本发明涉及沥青混合料离散元仿真技术，尤其涉及基于随机生成的沥青混合料疲劳试验数值模拟方法，属于道路工程技术领域。
背景技术：
要模拟预估沥青混合料的疲劳寿命，首先需要获取密实的沥青混合料试件。在利用离散单元法建模时通常是在已知级配、油石比以及空隙率条件下准备试件。如果上述条件已知，即可根据各组成成分的比例建立沥青混合料疲劳试件进行三维尺度的疲劳试验加载。要知道为了避免宏观疲劳试验结果的差异性较大而影响试验结果的可靠性，每种混合料试件需要进行多组平行试验，这样既耗时又增加成本，试验结果也并不理想。而且，为了特定的研究目的，需要生成由特定的集料和空隙分布组成的沥青混合料试样，这种特定组成分布的试样无法通过室内试验控制生成。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种基于随机生成的沥青混合料疲劳试验数值模拟方法，是一种在已知级配、油石比以及空隙率条件下的沥青混合料离散元虚拟疲劳试验方法，能够快速地得到特定的粗集料和空隙分布的沥青混合料离散元试样，利用伺服控制机制加载预估沥青混合料的疲劳寿命，以解决目前宏观疲劳试验高成本、耗时以及试验结果波动性的问题。
本发明采用的技术方案为：一种基于随机生成的沥青混合料疲劳试验数值模拟方法，包括如下步骤：
(1)根据室内疲劳试验建立虚拟小梁空间：开始后先根据室内疲劳试验建立虚拟小梁空间，具体又分为两部分，一是生成规则排列的小球填充试件空间，二是集料不规则形状生成：先根据沥青混合料的设计级配生成粗集料球单元，确定粗集料互不重叠，确定沥青砂浆粗集料最小离散单元尺寸，再基于随机平面切割程序生成不规则粗集料，用沥青砂浆填充切割后的粗集料间隙；
(2)确定沥青砂浆级配和油砂比：根据沥青混合料的级配和油石比确定沥青砂浆级配和沥青在沥青砂浆中的用量；
(3)确定与砂浆接触处的材料参数：根据沥青砂浆单轴蠕变试验和劈裂试验，获取相关粘弹性参数和劈裂强度；
(4)根据空隙率和空隙分布生成虚拟空隙结构：确定空隙率、空隙分布、空隙取向、单个空隙尺寸，生成空隙；
(5)模拟室内试验装置固定条件：采用三分点加载形式，建立与室内试验尺寸和位置相同的虚拟小梁加载压头和小梁支座，约束试件两端顶部和底部的竖向自由度；
(6)确定虚拟控制加载模式：虚拟疲劳试验的荷载控制模式采用应力控制或应变控制，在进行模拟试验时，通过实时调整加载墙体的速度进行正弦波或偏正弦波加载，连续加载或间接加载，采用虚拟“墙”加载，离散元模型中的应力、应变、时间以及接触力均通过“HISTORY”算法实时监测；
(7)应用伺服机制进行加载：通过伺服控制程序，实时调整小梁三分点位置处加载“墙”的移动速度使加载接触处的轴向应力或应变达到目标设定值，进行伺服控制加载；
(8)疲劳失效判断：将虚拟疲劳试验试件竖向断面的粘结失效数量达到断面总粘结数量的50％时的状态定义为疲劳破坏，当达到疲劳破坏时试验结束。
所述步骤(1)中，生成规则排列的小球填充试件空间具体是：生成试件空间，根据集料级配确定每档集料的等效球单元粒径和数量，运用随机投放算法生成级配球单元，为生成多面体集料提供空间几何信息；集料的等效球单元粒径为该档集料级配球单元的粒径，级配球单元的个数通过各档集料的体积分数确定，集料预先以等粒径的球单元投放到虚拟试件中，并提取球单元的几何信息作为多面体集料的初始生成参数。
所述步骤(1)中，集料不规则形状生成具体是：建立与等效集料粒径相同的正六面体，采用随机平面切割正六面体得到具有形状和棱角特征的不规则多面体集料，集料的长细比、棱角通过控制切割面的数量和切割函数形式确定，将沥青砂浆视为粒径统一的离散单元，规则排列地填充试件内部的间隙。
所述步骤(2)中，砂浆的级配由2.36mm以下各档集料的分计筛余计算获取，根据正比例裹附的原则，采用比表面积法确定沥青砂浆中沥青和细集料的相互比例关系。
所述步骤(3)中，采用振荡成型方法来制备沥青砂浆试件，在砂浆试件脱模时严格控制温度在10℃以下存放，并在模具内侧涂抹高粘度的机油，使成型的沥青砂浆试件基本符合蠕变试验的要求，采用沥青砂浆静载蠕变试验获取蠕变曲线，采用沥青砂浆劈裂试验获取劈裂强度。
所述步骤(3)中，采用粘弹性材料本构模型拟合砂浆的蠕变曲线得到粘弹性参数，通过宏观参数与细观参数的转化关系得到沥青砂浆的粘弹性细观接触参数和颗粒间的细观接触粘结强度。
所述步骤(4)中，用X-ray断层扫描技术分析轮碾成型的车辙板经过切割得到的小梁试件分布特征，并获取了试件沿深度方向的面空隙率统计结果，拟合统计结果，采用拟合函数进行空隙建模，删除一定数量的沥青砂浆单元作为空隙结构以达到目标空隙率。
所述步骤(7)中，墙体的控制加载是通过伺服控制程序来实现的，伺服控制机制是通过控制墙体的速度从而达到控制墙体应力或应变的实时变化，应力加载控制模式下，墙体的应力通过伺服机制实时调整加载墙的速度来减小监测应力σmeasured和所需施加的目标应力σrequired之差Δσ实现，G为速度调节的最大增益参数，墙体的速度方程计算如式(1)：
所述步骤(7)中，目标应力的实时变化引起墙体加载速率的变化，墙体加载速率的变化又触发下一时步与墙体监测应力的变化，以此往复循环得到趋近于正弦波加载的控制应力模式加载。
所述步骤(8)中，参照室内试验两种加载模式下的疲劳失效标准，将试件底部三分点之间的最大拉应变增大到初始应变的2倍时的状态定义为疲劳破坏，这种状态与虚拟疲劳试验试件竖向断面的粘结失效数量达到断面总粘结数量的50％相对应。
有益效果：本发明提供的沥青混合料离散元疲劳试验方法，通过随机试件生成，实现了所述沥青混合料三维形态重构，可以模拟多种级配、多种空隙率以及多种性质的沥青(基质或改性)混合料三维重构，极大的提高了数字试件重构的效率和准确度，通过疲劳试验数值模拟方法，可是实现宏观疲劳试验控制加载模式，在内部材料的基本参数确定的条件下，不仅能够预估不同种类的沥青混合料的疲劳寿命，而且可以对比同种沥青混合料在细观组成结构和分布不同时引起的疲劳寿命结果差异性，更好的解释了宏观疲劳试验平行试件之间试验结果存在差异的原因。
附图说明
图1为本发明方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
一种基于随机生成的沥青混合料疲劳试验数值模拟方法，包括如下步骤：
(1)生成具有级配特征的球单元：生成试件空间，根据集料级配确定每档集料的等效球单元粒径和数量，运用随机投放算法生成级配球单元，为生成多面体集料提供空间几何信息。
(2)集料不规则形状生成：生成不规则粗集料，确定粗集料互不重叠，确定沥青砂浆最小离散单元尺寸，填充沥青砂浆；
(3)根据沥青混合料的级配确定沥青砂浆级配和沥青在沥青砂浆中的用量；
(4)材料参数获取：根据沥青砂浆蠕变试验和劈裂试验，获取相关材料参数；
(5)空隙生成：确定空隙率、空隙分布、空隙取向、单个空隙尺寸，生成空隙；
(6)建立与室内试验尺寸和位置相同的虚拟小梁加载压头和小梁支座，约束试件两端顶部和底部的竖向自由度；
(7)确定虚拟加载模式：应力控制或应变控制，正弦波或偏正弦波，连续加载或间接加载，采用虚拟“墙”加载；
(8)应用伺服机制加载：通过伺服控制程序，实时调整小梁三分点位置处加载“墙”的移动速度使加载接触处的轴向应力或应变达到目标设定值，进行伺服控制加载
(9)虚拟疲劳失效准则确定：将虚拟疲劳试验试件竖向断面的粘结失效数量达到断面总粘结数量的50％时的状态定义为疲劳破坏。
所述步骤(1)中，集料的等效粒径为该档集料级配球单元的粒径，级配球单元的个数通过各档集料的体积分数确定，集料预先以等粒径的球单元投放到虚拟试件中，并提取球单元的几何信息作为多面体集料的初始生成参数。
所述步骤(2)中，建立与等效集料粒径相同的正六面体，采用随机平面切割正六面体得到具有形状和棱角特征的不规则多面体集料，集料的长细比、棱角可以通过控制切割面的数量和切割函数形式确定，将沥青砂浆视为粒径统一的离散单元，规则排列地填充试件内部的间隙。
所述步骤(3)中，砂浆的级配可以由2.36mm以下各档集料的分计筛余计算获取，根据正比例裹附的原则，采用比表面积法确定沥青砂浆中沥青和细集料的相互比例关系。
所述步骤(4)中，采用振荡成型方法来制备沥青砂浆试件，在砂浆试件脱模时严格控制温度在10℃以下存放，并在模具内侧涂抹高粘度的机油，使成型的沥青砂浆试件基本符合蠕变试验的要求，采用沥青砂浆静载蠕变试验获取蠕变曲线，采用沥青砂浆劈裂试验获取劈裂强度；采用粘弹性本构模型拟合砂浆的蠕变曲线得到粘弹性参数，通过宏观参数与细观参数的转化关系得到沥青砂浆的粘弹性细观接触参数和颗粒间的细观接触粘结强度。
所述步骤(5)中，用X-ray断层扫描技术分析轮碾成型的车辙板经过切割得到的小梁试件分布特征，并获取了试件沿深度方向的面空隙率统计结果，拟合统计结果，采用拟合函数进行空隙建模，删除一定数量的沥青砂浆单元作为空隙结构以达到目标空隙率。
所述步骤(6)中，采用三分点加载形式，加载压头的作用位置与室内试验相一致，小梁、支座和压头的尺寸均与真实情况相同，此外固定小梁左右两端顶部和底部的位置，以模拟室内试验装置的控制条件。
所述步骤(7)中，虚拟疲劳试验的荷载控制模式可采用控制应力模式或控制应变模式，在进行模拟试验时，通过实时调整加载墙体的速度进行正弦波或偏正弦波加载，离散元模型中的应力、应变、时间以及接触力均可以通过“HISTORY”算法实时监测。
所述步骤(8)中，墙体的控制加载是通过伺服控制程序来实现的，伺服控制机制是通过控制墙体的速度从而达到控制墙体应力或应变的实时变化。以应力加载控制模式为例，墙体的应力通过伺服机制实时调整加载墙的速度来减小监测应力σmeasured和所需施加的目标应力σrequired之差实现，G为速度调节的最大增益参数，墙体的速度方程计算如(1)，目标应力的实时变化会引起墙体加载速率的变化，墙体加载速率的变化又将触发下一时步与墙体监测应力的变化，以此往复循环可得到趋近于正弦波加载的控制应力模式加载。
所述步骤(9)中，参照室内试验两种加载模式下的疲劳失效标准，将试件底部三分点之间的最大拉应变增大到初始应变的2倍时的状态定义为疲劳破坏，这种状态与虚拟疲劳试验试件竖向断面的粘结失效数量达到断面总粘结数量的50％相对应。
实施例
如图1所示，一种基于随机生成的沥青混合料疲劳试验数值模拟方法，，包括如下步骤：
(1)根据室内疲劳试验建立虚拟小梁空间：开始后先根据室内疲劳试验建立虚拟小梁空间，具体又分为两部分，一是生成具有级配特征的球单元也就是生成规则排列的小球填充试件空间，生成试件空间，根据集料级配确定每档集料的等效球单元粒径和数量，运用随机投放算法生成级配球单元，为生成多面体集料提供空间几何信息。集料的等效球单元粒径为该档集料级配球单元的粒径，级配球单元的个数通过各档集料的体积分数确定，集料预先以等粒径的球单元投放到虚拟试件中，并提取球单元的几何信息作为多面体集料的初始生成参数。二是集料不规则形状生成：先是根据沥青混合料的设计级配生成粗集料球单元，然后再基于随机平面切割程序生成不规则粗集料。建立与等效集料粒径相同的正六面体，采用随机平面切割正六面体得到具有形状和棱角特征的不规则多面体集料，确定粗集料互不重叠，集料的长细比、棱角可以通过控制切割面的数量和切割函数形式确定，将沥青砂浆视为粒径统一的离散单元，确定沥青砂浆最小离散单元尺寸，规则排列地填充试件内部的间隙。
(2)确定沥青砂浆级配和油砂比：根据沥青混合料的级配确定沥青砂浆级配和沥青在沥青砂浆中的用量，砂浆的级配可以由2.36mm以下各档集料的分计筛余计算获取，根据正比例裹附的原则，采用比表面积法确定沥青砂浆中沥青和细集料的相互比例关系；
(3)确定与砂浆接触处的材料参数：采用振荡成型方法来制备沥青砂浆试件，在砂浆试件脱模时严格控制温度在10℃以下存放，并在模具内侧涂抹高粘度的机油，使成型的沥青砂浆试件基本符合蠕变试验的要求，采用沥青砂浆静载蠕变试验获取蠕变曲线，采用沥青砂浆劈裂试验获取劈裂强度；采用粘弹性本构模型拟合砂浆的蠕变曲线得到粘弹性参数，通过宏观参数与细观参数的转化关系得到沥青砂浆的粘弹性细观接触参数和颗粒间的细观接触粘结强度。
(4)根据空隙率和空隙分布生成虚拟空隙结构：用X-ray断层扫描技术分析轮碾成型的车辙板经过切割得到的小梁试件分布特征，确定空隙率、空隙分布、空隙取向、单个空隙尺寸，并获取了试件沿深度方向的面空隙率统计结果，拟合统计结果，采用拟合函数进行空隙建模，删除一定数量的沥青砂浆单元作为空隙结构以达到目标空隙率；
(5)模拟室内试验装置固定条件：采用三分点加载形式，加载压头的作用位置与室内试验相一致，小梁、支座和压头的尺寸均与真实情况相同，此外固定小梁左右两端顶部和底部的位置，约束试件两端顶部和底部的竖向自由度，以模拟室内试验装置的控制条件；
(6)确定虚拟加载模式：虚拟疲劳试验的荷载控制模式可采用控制应力模式或控制应变模式，在进行模拟试验时，通过实时调整加载墙体的速度进行正弦波或偏正弦波加载，连续加载或间接加载，离散元模型中的应力、应变、时间以及接触力均可以通过“HISTORY”算法实时监测；
(7)应用伺服机制进行加载：墙体的控制加载是通过伺服控制程序来实现的，伺服控制机制是通过控制墙体的速度从而达到控制墙体应力或应变的实时变化。以应力加载控制模式为例，墙体的应力通过伺服机制实时调整加载墙的速度来减小监测应力σmeasured和所需施加的目标应力σrequired之差实现，G为速度调节的最大增益参数，墙体的速度方程计算如(1)，目标应力的实时变化会引起墙体加载速率的变化，墙体加载速率的变化又将触发下一时步与墙体监测应力的变化，以此往复循环可得到趋近于正弦波加载的控制应力模式加载；
(8)疲劳失效判断：参照室内试验两种加载模式下的疲劳失效标准，将试件底部三分点之间的最大拉应变增大到初始应变的2倍时的状态定义为疲劳破坏，这种状态与虚拟疲劳试验试件竖向断面的粘结失效数量达到断面总粘结数量的50％相对应。达到疲劳破坏时试验结束。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。