[发明专利]一种沥青混合料三维细观结构建模方法

说明书

本发明公开了一种沥青混合料三维细观结构建模方法，涉及路面材料技术领域，本方法的三维骨料模型采用随机多面体代表真实骨料颗粒，引入刚体动力学冲量理论来模拟实际沥青混合料压实过程中粗骨料颗粒重新排列的过程，本方法形成的粗骨料颗粒的堆积结构具有稳定的骨架支撑特性，克服了传统随机粗骨料生成方法所忽略的问题，基于沥青砂浆膜等厚度假设，在粗骨料颗粒的堆积结构基础之上建立了沥青混合料中沥青砂浆组分的建模，同时实现了沥青混合料中空隙组分的建模，最终实现了沥青混合料三组分的三维建模，该方法在研究沥青混合料各组分的空间分布、压实过程中的集料颗粒运动规律以及微观尺度的数值模拟方面具有重要的意义。

技术领域

本发明涉及路面材料技术领域，特别是涉及一种沥青混合料三维细观结构建模方法。

背景技术

沥青混合料是公路或城市道路最常用的铺面材料，在长期使用后以及行车荷载作用下，沥青路面会产生如高温车辙、低温裂缝等各种病害，而沥青混合料材料力学性能和耐久性能的优劣是影响路面病害是否产生的重要因素，尽管可以通过室内试验对沥青混合料材料的宏观力学性能进行测定，但是其内部的细观物理状态无法通过室内试验直接得到。

有限元数值仿真技术是研究材料行为机理的重要技术手段，目前具有代表性的大型商用有限元软件ABAQUS、ANSYS以及COMSOL Multiphysics等已经广泛应用于沥青混合料细观尺度上的数值仿真计算，沥青混合料作为一种粗骨料颗粒增强的沥青基复合材料，在进行有数值仿真之前，需要首先建立较为可靠的三维细观结构模型。

公开号为CN102768699B的中国专利公开了一种基于CT图像精确重构异质材料微观有限元网格模型的方法，该方法存在以下缺点：应用在沥青混合料有限元建模中的前提是需要通过室内成型或现场取芯得到沥青混合料的试件，因此该方法不能对已经设计但是还未成型的沥青混合料三维细观结构进行建模；该方法需要依赖CT扫描设备，因此对沥青混合料试件的尺寸有较大限制；CT扫描设备的成本以及单个沥青混合料试件扫描的成本较高；同时还需要一系列数字图像处理技术来分割扫描样本中沥青混合料的三组分；上述缺点导致该方法流程较为繁琐，经济成本较高，沥青混合料建模尺寸有所限制。

公开号为CN106874600B的中国专利公开了一种快速生成卵石碎石夹杂的混凝土二维随机骨料模型的方法，然而该建模方法在粗骨料体积占比较高时计算效率较低甚至无法生成最终的细观模型，这是由于在粗骨料高体积占比时，新生成的随机投放的粗骨料颗粒会有较大概率与已投放粗骨料相交，新生成粗骨料颗粒将被视为生成失败从而继续重新生成新的随机粗骨料，新生成的粗骨料又会继续与已生成粗骨料相交而判定失败，如此循环往复，易形成无限循环，导致混合料细观结构建模失败，因此当粗骨料占整个试件空间体积分数较高时，该方法效率较低，同时随机投放的粗骨料颗粒与粗骨料颗粒之间不能形成稳定的骨架结构，因此与实际混合料结构还存在差异，从而会造成数值仿真结果的误差。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提供一种沥青混合料三维细观结构建模方法，包括以下步骤

S1、确定建模的沥青混合料试件的形状和尺寸，建立沥青混合料试件的边界，去除掉沥青混合料试件的边界顶面，建立沥青混合料试件的压板，压板设置于沥青混合料试件的正上方；

S2、确定沥青混合料试件的级配曲线、集料的体积份数以及细集料的尺寸，且计算每一档粗骨料的目标体积；

S3、在沥青混合料试件的边界内随机生成粗骨料颗粒，生成的每一档粗骨料颗粒的总体积等于自身目标体积后不再生成新的粗骨料颗粒，存储每一个生成的粗骨料颗粒形心的全局坐标以及顶点的局部坐标；