一种考虑集料特征的三维随机数字试件生成方法与流程

本发明涉及沥青混合料三维离散元仿真技术，尤其涉及一种考虑集料特征的三维随机数字试件生成方法。
背景技术：
：沥青混合料不是传统力学所假定的均质材料，作为一种多相材料，其力学性质应由各组分(集料、沥青砂浆和空隙等)的性质和特征共同决定。其中，集料具有复杂的几何形状，目前技术成果也多集中于此，但是其生成算法很少引入真实集料特征的相关性参数，从而导致模型构建与实际情况仍存在一定差距。同时，建立细致入微的集料网络模型需要数目众多的细小单元，势必会大大增加运行所需内存，在现有计算机条件下这种方法不可取，因此还需对集料特征参数和混合料模型进行适当简化。技术实现要素：本发明的目的在于克服上述技术中存在的不足，提供一种考虑真实集料特征(投影面多边形和长短轴率)的沥青混合料数字试件生成方法，能够快速、有效地模拟沥青混合料三相空间结构和力学性能。为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种考虑集料特征的三维随机数字试件生成方法，包括以下步骤：步骤1，通过数字图像技术或人工测量的方法，获取集料特征及统计参数。步骤2，建立与指定粒径球体相内接的单个集料基本模型。步骤3，通过编写函数设置随机平面，对基本模型进行平面切割，以获得更加复杂的集料空间结构。步骤4，采用gen均匀算法投放级配颗粒，并利用不规则集料进行替换。步骤5，通过步骤4将不规则集料依次投放，并进行多次循环使粗集料堆积体达到指定高度。步骤6，生成规则排列(相互接触但不重叠)颗粒，重构三相随机数字试件。进一步的，在步骤1中获得的不同粒径区间的集料特征包括特征投影面的多边形边数和集料的长短轴率，并对统计结果进行正态曲线回归得到特征参数。进一步的，在步骤2中所假定集料的基本模型为以正方形为底面的长方体，其正方形边长可通过集料最大粒径和填充单元半径关系利用均匀分布随机确定，而模型的高则采用高轴比的正态分布函数来决定。进一步的，在步骤3中进行一次切割可得到五边形投影面，若重复切割步骤则可得到具有六边形、七边形和八边形的集料投影平面，通过对每次随机数θ的取值范围进行控制，经测试表明需各随机数均相差至少0.1，以保证每次切割的有效性。进一步的，在步骤4中所述替换方法是，首先导出各球的坐标，然后通过编制程序用由步骤2和步骤3得到的不规则集料替代已生成的球体，其中集料位置由其基本单元的内接球的球心来确定，可旋转一定角度。进一步的，在步骤5中的集料堆积体预设投放空间应为指定试件高度的2.0～3.0倍，控制上部墙体对试件进行压缩，直至达到预设试件高度，并通过其接触平均接触力小于0.01kn来判断试件平衡。进一步的，在步骤6中的三相重构方法为，通过判断生成颗粒单元与原集料颗粒集合是否重叠，若重叠则定义为集料单元，反之为砂浆单元，最后随机删除一定数量的颗粒以实现预设的空隙率。有益效果：本发明提供的一种考虑集料特征的三维随机数字试件生成方法，以集料特征和正态统计结果作为现实基础，利用简单集料模型和切割算法可以非常便捷、有效地实现三维不规则集料的投放，并结合沥青混合料的三相组分原理，可以构建出符合真实沥青混合料的细观结构。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为实施例中集料基本模型；图2为实施例中模型平面切割示意图；图3为实施例中集料分级替换流程图；图4为实施例中集料堆积平衡示意图；图5为沥青混合料三相数字试件示意图；具体实施方式下面结合附图对本发明做进一步的说明。一种考虑集料特征的三维随机数字试件生成方法，包括以下步骤：步骤1，通过数字图像技术或人工测量的方法，获取集料特征及统计参数。步骤2，建立与指定粒径球体相内接的单个集料基本模型。步骤3，通过编写函数设置随机平面，对基本模型进行平面切割，以获得更加复杂的集料空间结构。步骤4，采用gen均匀算法投放级配颗粒，并利用不规则集料进行替换。步骤5，通过步骤4将不规则集料依次投放，并进行多次循环使粗集料堆积体达到指定高度。步骤6，生成规则排列(相互接触但不重叠)颗粒，重构三相随机数字试件。在步骤1中获得的不同粒径区间的集料特征包括特征投影面的多边形边数和集料的长短轴率，并对统计结果进行正态曲线回归得到特征参数。在步骤2中所假定集料的基本模型为以正方形为底面的长方体，其正方形边长可通过集料最大粒径和填充单元半径关系利用均匀分布随机确定，而模型的高则采用高轴比的正态分布函数来决定。在步骤3中进行一次切割可得到五边形投影面，若重复切割步骤则可得到具有六边形、七边形和八边形的集料投影平面，通过对每次随机数θ的取值范围进行控制，经测试表明需各随机数均相差至少0.1，以保证每次切割的有效性。在步骤4中所述替换方法是，首先导出各球的坐标，然后通过编制程序用由步骤2和步骤3得到的不规则集料替代已生成的球体，其中集料位置由其基本单元的内接球的球心来确定，可旋转一定角度。在步骤5中的集料堆积体预设投放空间应为指定试件高度的2.0～3.0倍，控制上部墙体对试件进行压缩，直至达到预设试件高度，并通过其接触平均接触力小于0.01kn来判断试件平衡。在步骤6中的三相重构方法为，通过判断生成颗粒单元与原集料颗粒集合是否重叠，若重叠则定义为集料单元，反之为砂浆单元，最后随机删除一定数量的颗粒以实现预设的空隙率。实施例以沥青混合料ac-20的数字试件生成为例并结合附图详细说明本发明的实施步骤。沥青混合料ac-20的级配见表1.表1沥青混合料ac-20级配表筛孔(mm)191613.29.54.75<4.75分计筛余通过率(％)2.410.616.613.720.236.5具体的沥青混合料数字试件建模过程如下：1)获取集料特征及统计参数为保证调查样本的代表性，虽然无法就调查的所有个体进行研究，但需要就样本总体进行随机抽取，考虑到一个沥青混合料试件所需的集料数目，设置最大公称粒径为19mm区间档的集料抽取100个，其他粒径不小于4.75mm的各档集料取样分别为200个。利用图像法确定不同粒径集料投影面多边形边数的分布规律，并通过人工使用游标卡尺测量得到集料最大横断面高度以及集料的最大轴线长度，得出两者比值的关系分布。采用式(1)对两者统计数据进行正态分布曲线拟合，得到相应的正态统计参数。2)单个集料基本模型将集料的空间结构看作是在特定半径的球体内部以正方形为底面的长方体，正方形边长可通过集料最大粒径和填充单元半径关系利用均匀分布随机确定，见式(2)，矩形的高则采用高轴比的正态分布函数来决定，见式(3)，采用填充单元按照规则排列重叠生成模型，其球心的间距为1倍半径，集料基本单元如图1所示。式中，int()为整型函数；urand()为0到1的均匀分布随机变量；rmax为集料最大粒径；rfill为填充单元半径。式中，y0为初始值；a为放大系数；grand(xc,w2)为对应真实集料粒径范围的正态分布随机变量，取值范围在1.0到3.5之间，其中xc为均值，w2为方差。为保证生成随机集料在规定级配段内，根据粒径范围[rmax,rmin]，还需加入一个判断机制，见式(4)，如不满足条件则重复上述步骤，重新生成随机参数。rmin2＜l底2+h2＜rmax2(4)3)进行平面切割如图2所示，为模型切割示意图，通过以体心o为球心，以模型高为直径的内切球面上任意一点以及体心到该点外法线方向确定切割平面，为保证切割面能与底面相交，球面上的随机点需位于体心之上且高度不能超过某一限制，通过图形近似求解可得到球面随机点的变化范围，具体推导过程如下。假设p(x1,y1,z1)为模型内切球上的任意点，点o(x0,y0,z0)为模型长方体的体心，则向量op为(x1-x0,y1-y0,z1-z0)，可确定截面方程为式(5)所示。(x1-x0)(x-x1)+(y1-y0)(y-y1)+(z1-z0)(z-z1)＝0(5)结合模型的几何特征和随机点的约束范围，可得到p点各坐标的随机生成公式，见式(6)、式(7)和式(8)。y1＝y0+0.5hsin(2πθ)(7)x1＝x0+0.5hcos(2πθ)(8)式中，θ为服从0-1均匀分布的随机数。进行一次切割可得到五边形投影面，若重复切割步骤则可得到具有六边形、七边形和八边形的集料投影平面，通过对每次随机数θ的取值范围进行控制，经测试表明需各随机数均相差至少0.1，以保证每次切割的有效性。4)级配投放与替换建立100mm×100mm的三维沥青混合料圆柱体试件。将粒径大于4.75mm的矿料定义为粗集料，其余部分则简化为沥青砂浆和空隙。然后，通过沥青混合料的油石比、空隙率以及矿料级配等参数计算出各档粗集料的体积，具体投放流程见图3，为保证投放空间足够大且不至于颗粒溢出，经过调试可将初始试件尺寸预设为高250mm，直径为100mm的圆柱体空间。在第i档集料投放过程中，先通过gen随机生成n个以最大公称粒径为直径的球体(总质量为该档集料的设定质量)，然后导出各球的坐标，通过编制程序用随机数字集料替代已生成的球体，并计算生成集料的总质量，判断是否到达设定质量，若替换完成后仍未达到，则重复上述操作继续生成球体和集料，该档集料投放完成后按照步骤依次投放和生成随机集料。5)粗集料堆积与平衡通过步骤4进行粗集料投放，然后控制上部墙体，以恒定速度(0.01m/s)对试件进行压缩，为了保证压实充分，可以在墙体上附加一定频率的振动(5khz，振幅不大于0.1mm)，直至高度降为100±0.1mm，多次循环使粗集料颗粒趋于平衡，如图4所示。6)重构三相随机数字试件。在粗集料骨架的基础上，在试件空间内从下到上逐层生成规则排列(相互接触但不重叠)的单一粒径的颗粒单元，根据计算机运行效率，设置颗粒直径为2.5mm，共49520个颗粒。编写fish函数判断生成颗粒单元与原集料颗粒集合是否重叠，若重叠则定义为集料单元，反之为砂浆单元，并将单个集料颗粒集合范围内的所有颗粒单元分别定义为一个clump块。通过改变颗粒颜色和range命令，将规则排列的颗粒单元分别赋予集料和砂浆相对应的物理属性，并删除原集料颗粒集合。同时对于沥青混合料虚拟模型，仍需要考虑空隙组分的作用，在规则颗粒单元中随机删除一定数量的颗粒以实现预设的空隙率要求。如图5所示，为得到的最终三维随机沥青混合料数字试件离散元模型。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。当前第1页12