CN118153306A - 一种基于沥青混合料结构组成特征的数字孪生建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于沥青混合料结构组成特征的数字孪生建模方法，所述方法包括如下步骤：步骤1、沥青混合料试件成型；步骤2、沥青混合料二维断层结构扫描；步骤3、沥青混合料二维组成结构识别；步骤4、沥青混合料三维组成结构重构；步骤5、集料与孔隙三维面网格模型建立；步骤6、集料与孔隙三维面网格模型的识别与定位；步骤7、沥青混合料离散元模型的建立；步骤8、沥青混合料数字孪生模型的建立。本发明基于数字图像处理技术与离散元法相结合，实现了对沥青混合料物理实体的数字孪生建模。本发明可以精确的反映沥青混合料的集料、沥青砂浆及孔隙的三相结构组成特征，并且建模过程简单，模型容易收敛，具有较高的计算效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种考虑沥青混合料结构组成特性的数字孪生建模方法。
背景技术
沥青混合料的数字孪生是利用数字化技术对沥青混合料的物理实体的组成、行为、特征、功能、性能及形成过程进行建模和描述的方法，其将物理实体镜像于虚拟的数字空间中，进一步通过虚拟信息模型实现对沥青混合料物理的仿真分析、调控和优化等目的。沥青混合料物理实体的数字孪生建模是沥青沥青混合料数字孪生的关键技术。沥青混合料在结构组成上包括沥青砂浆、集料和孔隙三部分。因此沥青混合料物理实体的数字孪生建模必须真实反映其实际的结构组成特征，真实反映沥青混合料内部沥青砂浆、集料和孔隙的组成构成特点，以实现对沥青混合料物理实体的精确孪生。
目前，沥青混合料的数字孪生建模方法有两大类：
第一类是基于人工随机生成法构建沥青混合料虚拟模型。这类技术是先建立数字集料库，然后基于人工生成算法生成细观结构组成材料，最后依此建立基于人工随机生成方法的沥青混合料数字孪生模型。该种方法的优势为建模较为简单，并且在分析某些力学问题时较为方便，容易收敛(如断裂问题)。但该方法由于采用的是基于人工随机投放方式建立的沥青混合料虚拟模型，因此该模型是虚拟构建的，与实际沥青混合料的组成结构差别较大，最主要的是不能精确的反映沥青混合料的孔隙特征及其孔隙分布状态。由于虚拟模型与实际沥青混合料试件的结构组成差别较大，因此，仿真分析结果不能与试验结果进行精确的对比分析。
第二类是基于数字图像处理技术的数字孪生方法。该方法通过对沥青混合料的细观结构进行数字化提取(如CT扫描)，基于图像处理技术得到沥青混合料的实体结构，然后利用有限元软件进行建模分析。该种方法虽然能够反映沥青混合料的结构组成特征，但是在将实体结构导入有限元软件进行网格划分时存在一定的问题。为了保证计算过程收敛，在进行网格划分时，需要对集料、沥青砂浆及孔隙的三维表面进行多次平滑处理，这样会导致集料、沥青砂浆及孔隙的外轮廓过度失真，无法建立精确的数字孪生模型。此外，沥青混合料由集料、沥青砂浆和孔隙组成，不同组成成分间接触点较多，接触特征复杂，有限元法较难处理此类问题，容易出现计算无法收敛的情况。
发明内容
为了有效解决沥青混合料物理实体数字孪生的建模问题，本发明基于以上两种主要的数字孪生建模方法，在综合两种方法技术优势的基础上，提供了一种基于沥青混合料结构组成特征的数字孪生建模方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于沥青混合料结构组成特征的数字孪生建模方法，包括如下步骤：
步骤1、沥青混合料试件成型：
根据沥青混合料级配及沥青用量，制备成型沥青混合料试件；
步骤2、沥青混合料二维断层结构扫描：
对沥青混合料试件进行断层扫描，获取沥青混合料二维断层结构图像；
步骤3、沥青混合料二维组成结构识别：
将沥青混合料二维断层扫描图像导入到Mimics软件中，采用灰度值分割法，获取沥青混合料二维断层结构图像中集料和孔隙的二维组成结构；
步骤4、沥青混合料三维组成结构重构：
将沥青混合料二维断层扫描图像导入到Mimics软件，对沥青混合料三维组成结构进行重构，获取集料和孔隙的三维实体结构；
步骤5、集料与孔隙三维面网格模型建立：
利用Mimics软件对集料和孔隙三维实体结构进行处理，得到集料与孔隙实体结构的三维面网格几何模型；
步骤6、集料与孔隙三维面网格模型的识别与定位：
基于PFC3D离散元软件利用FISH语言进行编程，读取集料与孔隙三维面网格所有节点坐标，确定集料与孔隙三维轮廓绝对尺寸和相对位置；
步骤7、沥青混合料离散元模型的建立：
通过PFC3D离散元软件编写FISH语言，生成沥青混合料离散元模型；
步骤8、沥青混合料数字孪生模型的建立：
利用集料与孔隙三维面网格模型对沥青混合料离散元模型进行分割，生成集料与孔隙离散元模型，通过布尔运算生成沥青砂浆的离散元模型，分别赋予集料与沥青砂浆的材料参数，确定集料与集料之间、沥青砂浆与集料之间的接触关系，最终得到基于沥青混合料组成结构特征的数字孪生模型。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、本发明基于数字图像处理技术与离散元法相结合，实现了对沥青混合料物理实体的数字孪生建模。
2、本发明可以精确的反映沥青混合料的集料、沥青砂浆及孔隙的三相结构组成特征，并且建模过程简单，模型容易收敛，具有较高的计算效率。
附图说明
图1为集料与空隙分割图；
图2为集料与孔隙的三维面网格模型；
图3为沥青混合料离散元模型；
图4为沥青混合料数字孪生模型。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种基于沥青混合料结构组成特征的数字孪生建模方法，所述方法包括以下主要步骤：沥青混合料成型；沥青混合料结构组成特征获取及处理；基于离散元软件的数字孪生建模。具体过程如下：
步骤1、沥青混合料试件成型：
根据沥青混合料级配及沥青用量，通过击实法或旋转压实法成型沥青混合料试件。
步骤2、沥青混合料二维断层结构扫描：
采用X-ray CT(Computed Tomography，计算机断层扫描)设备对沥青混合料试件进行断层扫描，获取沥青混合料二维断层结构图像。利用VGStudio工业CT数据分析和可视化软件打开扫描二维图片，确认断层扫描图像质量。
步骤3、沥青混合料二维组成结构识别：
将CT扫描图像导入到Mimics软件中，采用灰度值分割法，获取二维图像中集料和孔隙的二维组成结构。
步骤4、沥青混合料三维组成结构重构：
将第二步处理完成的二维图像导入到Mimics软件，对沥青混合料三维组成结构进行重构，获取集料和孔隙的三维实体结构。
步骤5、集料与孔隙三维面网格模型建立：
利用Mimics软件对集料和孔隙三维实体结构进行处理，得到集料与孔隙实体结构(实心结构)的三维面网格几何模型(空心结构)。
步骤6、集料与孔隙三维面网格模型的识别与定位：
基于PFC3D离散元软件利用FISH语言进行编程，读取集料与孔隙三维面网格所有节点坐标，确定集料与孔隙三维轮廓绝对尺寸和相对位置。
步骤7、沥青混合料离散元模型的建立：
通过PFC3D离散元软件编写FISH语言，生成沥青混合料离散元模型。
步骤8、沥青混合料数字孪生模型的建立：
利用集料与孔隙三维面网格模型对离散元模型进行分割，生成集料与孔隙离散元模型，通过布尔运算生成沥青砂浆的离散元模型，分别赋予集料与沥青砂浆的材料参数，确定集料与集料之间、沥青砂浆与集料之间的接触关系，最终得到基于沥青混合料组成结构特征的数字孪生模型。
实施例：
步骤1、沥青混合料试件成型：
根据沥青混合料级配及沥青用量，制备沥青混合料圆柱体试件，并对试件进行切割，去除试件的上下成型面，试件切割后的尺寸为：直径100mm、高40mm。
步骤2、沥青混合料二维断层结构扫描：
采用X-ray CT(Computed Tomography，计算机断层扫描)设备对沥青混合料试件进行扫描，可以实现对沥青混合料的沥青砂浆、集料及孔隙三维结构组成的精确识别。将沥青混合料试件放置在X-ray CT中，要保证试件竖直放置和放置稳定，避免扫描过程中试件发生晃动。同时对试件放置方向进行标记，便于试件进行后续其它试验的定位。为了保证沥青混合料三维组成结构重构的精确性，将X-ray CT断层图像扫描的间距设置为0.1mm，获取足够数量的连续CT扫描图像。将获取的CT图像导入到VGStudio工业CT数据分析和可视化软件中，确认断层扫描图像质量，如果扫描图像不够清晰，需要重新进行扫描。
步骤3、沥青混合料二维组成结构识别：
将CT扫描图像导入到Mimics软件中进行处理，获取二维图像中集料和孔隙的二维组成结构。在CT扫描图像中，集料的颜色接近白色，灰度值较高；孔隙的颜色为黑色，灰度值较低；沥青砂浆为灰色，灰度值介于集料与孔隙之间。集料与孔隙的灰度对比差别较大，因此，仅对孔隙和集料进行阈值分割较为合理。采用灰度值分割法获取集料和孔隙。将连续CT扫描断层图像导入Mimics软件，使用Mimics软件中的数字图像处理功能对集料和孔隙进行灰度值分割。选取合理灰度值范围，对集料和孔隙进行分割，生成集料和孔隙蒙版，进而得到由集料和孔隙构成的沥青混合料二维组成结构。为了保证集料的分割精度，真实反映集料的形状及集料间的接触关系，需要利用Mimics软件中的形态学处理“MorphologyOperation”功能对集料蒙版进行二次处理。具体操作为点击“Morphology Operation”选项，使用“open”功能对集料蒙版进行连续性的腐蚀和膨胀操作，最终得到与集料实际形状和接触关系更为接近的集料蒙版。通过以上操作得到由集料和孔隙构成的沥青混合料二维组成结构(如图1所示)。
步骤4、沥青混合料三维组成结构重构：
在得到集料和孔隙构成的沥青混合料二维组成结构的连续图像之后，利用Mimics软件中的“Calculate Part”功能分别生成由集料和孔隙构成的三维实体结构模型，如图2所示。具体操作为右键点击处理完成的蒙版，点击下拉菜单中的“Calculate Part”选项，然后选取集料和孔隙的蒙版，在右侧“Quality”栏中勾选“Optimal”按钮，最后点击“Calculate”建立由集料和孔隙构成的沥青混合料的三维实体模型。
步骤5、集料与孔隙三维面网格模型建立：
通过步骤4得到了由集料和孔隙构成的三维实体模型，此时集料和孔隙均为实体结构(实心结构)。为了后续基于离散元软件构建沥青混合料的数字孪生模型，需要获取集料和孔隙的外轮廓模型(空心结构)，即需要得到集料与孔隙的三维面网格模型。在Mimics软件中右键点击集料或孔隙的三维实体模型，在下拉菜单中点击“STL+”选项，在对话框中选择“Part”栏中的集料、孔隙的三维实体模型，然后点击“Add”，随后点击“OutputFormat”，选择输出文件类型为“DXF Files”，“Scale factor”设置为默认值“1.000”，最后点击“Finish”生成集料和孔隙的DXF格式文件。
步骤6、集料与孔隙三维面网格模型的识别与定位：
为了基于PFC3D软件构建沥青混合料的数字孪生模型，需要将集料与孔隙的三维面网格模型导入到PFC3D软件。由于PFC3D软件无法直接读取DXF格式文件中包含的集料与孔隙的三维面网格节点坐标信息，需要基于PFC3D离散元软件利用FISH语言进行编程，识别集料与孔隙的三维面网格节点坐标信息，在PFC3D软件里生成集料与孔隙的三维面网格模型，确保模型的尺寸和组成结构与沥青混合料试件相同。首先，使用“geometry import”命令将生成的集料与空隙的DXF文件分别导入离散元软件中，通过编写FISH语言读取文件中每个集料与孔隙的尺寸，历遍面网格模型“geometry”中的所有节点，然后读取每个节点的坐标来确定模型的尺寸范围，以此来定位和识别导入的集料模型与孔隙模型。然后，通过编写FISH语言对模型“geometry”的尺寸进行调整，使模型尺寸与沥青混合料试件实际尺寸一致。最终在PFC3D软件中生成的集料与孔隙的三维面网格模型如图2所示。
步骤7、沥青混合料离散元模型的建立：
通过PFC3D离散元软件编写FISH语言，生成沥青混合料离散元模型。离散元小球的大小要考虑两个方面，一是为了实现对沥青混合料组成结构的精确模拟，小球的直径不能太大；二是要考虑到模型的运算效率，小球的直径太小则模型的规模较大，进行具体力学工况模拟分析时运算时间较长。综合考虑结构的模拟精度及计算效率，确定小球的直径为0.8mm。在集料与孔隙三维面网格空间范围内采用错位堆叠的方式进行离散元小球的投放，最终生成的模型中含有166232个离散元小球。沥青混合料离散元模型如图3所示。
步骤8、沥青混合料数字孪生模型的建立：
利用集料与孔隙三维面网格模型对离散元模型进行分割，分别生成集料和孔隙的离散元模型，通过布尔运算生成沥青砂浆的离散元模型。分别赋予集料与沥青砂浆的材料参数，确定集料与集料之间、沥青砂浆与集料之间的接触关系，最终得到基于沥青混合料组成结构特征的数字孪生模型。基于沥青混合料组成结构特征的数字孪生模型如图4所示。
Claims (4)
1.一种基于沥青混合料结构组成特征的数字孪生建模方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤1、沥青混合料试件成型：
根据沥青混合料级配及沥青用量，制备成型沥青混合料试件；
步骤2、沥青混合料二维断层结构扫描：
对沥青混合料试件进行断层扫描，获取沥青混合料二维断层结构图像；
步骤3、沥青混合料二维组成结构识别：
将沥青混合料二维断层扫描图像导入到Mimics软件中，采用灰度值分割法，获取沥青混合料二维断层结构图像中集料和孔隙的二维组成结构；
步骤4、沥青混合料三维组成结构重构：
将沥青混合料二维断层扫描图像导入到Mimics软件，对沥青混合料三维组成结构进行重构，获取集料和孔隙的三维实体结构；
步骤5、集料与孔隙三维面网格模型建立：
利用Mimics软件对集料和孔隙三维实体结构进行处理，得到集料与孔隙实体结构的三维面网格几何模型；
步骤6、集料与孔隙三维面网格模型的识别与定位：
基于PFC3D离散元软件利用FISH语言进行编程，读取集料与孔隙三维面网格所有节点坐标，确定集料与孔隙三维轮廓绝对尺寸和相对位置；
步骤7、沥青混合料离散元模型的建立：
通过PFC3D离散元软件编写FISH语言，生成沥青混合料离散元模型；
步骤8、沥青混合料数字孪生模型的建立：
利用集料与孔隙三维面网格模型对沥青混合料离散元模型进行分割，生成集料与孔隙离散元模型，通过布尔运算生成沥青砂浆的离散元模型，分别赋予集料与沥青砂浆的材料参数，确定集料与集料之间、沥青砂浆与集料之间的接触关系，最终得到基于沥青混合料组成结构特征的数字孪生模型。
2.根据权利要求1所述的基于沥青混合料结构组成特征的数字孪生建模方法，其特征在于所述步骤1中，通过击实法或旋转压实法成型沥青混合料试件。
3.根据权利要求1所述的基于沥青混合料结构组成特征的数字孪生建模方法，其特征在于所述步骤2中，断层扫描的间距设置为0.1mm。
4.根据权利要求1所述的基于沥青混合料结构组成特征的数字孪生建模方法，其特征在于所述步骤2中，利用VGStudio工业CT数据分析和可视化软件打开扫描二维图片，确认断层扫描图像质量。
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