[发明专利]一种随机构建沥青混合料多层次结构仿真模型的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种构建仿真模型的方法，特别涉及一种随机构建沥青混合料多层次结构仿真模型的方法。

背景技术

沥青混合料是由矿质骨料、空隙与沥青胶浆等组成的非均质多层次复合相材料，在道路桥梁铺面工程中被广泛使用。复合材料的性能和失效机制不仅与其宏观级配特征和各组分相的力学性能有关，也与集料相的扁平度、破碎面、长轴取向，空隙的大小、分布，以及各相间的界面特性等细观特征密切相关。

为揭示沥青混合料内部细观构造对其宏观性能的影响，必须首先构建能够反映其细观构造的模型。在沥青混合料细观力学的研究中，比较传统的方法是将集料理想化为如圆形(球体)等具有简单几何特征的模型，虽然实现了材料的非均质，却忽略了真实的复杂细观构造，难以对材料性能进行精确分析。随着数字图像技术的发展，众多学者在对混合料截面CCD图像进行处理获取二维(2-D)几何拓扑信息的基础上，近年来借助X-ray CT无损扫描技术，利用材料的序列图像重构能够反映其真实三维(3-D)细观结构的有限元或离散元模型。

基于数字图像信息构建的数值模型诚然可以与真实沥青混合料试件达到很好的映射关系，但在应用时仍存在以下几个难题：（1）对试验室条件的依赖性，实现一个基于图像信息的数值模型，需要成型沥青混合料试件、昂贵的试验设备以及图像处理技术，且目前CT设备的应用在国内道路研究领域尚处初步阶段；（2）设备性能与图像处理精度的匹配，因为细集料与沥青胶浆(以矿质填料为分散相分散在沥青胶结料中)二者的密度差较小，使得通过依靠较大密度差实现精确区分物体的X-ray扫描技术，仅能较好识别粒径大于2.36mm的粗集料与沥青砂浆(以细集料为分散相分散在沥青胶浆中)，同时也较难实现空隙的捕捉；（3）研究者更为关心的是，当研究需要大量的不同矿料级配、不同性能与形状的集料、不同性质与含量的沥青胶结料以及空隙率时，通过数字图像处理获取所需的数值模型将会异常复杂，试件成型、图像成像、数据后处理等费时昂贵。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种可以不需依赖实验条件、使用简单、实现空隙的捕捉的随机构建沥青混合料多层次结构仿真模型的方法。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明提供一种随机构建沥青混合料多层次结构仿真模型的方法，包括以下步骤：

（10）在建模平台上生成三个预设空间，并定义生成的沥青混合料中沥青含量和空隙率；

（20）在第一预设空间内随机生成带有级配特征的基骨料单元球；

（30）在第二预设空间内生成体积相等并规则排列的单元球；

（40）根据步骤（20）中带有级配特征的基骨料单元圆心坐标和半径在第二预设空间内定义处理区域，对处理区域进行不规则处理后生成集料单元；

（50）在第三预设空间内生成与步骤（40）中生成的集料单元相同的集料单元，在集料单元外的空间内随机生成不同半径的空隙单元球；

（60）将第三预设空间内生成的空隙单元球位置和大小的信息输入到第二预设空间内，将包含在空隙单元球内部的单元球删除。

其中，步骤（20）中所述生成带有级配特征的基骨料单元球的方法为：

（201）定义粗集料与沥青胶浆的划分粒径d_agg-mas，粒径大于划分粒径d_agg-mas的粗集料由n档料组成，根据要生成沥青混合料中集料的百分比获得粒径大于d_agg-mas的粗集料的体积V_agg；

（202）根据第i档集料的体积百分比获得第i档集料的体积V_agg-i，i=1,2…,n；

（203）第i档集料中最大粒径为d_max(i)，最小粒径为d_min(i)，将该档集料的平均粒径作为球单元的直径，计算一个基骨料单元的体积V_ball-i；

（204）根据(V_agg-i/V_ball-i)计算得到第i档基骨料单元的生成数量N_i；

（205）在第一预设空间内生成随机分布、互不重叠的，直径在d_min(i)～d_max(i)范围内随机均匀分布的N_i个球单元；

（206）重复步骤（202）-(205)，实现带有级配特征的n档球单元的随机生成；