一种基于离散元的沥青混合料骨架接触各向异性评价方法技术

本发明专利技术公开了一种基于离散元的沥青混合料骨架接触各向异性评价方法，包括如下步骤：

【技术实现步骤摘要】
一种基于离散元的沥青混合料骨架接触各向异性评价方法


[0001]本专利技术涉及沥青混合料离散元数值仿真和骨架评价技术，特别涉及基于离散元的沥青混合料骨架接触各向异性评价方法

技术介绍

[0002]沥青混合料是一种含有粗集料
、
细集料
、
矿物填料
、
沥青粘结剂和空隙的多相非均质复合材料，其力学性能与各组分的空间结构直接相关，如粗集料的分布
、
集料颗粒形成的骨架和空隙的大小
。
其中，骨架由几个相邻的集料组成，具有抵抗和传递外部荷载应力的能力
。
通过分析集料骨架的动态响应，可以全面了解沥青混合料的结构特性和服役性能
。
[0003]先前可以通过测量沥青混合料试样在不同方向上的模量差异以衡量其各向异性；此外，还可基于数字图像处理技术，以试样内部集料和空隙的空间分布
、
长轴取向等形态特征表征混合料的各向异性
。
相较于实验方法，越来越多的研究关注采用数值方法来模拟沥青混合料在变形过程中的骨架接触行为
。
尤其是，离散元法
(DEM)
相对于基于连续体的有限元法更适用于分析混合颗粒的细观骨架接触行为
。
通过使用颗粒流代码
(PFC)
和其他自定义建模平台，可以实现对真实集料的模拟，并捕捉单个集料的运动
。
在这些集料组成的沥青混合料模型上进行的虚拟测试为研究接触力链和接触各向异性提供了一种有前途的方法
。
集料特性
、
温度和混合物类型对骨架结构在外部载荷下的接触力和各向异性产生显著影响，沥青砂浆和集料骨架在沥青混合料的抗车辙性能中发挥着关键作用
。
[0004]不可否认，利用
DEM
描述沥青混合料中粗集料之间的骨架接触行为并阐明车辙相关机理的研究已取得重大进展
。
集料之间的相互作用以及它们受荷载影响下的接触各向异性，对于评估沥青混合料抗车辙性能乃至长期服役行为都具有重要意义
。
通过
DEM
分析提取关键特征，可以深入了解特定结构配置与路面耐久性之间错综复杂的关系
。
通过确定粗集料和沥青砂浆的空间取向和接触行为，可以揭示骨架结构在荷载作用下演化的内在机制
。
因此，有必要提出一种评价沥青混合料骨架接触各向异性的方法，以建立接触各向异性和力学性能的关系
。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：针对以上问题，本专利技术目的是提供一种基于离散元的沥青混合料骨架接触各向异性评价方法，以有效评价沥青混合料在受载下的接触各向异性，所述方法有助于克服以往单纯以不同方向模量差异及集料分布评价各向异性程度的局限
。
通过掌握车辙产生过程中集料与沥青砂浆接触的空间取向形式，可以为建立接触各向异性和力学性能的关系
、
厘清沥青混合料的车辙发展机理提供理论依据
。
[0006]技术方案：本专利技术的一种基于离散元的沥青混合料骨架接触各向异性评价方法，包括如下步骤：
[0007](1)
选取不同粒径范围的石灰岩集料并进行
CT
扫描和
3D
建模重构；
[0008](2)
将上述集料坐标文件导入离散元软件中，通过单轴蠕变试验确定集料和沥青
砂浆间的本构模型参数，并根据级配类型生成沥青混合料虚拟样品；
[0009](3)
对虚拟样品施加荷载，识别集料与沥青砂浆之间的接触，将上述接触的接触法线及法向接触力按接触向量与坐标轴的夹角进行分类；
[0010](4)
将上述接触法线向量转化为单位向量，计算接触法线的组构张量，并将接触法线和法向接触力向量转化为极坐标形式，按指定角度间隔绘制风玫瑰图；
[0011](5)
构建傅里叶级数函数并拟合接触法线和法向接触力的风玫瑰图，以拟合得到的各向异性参数和组构张量评价沥青混合料骨架接触的各向异性
。
[0012]进一步，步骤
(1)
中，选取不同粒径范围的石灰岩集料并进行
CT
扫描和
3D
建模重构包括：
[0013](101)
将从采石场得到的集料进行筛分，并根据筛孔尺寸按照粒径将集料划分为4类，即
2.36
‑
4.75mm、4.75
‑
9.5mm、9.5
‑
13.2mm
和
13.2
‑
16.0mm
；
[0014](102)
每种粒径的集料至少选取
25
颗，洗净之后将其固定于盒子中，采用工业计算机断层扫描仪从前至后对盒子中的集料进行扫描，获取集料的断层投影图像；
[0015](103)
将扫描后的断层图像导入
AVIZO
软件进行形态学处理，包括滤波
、
降噪
、
对比度增强等手段，并采用阈值分割进行二值化处理，识别出包含集料的平面区域，利用软件的自动堆栈叠加得到各个集料的三维结构模型；
[0016](104)
继续在软件中生成覆盖三维集料轮廓的表面网格，通过控制点
、
表面和边缘的数量对集料的表面网格进行简化
。
[0017]进一步，步骤
(2)
中，将上述集料坐标文件导入离散元软件中，通过单轴蠕变试验确定集料和沥青砂浆间的本构模型参数，并根据级配类型生成沥青混合料虚拟样品包括：
[0018](201)
对集料的表面网格简化后，将其轮廓坐标信息输出到
STL
文件中，并编写命令在离散元
PFC
软件中导入上述
STL
文件以创建集料簇模板
。
通过调节影响集料簇模板模拟精度的两个参数，即
distance
和
ratio
，达到模拟精度和仿真效率的平衡；
[0019](202)
采用纳米压痕试验获取集料的弹性模量并选取线性刚度模型确定集料之间接触的本构模型参数，表达式如下：
[0020]k
n
＝
2EL
[0021][0022]式中，
E
为集料的弹性模量，根据纳米压痕试验确定为
55.5MPa
；
L
为两个接触球元件的距离，
L
＝
R1+R2，在本研究中为
2mm
；
υ
为集料的泊松比，为
0.25
；
[0023](203)
构建集料模型后，在试验室制备包含沥青粘结剂和粒径小于
2.36mm
细集料组成的沥青砂浆并进行本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于离散元的沥青混合料骨架接触各向异性评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)
选取不同粒径范围的石灰岩集料并进行
CT
扫描和
3D
建模重构；
(2)
将上述集料坐标文件导入离散元软件中，通过单轴蠕变试验确定集料和沥青砂浆间的本构模型参数，并根据级配类型生成沥青混合料虚拟样品；
(3)
对虚拟样品施加荷载，识别集料与沥青砂浆之间的接触，将上述接触的接触法线及法向接触力按接触向量与坐标轴的夹角进行分类；
(4)
将上述接触法线向量转化为单位向量，计算接触法线的组构张量，并将接触法线和法向接触力向量转化为极坐标形式，按指定角度间隔绘制风玫瑰图；
(5)
构建傅里叶级数函数并拟合接触法线和法向接触力的风玫瑰图，以拟合得到的各向异性参数和组构张量评价沥青混合料骨架接触的各向异性
。2.
根据权利要求1所述的沥青混合料骨架接触各向异性评价方法，其特征在于，步骤
(1)
中，选取不同粒径范围的石灰岩集料并进行
CT
扫描和
3D
建模重构包括：
(101)
将从采石场得到的集料进行筛分，并根据筛孔尺寸按照粒径将集料划分为4类，即
2.36
‑
4.75mm、4.75
‑
9.5mm、9.5
‑
13.2mm
和
13.2
‑
16.0mm
；
(102)
每种粒径的集料至少选取
25
颗，洗净之后将其固定于盒子中，采用工业计算机断层扫描仪从前至后对盒子中的集料进行扫描，获取集料的断层投影图像；
(103)
将扫描后的断层图像导入
AVIZO
软件进行形态学处理，包括滤波
、
降噪
、
对比度增强手段，并采用阈值分割进行二值化处理，识别出包含集料的平面区域，利用软件的自动堆栈叠加得到各个集料的三维结构模型；
(104)
继续在软件中生成覆盖三维集料轮廓的表面网格，通过控制点
、
表面和边缘的数量对集料的表面网格进行简化
。3.
根据权利要求1所述的沥青混合料骨架接触各向异性评价方法，其特征在于，步骤
(2)
中，将上述集料坐标文件导入离散元软件中，通过单轴蠕变试验确定集料和沥青砂浆间的本构模型参数，并根据级配类型生成沥青混合料虚拟样品包括：
(201)
对集料的表面网格简化后，将其轮廓坐标信息输出到
STL
文件中，并编写命令在离散元
PFC
软件中导入上述
STL
文件以创建集料簇模板；通过调节影响集料簇模板模拟精度的两个参数，即
distance
和
ratio
，达到模拟精度和仿真效率的平衡；
(202)
采用纳米压痕试验获取集料的弹性模量并选取线性刚度模型确定集料之间接触的本构模型参数，表达式如下：
k
n
＝
2EL
式中，
E
为集料的弹性模量，根据纳米压痕试验确定为
55.5MPa
；
L
为两个接触球元件的距离，
L
＝
R1+R2，为
2mm
；
υ
为集料的泊松比，为
0.25
；
(203)
构建集料模型后，在试验室制备包含沥青粘结剂和粒径小于
2.36mm
细集料组成的沥青砂浆并进行不同温度下的单轴蠕变加载试验，采用
Burger
’
s
粘弹性模型通过对试验数据拟合得到蠕变模型参数，其表达式如下：
式中，
E1为
Burger
’
s
模型开尔文部分的弹性模量；
η1为
Burger
’
s
模型开尔文部分的粘度；
E2为
Burger
’
s
模型麦克斯韦部分的弹性模量；
η2为
Burger
’
s
模型麦克斯韦部分的粘度；
t
为加载时间；同时将上述得到的蠕变模型参数转换为离散元软件中集料和沥青砂浆之间接触的本构模型参数，表达式如下：
C
mn
＝
η1LK
mn
＝
E1LC
kn
＝
η2LK
kn
＝
E2LLLL
式中，
C
mn
、K
mn
、C
kn
和
K
kn
为模拟尺度
Burger
’
s
模型在法线方向上的参数；
C
ms
、K
ms
、C
ks
和
K
ks
为模拟尺度
Burger
’
s
模型在剪切方向上的参数；
υ
′
为沥青砂浆的泊松比；
(204)
生成以车辙试样尺寸为基础的长方体盒子和对应的六面墙体，根据所需级配类型计算
(101)
步骤中四档集料颗粒的数量，并投放到车辙试样形成的虚拟盒子中，将这些集料先后进行尺寸缩放和膨胀以消除颗粒重叠引发的应力；
(205)
在车辙试样盒子的剩余空间中生成指定数量直径为
1.0mm
的小球表示沥青砂浆，...

【专利技术属性】
技术研发人员：于斌，刘晋周，王羽尘，刘奇，张文轩，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：