤，图9中B1、B2区内的散点表示产生的裂缝/裂隙。
因此，本发明考虑了集料真实棱角对性能的影响，通过构建二维不规则凸多边形表征再生沥青混合料的二维断面，可有效兼顾集料的均匀性和不规则性；同时，本发明对新沥青及旧沥青进行分别考虑，以有效区分新沥青及旧沥青的性能差异对疲劳损伤行为的影响；另外，本发明采用离散元法开展再生沥青混合料疲劳损伤演化规律研究，通过循环荷载作用过程中平行粘结模型的粘结截面半径的缩放系数的逐步衰减来模拟损伤因子，以此描述损伤演化过程，能从本质上剖析再生沥青混合料疲劳性能不足的内在机理。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于离散元的再生沥青混合料疲劳损伤模拟方法，其特征在于，包括：
采用随机生成算法，在第一指定区域中根据目标级配构建二维不规则凸多边形，所述二维不规则凸多边形用于表征粒径大于或等于基准尺寸的集料，所述集料包括新集料及旧集料；
采用离散元内置算法，在第二指定区域中生成满布圆球的离散元模型，所述圆球用于表征沥青及粒径小于基准尺寸的集料，所述第二指定区域处于所述第一指定区域内；
将所述二维不规则凸多边形映射至离散元模型中，并根据所述二维不规则凸多边形与圆球的位置的重叠关系整合所述离散元模型，整合后的所述离散元模型包括新集料组、旧集料组及沥青组；
根据所述新集料组、旧集料组与沥青组之间的关系，将所述沥青组分组为新沥青组及旧沥青组；
根据所述新集料组、旧集料组、新沥青组及旧沥青组之间的关系构建接触；
根据所述接触的演化规律构建再生沥青混合料疲劳损伤本构模型，以模拟再生沥青混合料疲劳损伤。
2.如权利要求1所述的基于离散元的再生沥青混合料疲劳损伤模拟方法，其特征在于，所述采用随机生成算法，在第一指定区域中根据目标级配构建二维不规则凸多边形的步骤包括：
根据所述再生沥青混合料二维断面确定多边形的边数；
在第一指定区域内构建多边形的中心点；
根据所述边数及中心点生成多边形的顶点；
连接所述顶点以构建二维不规则凸多边形。
3.如权利要求2所述的基于离散元的再生沥青混合料疲劳损伤模拟方法，其特征在于，所述根据所述边数及中心点生成多边形的顶点的步骤包括：
构建顶点与所述中心点之间的连线以形成顶点-中心线；
根据所述边数，调整相邻所述顶点-中心线之间的夹角；
使一所述顶点-中心线与基准轴共线；
根据集料粒径确定所述顶点-中心线的长度；
根据所述顶点-中心线与基准轴的夹角及所述顶点-中心线的长度，计算顶点坐标。
4.如权利要求2所述的基于离散元的再生沥青混合料疲劳损伤模拟方法，其特征在于，所述采用随机生成算法，在第一指定区域中根据目标级配构建二维不规则凸多边形的步骤还包括对所述二维不规则凸多边形进行重叠判断，以使：
新生成的二维不规则凸多边形的任一顶点不在已生成的二维不规则凸多边形内；
已生成的二维不规则凸多边形的任一顶点不在新生成的二维不规则凸多边形内；
新生成的二维不规则凸多边形的边与已生成的二维不规则凸多边形的边不相交。
5.如权利要求1所述的基于离散元的再生沥青混合料疲劳损伤模拟方法，其特征在于，所述将所述二维不规则凸多边形映射至离散元模型中，并根据所述二维不规则凸多边形与圆球的位置的重叠关系整合所述离散元模型的步骤包括：
根据试件生成区间面积、孔隙率及分计筛余，计算各档位中新集料及旧集料的生成面积；
根据面积等效原理，将所述二维不规则凸多边形面积等效为集料小球面积，并计算集料小球半径；
根据所述集料小球半径判断集料小球档位，根据所述集料小球档位中新集料与旧集料之间的比例将集料小球分配为新集料或旧集料，并根据所述生成面积及二维不规则凸多边形面积计算生成各档位的新集料或旧集料的个数：
根据集料小球档位，将分配好的新集料组合为新集料组，将分配好的旧集料组合为旧集料组。
6.如权利要求1所述的基于离散元的再生沥青混合料疲劳损伤模拟方法，其特征在于，所述根据所述新集料组、旧集料组与沥青组之间的关系，将所述沥青组分组为新沥青组及旧沥青组的步骤包括：
将所述沥青组中与旧集料组接触的沥青小球分配至旧沥青组，并将沥青组中不与旧集料组接触的沥青小球分配至新沥青组；
根据沥青总量控制原则，调整旧沥青组与新沥青组中沥青小球的数量，以使旧沥青组中沥青小球的面积与基准沥青面积相等。
7.如权利要求1所述的基于离散元的再生沥青混合料疲劳损伤模拟方法，其特征在于，所述根据所述新集料组、旧集料组、新沥青组及旧沥青组之间的关系构建接触的步骤包括：
根据已经存在的接触和未来将要存在的接触，在集料与集料之间、集料与墙体之间采用线性模型构建接触；
根据已经存在的接触和未来将要存在的接触，在集料与沥青之间采用平行粘结模型构建接触。
8.如权利要求1所述的基于离散元的再生沥青混合料疲劳损伤模拟方法，其特征在于，所述根据所述接触的演化规律构建再生沥青混合料疲劳损伤本构模型，以模拟再生沥青混合料疲劳损伤的步骤包括：
根据所述接触的法向应力及集料粒径，计算局部接触应力；
根据所述局部接触应力及拉伸强度，计算损伤因子并调整粘结截面半径的实时缩放系数；
根据所述损伤因子与实时缩放系数之间的关系描述损伤演化过程。
9.如权利要求8所述的基于离散元的再生沥青混合料疲劳损伤模拟方法，其特征在于，所述根据所述局部接触应力及拉伸强度，计算损伤因子并调整粘结截面半径的实时缩放系数的步骤包括：
若σlocal<0.01×ten_mor，则D=0，其中，σlocal为局部接触应力，ten_mor为拉伸强度，D为损伤因子；
若0.05×ten_mor<σlocal<0.8×ten_mor，则，Rmul=contact.extra(bp,1)+D×dt，其中，contact.extra为中转变量，用于实时记录Rmul的值，Rmul为实时缩放系数，dt为时间步长，bp为可以访问小球属性的指针；
若σlocal>ten_mor，则调整实时缩放系数至极小值。
10.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至9中任一项所述的方法的步骤。
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