一种结合三角构网和随机投放算法的半柔性路面材料三维细观结构模型建立方法技术

本发明专利技术提出了一种结合三角构网和随机投放算法的半柔性路面材料三维细观结构模型建立方法，包括以下步骤：步骤一、根据半柔性路面材料的骨料级配在指定区域内生成互不干涉、不同半径的三维球体；步骤二、提取所有球体颗粒的球心坐标进行三角构网；步骤三、对得到的三角网根据球体半径比例进行分割，将分割点和所有球心重新进行三角构网；步骤四、提取网格中的骨料几何信息；步骤五、在骨料周围生成随机厚度的沥青砂浆得到沥青混合料基体；步骤六、在沥青混合料基体空隙随机投放水泥浆体；步骤七、在模型区域划分结构化网格，将骨料、沥青、水泥的几何信息映射到网格中；步骤八、基于映射得到的网格建立有限元模型进行力学分析。射得到的网格建立有限元模型进行力学分析。

【技术实现步骤摘要】
一种结合三角构网和随机投放算法的半柔性路面材料三维细观结构模型建立方法


[0001]本专利技术属于半柔性路面材料的数值模拟
，具体的是一种结合三角构网和随机投放算法的半柔性路面材料三维细观结构模型建立方法。

技术介绍

[0002]半柔性路面材料是由大空隙沥青混合料基体与水泥基灌浆料组成的多相复合材料，其结合了沥青路面材料和水泥路面材料的优点，具有优异的抗车辙性能和耐久性。但半柔性路面材料组成复杂，其在动态荷载条件下容易产生开裂破坏，其破坏过程和开裂机理尚不明确。传统的研究方法将半柔性路面材料看作各向同性的均质体，但其复杂的材料组成决定了其具有非均质性和各向异性，因此宏观尺度的研究难以反映半柔性路面材料真实的力学性能。
[0003]随着计算机技术的发展，半柔性路面材料细观骨料结构可直接通过计算机程序运行得到，并且可以通过自定义的数学几何算法控制骨料结构的几何信息，是最有前景的研究方式之一。
[0004]随机生成技术是通过计算机程序在指定区域生成所需级配、空隙率、棱角性等特征的几何模型，主要包括随机投放法及其衍生算法(随机投放下落法、随机投放膨胀法等)、Delaunry三角剖分算法、Voronoi图法等。
[0005]随机投放法的原理是在指定区域内基于几何位置干涉判断(相离、相交、重合)生成所需大小和形状的颗粒，这意味着其每投放一次颗粒都需要与之前投放的所有颗粒进行干涉判断，颗粒形状越复杂、投放率(投放的颗粒体积与投放区域体积之比)越高，所需的计算资源越多，因此传统的随机投放方法一般难以生成投放率在35％以上的骨料模型。然而工程实际中，粗骨料体积可达到混凝土总体积的40％到50％，所有粗细骨料体积可达到总体积的60％至70％，传统的随机投放技术难以表征真实的骨料结构。
[0006]有限元计算分析主要包括网格划分、计算求解和结果处理三部分，其中的网格划分往往花费最多的时间，网格质量对模型计算结果的有效性和准确性起着决定性作用。真实的骨料形状十分复杂，若采用简单的球体或椭球体来模拟骨料可以提高收敛性、加速计算效率，但难以模拟其真实形状；采用多面体来模拟集料可以相对真实地反映材料细观结构，并且可以通过调整顶点个数来对其形状进行控制，多面体形状简单时容易收敛且计算效率高，却降低了其形状的真实性，多面体形状复杂时更真实却难以收敛、计算缓慢，多面体代表集料的真实性和收敛性产生了矛盾。随机生成的多面体在进行网格划分时会产生畸形单元，在有限元程序运算过程中会导致模型计算效率低下，难以收敛。

技术实现思路

[0007]针对上述技术问题，为了真实、高效地对半柔性路面材料细观结构进行模拟，本专利技术提出了一种结合三角构网和随机投放算法的半柔性路面材料三维细观结构模型建立方
法，该方法建立的模型具有计算效率高、收敛性好的优点。
[0008]为了实现上述技术目的，本专利技术采用以下技术手段：
[0009]一种结合三角构网和随机投放算法的半柔性路面材料三维细观结构模型建立方法，包括以下步骤：
[0010]步骤S1、在拟生成骨料颗粒的三维空间区域Z内随机投放球体颗粒，包括以下步骤：
[0011]步骤S1.1、在三维空间区域Z内随机投放第1档直径为9.5～16mm的球体颗粒；
[0012]步骤S1.2、在三维空间区域Z内随机投放第2档直径为4.75～9.5mm的球体颗粒；
[0013]步骤S1.3、在三维空间区域Z内随机投放第3档直径为2.36～4.75mm的球体颗粒；
[0014]步骤S1.4、采用直径为2mm的球体颗粒填充三维空间区域Z中的空隙；
[0015]步骤S2、利用投放的所有球体颗粒球心进行三角构网；
[0016]步骤S3、利用投放的所有球体颗粒球心和球体颗粒连线分割点进行三角构网；
[0017]步骤S4、提取每颗骨料的顶点信息；
[0018]步骤S5、在骨料周围生成随机厚度的沥青砂浆得到沥青混合料基体；
[0019]步骤S6、在沥青混合料基体空隙随机投放水泥浆体；
[0020]步骤S7、对三维空间区域Z进行结构化网格划分；
[0021]步骤S8、将骨料几何信息映射到结构化网格中；
[0022]步骤S9、基于映射得到的网格模型建立有限元模型进行力学模拟。
[0023]所述步骤S1.1包括以下子步骤：
[0024]步骤S1.1.1、生成球体颗粒i的半径：采用随机生成函数，在4.75～8mm范围内随机产生半径R
i
；
[0025]步骤S1.1.2、球体颗粒投放：在三维空间区域Z内随机选取一点Oi作为拟投放球体颗粒i的球心；
[0026]步骤S1.1.3、球体颗粒干涉判断：若三维空间区域Z内没有已经投放的球体颗粒，则直接投放球体颗粒i；若三维空间区域Z内已有投放的球体颗粒，则遍历所有已投放的球体颗粒，对于已投放的球体颗粒j和拟投放球体颗粒i，若两球体球心距离Dis(i
‑
j)大于两球体半径之和R
i
+R
j
，则满足投放条件，投放集料i，否则重复步骤S1.1.2，重新投放球体颗粒i；
[0027]步骤S1.1.4、球体颗粒投放完成条件判断：已投放的第一档球体颗粒总体积为V
1sum
，第一档球体颗粒设计投放体积为V1，若V
sum
≥V1，则完成第1档球体颗粒的投放，否则重复步骤S1.1.1～步骤S1.1.3；
[0028]步骤S1.2、步骤S1.3与步骤S1.1的步骤相同。
[0029]所述的步骤S1.4，包括以下子步骤：
[0030]步骤S1.4.1、在三维空间区域Z内的x、y、z三个方向分别按照6mm的间距取点并建立点集P储存所取的点的三维坐标；
[0031]步骤S1.4.2、遍历点集P中的点p，对于点p，遍历所有已投放的球体颗粒，对于点p和球体颗粒j，若点p与球体颗粒j的球心距离dis(pj)大于球体颗粒j的半径Rj，则满足投放条件，以点p为球心生成一个半径为2mm的球体填充颗粒，否则不生成填充颗粒。
[0032]所述的步骤S2，包括以下子步骤：
[0033]步骤S2.1、提取已投放的所有球体颗粒的球心建立离散点集D1；
[0034]步骤S2.2、对离散点集D1进行三角构网，将三维空间区域Z分割为互不重叠、彼此连续的四面体集T1。
[0035]所述的步骤S3，包括以下子步骤：
[0036]步骤S3.1、基于步骤S2构建的三角网，对三角网中的每条边均进行分割，分割点的位置根据其连接的两个球体的半径之比来确定；
[0037]步骤S3.2、提取已投放的所有球体颗粒的球心和步骤S3.1中获得的分割点建立离散点集D2；
[0038]步骤S3.3、对离散点集D2进行三角构网，将三维空间区域Z分割为互不重叠、彼此连续的四面体集T2。
[0039]所述的步骤S4，包括以下子步骤：...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种结合三角构网和随机投放算法的半柔性路面材料三维细观结构模型建立方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、在拟生成骨料颗粒的三维空间区域Z内随机投放球体颗粒，包括以下步骤：步骤S1.1、在三维空间区域Z内随机投放第1档直径为9.5～16mm的球体颗粒；步骤S1.2、在三维空间区域Z内随机投放第2档直径为4.75～9.5mm的球体颗粒；步骤S1.3、在三维空间区域Z内随机投放第3档直径为2.36～4.75mm的球体颗粒；步骤S1.4、采用直径为2mm的球体颗粒填充三维空间区域Z中的空隙；步骤S2、利用投放的所有球体颗粒球心进行三角构网；步骤S3、利用投放的所有球体颗粒球心和球体颗粒连线分割点进行三角构网；步骤S4、提取每颗骨料的顶点信息；步骤S5、在骨料周围生成随机厚度的沥青砂浆得到沥青混合料基体；步骤S6、在沥青混合料基体空隙随机投放水泥浆体；步骤S7、对三维空间区域Z进行结构化网格划分；步骤S8、将骨料几何信息映射到结构化网格中；步骤S9、基于映射得到的网格模型建立有限元模型进行力学模拟。2.根据权利要求1所述的结合三角构网和随机投放算法的半柔性路面材料三维细观结构模型建立方法，其特征在于，所述步骤S1.1包括以下子步骤：步骤S1.1.1、生成球体颗粒i的半径：采用随机生成函数，在4.75～8mm范围内随机产生半径R
i
；步骤S1.1.2、球体颗粒投放：在三维空间区域Z内随机选取一点Oi作为拟投放球体颗粒i的球心；步骤S1.1.3、球体颗粒干涉判断：若三维空间区域Z内没有已经投放的球体颗粒，则直接投放球体颗粒i；若三维空间区域Z内已有投放的球体颗粒，则遍历所有已投放的球体颗粒，对于已投放的球体颗粒j和拟投放球体颗粒i，若两球体球心距离Dis(i
‑
j)大于两球体半径之和R
i
+R
j
，则满足投放条件，投放集料i，否则重复步骤S1.1.2，重新投放球体颗粒i；步骤S1.1.4、球体颗粒投放完成条件判断：已投放的第一档球体颗粒总体积为V
1sum
，第一档球体颗粒设计投放体积为V1，若V
sum
≥V1，则完成第1档球体颗粒的投放，否则重复步骤S1.1.1～步骤S1.1.3；步骤S1.2、步骤S1.3与步骤S1.1的步骤相同。3.根据权利要求1所述的结合三角构网和随机投放算法的半柔性路面材料三维细观结构模型建立方法，其特征在于，所述的步骤S1.4，包括以下子步骤：步骤S1.4.1、在三维空间区域Z内的x、y、z三个方向分别按照6mm的间距取点并建立点集P储存所取的点的三维坐标；步骤S1.4.2、遍历点集P中的点p，对于点p，遍历所有已投放的球体颗粒，对于点p和球体颗粒j，若点p与球体颗粒j的球心距离dis(pj)大于球体颗粒j的半径Rj，则满足投放条件，以点p为球心生成一个半径为2mm的球体填充颗粒，否则不生成填充颗粒。4.根据权利要求1所述的结合三角构网和随机投放算法的半柔性路面材料三维细观结构模型建立方法，其特征在于，所述的步骤S2，包括以下子步骤：步骤S2.1、提取已投放的所有球体颗粒的球心建立离散点集D1；
步骤S2.2、对离散点集D1进行三角构网，将三维空间区域Z分割为互不重叠、彼此连续的四面体集T1。5.根据权利要求1所述的结合三角构网和随机投放算法的半柔性路面材料三维细观结构模型建立方法，其特征在于，所述的步骤S3，包括以下子步骤：步骤S3.1、基于步骤S2构建的三角网，对三角网中的每条边均进行分割，分割点的位置根据其连接的两个球体的半径之比来确定；步骤S3.2、提取已投放的所有球体颗粒的球心和步骤S3.1中获得的分割点建立离散点集D2；步骤S3.3、对离散点集D2进行三角构网，将三维空间区域Z分割为互不重叠、彼此连续的四面体集T2。6.根据权利要求1所述的结合三角构网和随机投放算法的半柔性路面材料三维细观结构模型...

【专利技术属性】
技术研发人员：张磊，周松，张丰雷，程龙，王鸿烨，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：