專利名稱：一種隨機(jī)構(gòu)建瀝青混合料多層次結(jié)構(gòu)仿真模型的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種構(gòu)建仿真模型的方法，特別涉及一種隨機(jī)構(gòu)建浙青混合料多層次結(jié)構(gòu)仿真模型的方法。
背景技術(shù)：
浙青混合料是由礦質(zhì)骨料、空隙與浙青膠漿等組成的非均質(zhì)多層次復(fù)合相材料，在道路橋梁鋪面工程中被廣泛使用。復(fù)合材料的性能和失效機(jī)制不僅與其宏觀級(jí)配特征和各組分相的力學(xué)性能有關(guān)，也與集料相的扁平度、破碎面、長(zhǎng)軸取向，空隙的大小、分布，以及各相間的界面特性等細(xì)觀特征密切相關(guān)。為揭示浙青混合料內(nèi)部細(xì)觀構(gòu)造對(duì)其宏觀性能的影響，必須首先構(gòu)建能夠反映其細(xì)觀構(gòu)造的模型。在浙青混合料細(xì)觀力學(xué)的研究中，比較傳統(tǒng)的方法是將集料理想化為如圓形(球體)等具有簡(jiǎn)單幾何特征的模型，雖然實(shí)現(xiàn)了材料的非均質(zhì)，卻忽略了真實(shí)的復(fù)雜細(xì)觀構(gòu)造，難以對(duì)材料性能進(jìn)行精確分析。隨著數(shù)字圖像技術(shù)的發(fā)展，眾多學(xué)者在對(duì)混合料截面CXD圖像進(jìn)行處理獲取二維(2-D)幾何拓?fù)湫畔⒌幕A(chǔ)上，近年來(lái)借助X-ray CT無(wú)損掃描技術(shù)，利用材料的序列圖像重構(gòu)能夠反映其真實(shí)三維(3-D)細(xì)觀結(jié)構(gòu)的有限元或離散元模型。基于數(shù)字圖像信息構(gòu)建的數(shù)值模型誠(chéng)然可以與真實(shí)浙青混合料試件達(dá)到很好的映射關(guān)系，但在應(yīng)用時(shí)仍存在以下幾個(gè)難題:(I)對(duì)試驗(yàn)室條件的依賴性，實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于圖像信息的數(shù)值模型，需要成型浙青混合料試件、昂貴的試驗(yàn)設(shè)備以及圖像處理技術(shù)，且目前CT設(shè)備的應(yīng)用在國(guó)內(nèi)道路研究領(lǐng)域尚處初步階段；(2)設(shè)備性能與圖像處理精度的匹配，因?yàn)榧?xì)集料與浙青膠漿(以礦質(zhì)填料為分散相分散在浙青膠結(jié)料中)二者的密度差較小，使得通過(guò)依靠較大密度差實(shí)現(xiàn)精確區(qū)分物體的X-ray掃描技術(shù)，僅能較好識(shí)別粒徑大于
2.36mm的粗集料與浙青砂漿(以細(xì)集料為分散相分散在浙青膠漿中)，同時(shí)也較難實(shí)現(xiàn)空隙的捕捉；(3)研究者更為關(guān)心的是，當(dāng)研究需要大量的不同礦料級(jí)配、不同性能與形狀的集料、不同性質(zhì)與含量的浙青膠結(jié)料以及空隙率時(shí)，通過(guò)數(shù)字圖像處理獲取所需的數(shù)值模型將會(huì)異常復(fù)雜，試件成型、圖像成像、數(shù)據(jù)后處理等費(fèi)時(shí)昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的:針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題和不足，本發(fā)明的目的是提供一種可以不需依賴實(shí)驗(yàn)條件、使用簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)空隙的捕捉的隨機(jī)構(gòu)建浙青混合料多層次結(jié)構(gòu)仿真模型的方法。技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種隨機(jī)構(gòu)建浙青混合料多層次結(jié)構(gòu)仿真模型的方法，包括以下步驟:(10)在建模平臺(tái)上生成三個(gè)預(yù)設(shè)空間，并定義生成的浙青混合料中浙青含量和空隙率；(20)在第一預(yù)設(shè)空間內(nèi)隨機(jī)生成帶有級(jí)配特征的基骨料單元球；
(30)在第二預(yù)設(shè)空間內(nèi)生成體積相等并規(guī)則排列的單元球；(40)根據(jù)步驟(20)中帶有級(jí)配特征的基骨料單元圓心坐標(biāo)和半徑在第二預(yù)設(shè)空間內(nèi)定義處理區(qū)域，對(duì)處理區(qū)域進(jìn)行不規(guī)則處理后生成集料單元； (50 )在第三預(yù)設(shè)空間內(nèi)生成與步驟(40 )中生成的集料單元相同的集料單元，在集料單元外的空間內(nèi)隨機(jī)生成不同半徑的空隙單元球；(60)將第三預(yù)設(shè)空間內(nèi)生成的空隙單元球位置和大小的信息輸入到第二預(yù)設(shè)空間內(nèi)，將包含在空隙單元球內(nèi)部的單元球刪除。其中，步驟(20)中所述生成帶有級(jí)配特征的基骨料單元球的方法為:(201)定義粗集料與浙青膠楽:的劃分粒徑dagg_mas,粒徑大于劃分粒徑dagg_mas的粗集料由η檔料組成,根據(jù)要生成浙青混合料中集料的百分比獲得粒徑大于dagg_mas的粗集料的體積Vagg ；(202)根據(jù)第i檔集料的體積百分比獲得第i檔集料的體積Vag", i=l, 2...，η ；(203)第i檔集料中最大粒徑為dmax (i)，最小粒徑為dmin(i)，將該檔集料的平均粒徑作為球單元的直徑，計(jì)算一個(gè)基骨料單元的體積Vmh ；(204)根據(jù)(VaggVVbaiw)計(jì)算得到第i檔基骨料單元的生成數(shù)量Ni ；(205)在第一預(yù)設(shè)空間內(nèi)生成隨機(jī)分布、互不重疊的，直徑在(^ηα) d_(i)范圍內(nèi)隨機(jī)均勻分布的Ni個(gè)球單元；(206)重復(fù)步驟(202)-(205)，實(shí)現(xiàn)帶有級(jí)配特征的η檔球單元的隨機(jī)生成；

(207)對(duì)生成的所有基骨料單元體積求和，將所求結(jié)果與該檔集料實(shí)際體積比較，若球單元體積之和較大，則刪除多余單元；反之，按照上述步驟補(bǔ)充，直到滿足實(shí)際體積。再者，步驟(40)中所述集料單元生成方法為:(4011)定義處理區(qū)域?yàn)榱⒎襟w,帶有級(jí)配特征的基骨料單元圓心0(χ。，γ。, ζ。)和直徑2R分別為立方體的中心和邊長(zhǎng)，隨機(jī)生成切割面Π的一個(gè)法向量法向量η的方向余Slj = (Cosa1CosACosr)^m, α、β和γ分別為向量〃與坐標(biāo)軸的夾角；(4012)立方體中心坐標(biāo)0“。，7。，2。)到切割面Π之間的距離為c = R ■ cos (O = R ■ cosir/ x urand), ζ φ, urand為區(qū)間(O, I)上均勻分布的偽隨機(jī)數(shù)，R為基
骨料單元的半徑為設(shè)定角度，0<ω<φ , 0<φ<π/2 , Κοο5ψ<ξ<Κ.,(4013)以ξ作為線段_的長(zhǎng)度， 作為線段方向，則線段(^與切割面Π的交點(diǎn)Mjx。，y。，zc)的坐標(biāo)通過(guò)下式確定:xc = X0+ ξ X cos a , yc = yo+ ξ X cos β , Zc = Z0+ ξ X cos Y ；(4014)執(zhí)行m次步驟(4011)- (4013)隨機(jī)生成m個(gè)切割面，刪除立方體區(qū)域內(nèi)，但在由切割面或切割面和立方體的面包圍并包含立方體中心的區(qū)域外的單元球，剩下的單元球組成的多面體為集料單元。步驟(40)中所述集料單元還有一種生成方法為:(4021)定義處理區(qū)域?yàn)闄E球形，其中，基骨料單元的球心坐標(biāo)和直徑分別為橢球的球心坐標(biāo)和長(zhǎng)軸，并設(shè)定生成后的集料單元的圓弧度S1、扁平度FR ；(4022)將步驟(4021)中設(shè)置的值代入集料單元的圓弧度SI和扁平度FR的計(jì)算公式中獲得橢球的短軸和第三條軸的長(zhǎng)度，其中，
權(quán)利要求
1.一種隨機(jī)構(gòu)建浙青混合料多層次結(jié)構(gòu)仿真模型的方法，其特征在于，包括以下步驟: (10)在建模平臺(tái)上生成三個(gè)預(yù)設(shè)空間，并定義生成的浙青混合料中浙青含量和空隙率； (20)在第一預(yù)設(shè)空間內(nèi)隨機(jī)生成帶有級(jí)配特征的基骨料單元球； (30)在第二預(yù)設(shè)空間內(nèi)生成體積相等并規(guī)則排列的單元球； (40)根據(jù)步驟(20)中帶有級(jí)配特征的基骨料單元圓心坐標(biāo)和半徑在第二預(yù)設(shè)空間內(nèi)定義處理區(qū)域，對(duì)處理區(qū)域進(jìn)行不規(guī)則處理后生成集料單元； (50 )在第三預(yù)設(shè)空間內(nèi)生成與步驟(40 )中生成的集料單元相同的集料單元，在集料單元外的空間內(nèi)隨機(jī)生成不同半徑的空隙單元球； (60)將第三預(yù)設(shè)空間內(nèi)生成的空隙單元球位置和大小的信息輸入到第二預(yù)設(shè)空間內(nèi)，將包含在空隙單元球內(nèi)部的單元球刪除。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種隨機(jī)構(gòu)建浙青混合料多層次結(jié)構(gòu)仿真模型的方法，其特征在于，步驟(20)中所述生成帶有級(jí)配特征的基骨料單元球的方法為:(201)定義集料與浙青膠楽:的劃分粒徑dagg_mas,粒徑大于劃分粒徑dagg_mas的集料由η檔料組成，根據(jù)要生成浙青混合料中集料的百分比獲得粒徑大于dagg_mas的粗集料的體積Vagg ；(202)根據(jù)第i檔集料的體積百分比獲得第i檔集料的體積Vagg+i=l, 2...，η ； (203)第i檔集料中最大粒徑為dmax(i)，最小粒徑為dmin(i)，將該檔集料的平均粒徑作為球單元的直徑，計(jì)算一個(gè)基骨料單元的體積Vmh ； (204)根據(jù)(VaggHZXalH)計(jì)算得到第i檔基骨料單元的生成數(shù)量Ni； (205)在第一預(yù)設(shè)空間內(nèi)生成隨機(jī)分布、互不重疊的，直徑在dmin(i) dmax(i)范圍內(nèi)隨機(jī)均勻分布的Ni個(gè)球單元； (206)重復(fù)步驟(202)-(205)，實(shí)現(xiàn)帶有級(jí)配特征的η檔球單元的隨機(jī)生成； (207)對(duì)生成的所有基骨料單元體積求和，將所求結(jié)果與該檔集料實(shí)際體積比較，若球單元體積之和較大，則刪除多余單元；反之，按照上述步驟補(bǔ)充，直到滿足實(shí)際體積。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種隨機(jī)構(gòu)建浙青混合料多層次結(jié)構(gòu)仿真模型的方法，其特征在于:步驟(40)中所述集料單元生成方法為: (4011)定義處理區(qū)域?yàn)榱⒎襟w,帶有級(jí)配特征的基骨料單元圓心0(χ。，γ。,ζ0)和直徑2R分別為立方體的中心和邊長(zhǎng)，隨機(jī)生成切割面Π的一個(gè)法向量《,法向量》的方向余弦i = (cosa，cos/3,cos;/)，式中，α、β和Y分別為向量g與坐標(biāo)軸的夾角；(4012)立方體中心坐標(biāo)(Κχ^μΖ。)到切割面Π之間的距離為= A》_cosw =/LcosO^xi/raw/) ’式中，urand為區(qū)間(0，I)上均勻分布的偽隨機(jī)數(shù)，R為基骨料單兀的半徑；φ為設(shè)定角度，0<0<爐，0<φ< π/2，R cos φ < c < R ; (4013)以ξ作為線段_的長(zhǎng)度，7作為線段方向，則線段δ ξ與切割面Π的交點(diǎn)Mc (xc, y。，zc)的坐標(biāo)通過(guò)下式確定: xc = χ0+ ξ X cos a , yc = y0+ ξ X cos β，zc = z。+ ξ X cos y ；(4014)執(zhí)行m次步驟(4011)-(4013)隨機(jī)生成m個(gè)切割面，刪除立方體區(qū)域內(nèi)，但在由切割面或切割面和立方體的面包圍并包含立方體中心的區(qū)域外的單元球，剩下的單元球組成的多面體為集料單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種隨機(jī)構(gòu)建浙青混合料多層次結(jié)構(gòu)仿真模型的方法，其特征在于:步驟(40)中所述集料單元生成方法為: (4021)定義處理區(qū)域?yàn)闄E球形，其中，基骨料單元的球心坐標(biāo)和直徑分別為橢球的球心坐標(biāo)和長(zhǎng)軸，并設(shè)定生成后的集料單元的圓弧度S1、扁平度FR ； (4022)將步驟(4021)中設(shè)置的值代入集料單元的圓弧度SI和扁平度FR的計(jì)算公式中獲得橢球的短軸和第三條軸的長(zhǎng)度，其中，=
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種隨機(jī)構(gòu)建浙青混合料多層次結(jié)構(gòu)仿真模型的方法，其特征在于:還包括對(duì)生成的集料單元進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)整，檢測(cè)方法為:首先找到與浙青單元接觸的部分作為邊緣球單元；其次，假設(shè)共有k個(gè)邊緣球，利用兩向量夾角余弦的計(jì)算公式，得到形心 O (X。，y0, z0)、邊緣球 A1 (X1, Y1, Z1)、A2(x2, y2, z2)…Ak(xk, yk, zk)之間組成的向量OA,、OA1 …之間的夾角廣 A1OA2 Z A1OA3-Z A1OAk, Z A2OA3 Z A2OAf.Z A2OAk,...，ZAk^1 ZAlrfOAkVAlriOAk,計(jì)算夾角大于90°的兩個(gè)邊緣球之間距離，將距離最大值作為集料的粒徑，與各級(jí)配范圍的下限比較，若粒徑小于級(jí)配范圍的下限，減小模型的φ值，重復(fù)步驟(20 )、( 30 )和檢測(cè)步驟，直至集料單元符合級(jí)配要求。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種隨機(jī)構(gòu)建瀝青混合料多層次結(jié)構(gòu)仿真模型的方法，通過(guò)在不同預(yù)設(shè)空間內(nèi)定義生成不同體積、不同級(jí)配特征的單元，通過(guò)對(duì)每個(gè)預(yù)設(shè)空間內(nèi)的單元相互組合并處理，最后建立瀝青混合料多層次結(jié)構(gòu)仿真模型，本發(fā)明使得瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型的建立能夠擺脫試驗(yàn)設(shè)備與圖像處理技術(shù)等條件的束縛，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)空隙的捕捉，降低了試驗(yàn)的復(fù)雜性，也降低了試驗(yàn)的成本。
文檔編號(hào)G06F17/50GK103218480SQ201310091679
公開(kāi)日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2013年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月20日
發(fā)明者錢(qián)振東, 王江洋, 胡靖 申請(qǐng)人:東南大學(xué)