一种沥青混合料高温性能虚拟车辙试验方法与流程

本发明涉及沥青混合料虚拟试验技术领域，特别是涉及一种沥青混合料高温性能虚拟车辙试验方法。

背景技术

随着我国经济的快速发展，高速公路的建设事业突飞猛进，沥青路面由于其施工机械化程度高、使用性能优良等特点，不仅成为我国高速公路的主要路面结构形式，也在各等级道路上得以广泛应用。然而，近年来我国公路交通量迅速增加，并呈现重载化，车辙已成为沥青路面主要病害之一，严重影响驾驶员行车安全与舒适性。基于此，国内外的道路工作者对沥青混合料高温性能进行了大量的研究工作，其中车辙试验作为主要的高温性能评价方式被广泛采用。然而车辙试验作为一种物理试验，需要昂贵的试验仪器，占用场地，耗费大量的资金，试验周期较长，而且试验的重复性和再现性较差，在一定程度上制约了科研与教学工作的进行。

虚拟试验是指在计算机系统中采用软件代替部分硬件或全部硬件来建立各种虚拟的试验环境，使试验者可以如同在真实的环境中一样完成各种预定的试验项目，使所取得的试验效果接近或等价于在真实环境中所取得的效果。虚拟试验技术在上世纪八十年代开始兴起，在国防军工、汽车、轨道等领域进行了大量的应用，并取得了较好的效果。虚拟试验可以大幅度减少试验样品制造次数，缩短试验周期，同时降低试验成本。虚拟试验技术代替真实试验解决了试验受场地、时间的限制，可对试验过程进行回放、重复和再现。

目前，虚拟试验在沥青混合料高温性能领域的研究中鲜有应用，如何开发出一整套简单、快速、高效的沥青混合料高温性能虚拟车辙试验方法是目前亟待解决的问题。

技术实现要素：

技术问题：为了解决沥青混合料高温性能评价所面临的物理试验仪器昂贵且占用场地、资金耗费较大、试验周期较长以及试验的重复性和再现性较差等缺点，本发明提出了一种沥青混合料高温性能虚拟车辙试验方法，该方法可以大幅度缩短试验周期，降低试验成本，解决试验受场地、时间限制的问题，可对试验过程进行回放、重复和再现。

技术方案：本发明一种沥青混合料高温性能虚拟车辙试验方法包括以下步骤：

1)材料配合比参数输入：根据沥青混合料试验室配合比试验结果，得到各档粗集料质量与空隙率，并根据集料密度计算得到各档粗集料体积，为后续虚拟车辙试件的重构提供关键参数；

2)虚拟车辙试件重构：根据已得到的各档粗集料体积、空隙率以及本次车辙试件的具体尺寸作为虚拟车辙试件重构的关键输入参数，采用离散单元法生成具有目标级配与体积的粗集料，在粗集料间隙内均匀填充沥青砂浆单元，并根据目标空隙率大小删除对应数量的沥青砂浆单元形成空隙结构，构建沥青混合料虚拟车辙试件；

3)材料微观模型参数输入：将试验室获取的粗集料与沥青砂浆的宏观材料参数作为初始材料参数，并根据材料宏观参数与微观模型参数的转化关系，将材料宏观参数转化为微观模型参数；

4)虚拟试验加载环境设置：将虚拟车辙试件的厚度尺寸与所施加目标荷载大小作为加载环境输入参数，根据车辙试件的厚度尺寸调整虚拟加载试验轮的位置，根据所施加目标荷载的大小，通过控制虚拟加载试验轮上施加的竖向力的大小对虚拟车辙试件进行加载；

5)虚拟试验监测系统设置：根据研究需求定义虚拟车辙试验过程中需进行实时监测的指标与变量，在虚拟车辙试验过程中进行实时监测；

6)虚拟试验运行：待上述准备工作完成后，运行虚拟车辙试验，并在试验过程中，对所需监测的各指标与变量进行实时监控，对试验过程中出现的异常情况进行及时分析与处理；

7)虚拟试验数据后处理：虚拟试验结束后，根据研究需求对虚拟试验数据进行后处理，得到虚拟试验过程中试件的外部几何形态与内部组成结构的变化图像以及所需指标与变量的变化曲线。

其中，

所述的步骤2)中，所述沥青混合料车辙试件尺寸空间采用300mm×300mm×(50～100)mm的“墙”构建，粗集料从构建的具有真实形态特征的粗集料三维颗粒库中进行调取并投放至虚拟试件尺寸空间内，投放后进行粗集料级配与体积分数的校核，各档粗集料投放数量由沥青混合料的目标级配、油石比及空隙率进行反算，沥青砂浆单元尺寸均一且直径≤2mm。

所述具有真实形态特征的粗集料三维颗粒库构建步骤如下：1)粗集料颗粒库样本选取：根据粗集料的棱角度、纹理、以及扁平率等真实形态特征将粗集料进行系统分类，并对不同类别的粗集料选取具有代表性的粗集料颗粒并进行ct扫描，获取粗集料颗粒三维表面轮廓像素点的坐标、直径以及粗集料颗粒体积的信息；2)粗集料颗粒库构建：对获取的信息存储在单独的文本文件中，该文本文件所存储的信息代表颗粒库中的该粗集料颗粒；对ct扫描的每一个粗集料均单独建立一个文本文件，大量的文本文件则构成了粗集料三维颗粒库。

所述的步骤3)中，粗集料的宏观材料参数包括弹性模量与滑移系数，沥青砂浆的宏观材料参数包括不同温度条件下的宏观博格斯模型参数、抗拉与抗剪强度；在微观接触模型中，采用接触粘结模型或平行粘结模型、微观伯格斯接触模型表征沥青砂浆内部单元之间及沥青砂浆与集料之间的粘弹性接触行为，采用线性接触刚度模型表征集料内部单元的接触行为，采用线性接触刚度模型和滑动模型表征集料之间的接触行为。

所述的步骤4)中，所述虚拟加载试验轮采用离散单元构成的“聚粒”构建虚拟加载试验轮，并对其施加竖向力以模拟所需的实际荷载；采用“fish”用户子程序，对虚拟试验轮施加与真实车辙试验轮相同的运行速度，实时监控虚拟试验轮的位移，以实现虚拟试验轮在虚拟车辙试件表面中间的范围内往返加载。

所述的步骤5)中，所述的实时监测是实时记录虚拟试验过程中的车辙变形量，同时可实时监测虚拟试件内部组成结构的位移、接触点位置与数量、接触力、应力及应变的变化。

所述的步骤6)中，所述运行虚拟车辙试验，通过密度缩放法或自定义计算步长提高虚拟车辙试验的计算效率。

所述的步骤7)中，所述得到虚拟试验过程中试件的外部几何形态与内部组成结构的变化图像以及所需指标与变量的变化曲线的方法为：生成车辙变形量随时间的变化曲线并计算动稳定度，对车辙变形量曲线进行进一步分析，得到车辙变形率曲线以及各阶段车辙变形量所占比例；虚拟试件内部各组成结构可赋予任意颜色予以区分，对虚拟试件进行任意缩放与旋转，对虚拟试件内部进行任意方式的剖切以便观察试件内部组成及变化，显示虚拟试件内部各组成结构间的接触的位置、接触力的大小以及方向。

所述的步骤3)中，所述粗集料材料宏观参数与微观模型参数的转化关系为关系如式(1)和式(2)，其中，kn、ks为线性接触刚度模型的法向刚度和切向刚度，e为粗集料的宏观弹性模量，r为粗集料单元的半径，υa为粗集料泊松比，沥青砂浆的宏观参数与微观模型参数的转化关系如式(3)～式(10)，其中，e1、η1、e2、η2为宏观伯格斯模型参数，kmn、cmn、kkn、ckn为微观伯格斯接触模型法向参数，kms、cms、kks、cks为微观伯格斯接触模型切向参数，l为相邻沥青砂浆单元的球心距，υb为沥青砂浆泊松比；

ks＝kn/2(1+υa)(2)

kmn＝e1l(3)

cmn＝η1l(4)

kkn＝e2l(5)

ckn＝η2l(6)

kms＝e1l/[2(1+υb)](7)

cms＝η1l/[2(1+υb)](8)

kks＝e2l/[2(1+υb)](9)

cks＝η2l/[2(1+υb)](10)

有益效果：本发明的沥青混合料高温性能虚拟车辙试验方法所采用的离散单元法适用于分析非连续介质材料和颗粒性材料大变形问题，用以分析沥青混合料高温性能尤为适合。采用离散单元法对沥青混合料虚拟车辙试件进行重构，可有效构建出沥青混合料三维内部真实组成结构与形态，构建的具有真实形态特征的粗集料三维颗粒库可投放出具有真实形态特征的粗集料，为虚拟试验结果的可靠性奠定了基础。虚拟车辙试验中采用数字化虚拟加载，可避免物理试验中荷载的不正常波动以及试件位置的偏差，进一步保证虚拟试验结果的可靠性。通过虚拟车辙试验可对试件内部组成结构的微观信息变化进行实施检测与分析，克服了物理试验仅能获得试件宏观、外在信息变化的不足。虚拟车辙试验方法无需事先进行试件的试验室成型工作，可大幅度缩短试验周期，降低试验成本，解决试验受场地、时间限制的问题，可对试验过程进行回放、重复和再现，极大提高了科研与教学工作的效率。

附图说明

图1为本发明的虚拟试验方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

实施例1

本发明的一种沥青混合料高温性能虚拟车辙试验方法，包括以下步骤：

(1)材料配合比参数输入：根据沥青混合料ac-13的试验室配合比试验结果，得到13.2～16mm、9.5～13.2mm、4.75～9.5mm、2.36～4.75mm等各档粗集料质量与空隙率，并根据集料密度计算得到各档粗集料体积，为后续虚拟车辙试件的重构提供关键参数；

(2)虚拟车辙试件重构：首先采用“墙”构建300mm×300mm×50mm的沥青混合料车辙试件尺寸空间，然后从构建的具有真实形态特征的粗集料三维颗粒库中进行调取并投放各档粗集料至虚拟试件尺寸空间内，生成具有目标级配与体积的粗集料，并进行粗集料级配与体积分数的校核，若不满足粗集料目标级配与体积分数，则重新投放直到满足条件。各档粗集料投放数量由沥青混合料的目标级配、油石比及空隙率进行反算，待粗集料投放完成后，在粗集料间隙内均匀填充尺寸均一且直径≤2mm的沥青砂浆单元，并根据目标空隙率大小删除一定数量的沥青砂浆单元形成空隙结构，构建沥青混合料虚拟车辙试件；

其中，具有真实形态特征的粗集料三维颗粒库，其构建步骤如下：①粗集料颗粒库样本选取：根据粗集料的棱角度、纹理、以及扁平率等真实形态特征将粗集料进行系统分类，并对不同类别的粗集料选取具有代表性的粗集料颗粒并进行ct扫描，获取粗集料颗粒三维表面轮廓像素点的坐标、直径以及粗集料颗粒体积等信息；②粗集料颗粒库构建：对获取的信息存储在单独的文本文件中，该文本文件所存储的信息代表颗粒库中的该粗集料颗粒。对ct扫描的每一个粗集料均单独建立一个文本文件，大量的文本文件则构成了粗集料三维颗粒库。

(3)材料微观模型参数输入：通过室内试验获取粗集料的弹性模量与滑移系数以及60℃条件下的沥青砂浆宏观博格斯模型参数、抗拉与抗剪强度等宏观材料参数。采用接触粘结模型和微观伯格斯接触模型表征沥青砂浆内部单元之间及沥青砂浆与集料之间的粘弹性接触行为，采用线性接触刚度模型表征集料内部单元的接触行为,采用线性接触刚度模型和滑动模型表征集料之间的接触行为。并根据材料宏观参数与微观模型参数的转化关系，将材料宏观参数转化为微观模型参数。

所述粗集料材料宏观参数与微观模型参数的转化关系为关系如式(1)和式(2)，其中，kn、ks为线性接触刚度模型的法向刚度和切向刚度，e为粗集料的宏观弹性模量，r为粗集料单元的半径，υa为粗集料泊松比，沥青砂浆的宏观参数与微观模型参数的转化关系如式(3)～式(10)，其中，e1、η1、e2、η2为宏观伯格斯模型参数，kmn、cmn、kkn、ckn为微观伯格斯接触模型法向参数，kms、cms、kks、cks为微观伯格斯接触模型切向参数，l为相邻沥青砂浆单元的球心距，υb为沥青砂浆泊松比；

ks＝kn/2(1+υa)(2)

kmn＝e1l(3)

cmn＝η1l(4)

kkn＝e2l(5)

ckn＝η2l(6)

kms＝e1l/[2(1+υb)](7)

cms＝η1l/[2(1+υb)](8)

kks＝e2l/[2(1+υb)](9)

cks＝η2l/[2(1+υb)](10)

(4)虚拟试验加载环境设置：将虚拟车辙试件的厚度尺寸与所施加目标荷载大小作为加载环境输入参数，采用离散单元构成的“聚粒”构建外径200mm、轮宽50mm的虚拟加载试验轮，根据车辙试件的厚度尺寸调整虚拟加载试验轮的位置。根据所施加的0.7mpa目标荷载，对虚拟加载试验轮施加980n的竖向力。采用“fish”用户子程序，对虚拟试验轮施加与真实车辙试验轮相同的运行速度，实时监控虚拟试验轮的位移，以控制虚拟试验轮在虚拟车辙试件表面中间230mm的长度范围内以每分钟42次的速率往返加载。

(5)虚拟试验监测系统设置：定义车辙变形量、虚拟试件内部组成结构的位移、接触点位置与数量、接触力、应力及应变等指标与变量，在虚拟车辙试验过程中进行实时监测；

(6)虚拟试验运行：待上述准备工作完成后，运行虚拟车辙试验，通过密度缩放法提高虚拟车辙试验的计算效率。并在试验过程中，对定义的各指标与变量进行实时监控，对试验过程中出现的异常情况进行及时分析与处理；

(7)虚拟试验数据后处理：虚拟试验结束后，生成车辙变形量与变形率随时间的变化曲线，计算动稳定度以及各阶段车辙变形量所占比例。提取虚拟试验过程中各时刻试件的几何形态图像，并生成动画以观察车辙变形过程。对虚拟试件进行剖切，观察内部组成结构，内部组成结构间的接触的位置、接触力的大小以及方向。

实施例2

一种沥青混合料高温性能虚拟车辙试验方法，包括以下步骤：

(1)材料配合比参数输入：根据沥青混合料ac-20的试验室配合比试验结果，得到19～26.5mm、16～19mm、13.2～16mm、9.5～13.2mm、4.75～9.5mm、2.36～4.75mm等各档粗集料质量与空隙率，并根据集料密度计算得到各档粗集料体积，为后续虚拟车辙试件的重构提供关键参数；

(2)虚拟车辙试件重构：首先采用“墙”构建300mm×300mm×50mm的沥青混合料车辙试件尺寸空间。然后从构建的具有真实形态特征的粗集料三维颗粒库中进行调取并投放各档粗集料至虚拟试件尺寸空间内，生成具有目标级配与体积的粗集料，并进行粗集料级配与体积分数的校核，若不满足粗集料目标级配与体积分数，则重新投放直到满足条件。各档粗集料投放数量由沥青混合料的目标级配、油石比及空隙率进行反算。待粗集料投放完成后，在粗集料间隙内均匀填充尺寸均一且直径≤2mm的沥青砂浆单元，并根据目标空隙率大小删除一定数量的沥青砂浆单元形成空隙结构，构建沥青混合料虚拟车辙试件；

其中，具有真实形态特征的粗集料三维颗粒库，其构建步骤如下：①粗集料颗粒库样本选取：根据粗集料的棱角度、纹理、以及扁平率等真实形态特征将粗集料进行系统分类，并对不同类别的粗集料选取一定数量具有代表性的粗集料颗粒并进行ct扫描，获取粗集料颗粒三维表面轮廓像素点的坐标、直径以及粗集料颗粒体积等信息；②粗集料颗粒库构建：对获取的信息存储在单独的文本文件中，该文本文件所存储的信息代表颗粒库中的该粗集料颗粒。对ct扫描的每一个粗集料均单独建立一个文本文件，大量的文本文件则构成了粗集料三维颗粒库。

(3)材料微观模型参数输入：通过室内试验获取粗集料的弹性模量与滑移系数以及70℃条件下的沥青砂浆的宏观博格斯模型参数、抗拉与抗剪强度等宏观材料参数。采用平行粘结模型、微观伯格斯接触模型表征沥青砂浆内部单元之间及沥青砂浆与集料之间的粘弹性接触行为，采用线性接触刚度模型表征集料内部单元的接触行为,采用线性接触刚度模型和滑动模型表征集料之间的接触行为。并根据材料宏观参数与微观模型参数的转化关系，将材料宏观参数转化为微观模型参数。

所述粗集料材料宏观参数与微观模型参数的转化关系为关系如式(1)和式(2)，其中，kn、ks为线性接触刚度模型的法向刚度和切向刚度，e为粗集料的宏观弹性模量，r为粗集料单元的半径，υa为粗集料泊松比，沥青砂浆的宏观参数与微观模型参数的转化关系如式(3)～式(10)，其中，e1、η1、e2、η2为宏观伯格斯模型参数，kmn、cmn、kkn、ckn为微观伯格斯接触模型法向参数，kms、cms、kks、cks为微观伯格斯接触模型切向参数，l为相邻沥青砂浆单元的球心距，υb为沥青砂浆泊松比；

ks＝kn/2(1+υa)(2)

kmn＝e1l(3)

cmn＝η1l(4)

kkn＝e2l(5)

ckn＝η2l(6)

kms＝e1l/[2(1+υb)](7)

cms＝η1l/[2(1+υb)](8)

kks＝e2l/[2(1+υb)](9)

cks＝η2l/[2(1+υb)](10)

(4)虚拟试验加载环境设置：将虚拟车辙试件的厚度尺寸与所施加目标荷载大小作为加载环境输入参数，采用离散单元构成的“聚粒”构建外径200mm、轮宽50mm的虚拟加载试验轮，根据车辙试件的厚度尺寸调整虚拟加载试验轮的位置。根据所施加的0.7mpa目标荷载，对虚拟加载试验轮施加980n的竖向力。采用“fish”用户子程序，对虚拟试验轮施加与真实车辙试验轮相同的运行速度，实时监控虚拟试验轮的位移，以控制虚拟试验轮在虚拟车辙试件表面中间230mm的长度范围内以每分钟42次的速率往返加载。

(5)虚拟试验监测系统设置：定义车辙变形量、虚拟试件内部组成结构的位移、接触点位置与数量、接触力、应力及应变等指标与变量，在虚拟车辙试验过程中进行实时监测；

(6)虚拟试验运行：待上述准备工作完成后，运行虚拟车辙试验，通过密度缩放法提高虚拟车辙试验的计算效率。并在试验过程中，对定义的各指标与变量进行实时监控，对试验过程中出现的异常情况进行及时分析与处理；

(7)虚拟试验数据后处理：虚拟试验结束后，生成车辙变形量与变形率随时间的变化曲线，计算动稳定度以及各阶段车辙变形量所占比例。提取虚拟试验过程中各时刻试件的几何形态图像，并生成动画以观察车辙变形过程。对虚拟试件进行剖切，观察内部组成结构，内部组成结构间的接触的位置、接触力的大小以及方向。

实施例3

一种沥青混合料高温性能虚拟车辙试验方法，包括以下步骤：

(1)材料配合比参数输入：根据沥青混合料ac-25的现场配合比，得到26.5～31.5mm、19～26.5mm、16～19mm、13.2～16mm、9.5～13.2mm、4.75～9.5mm、2.36～4.75mm等各档粗集料质量与空隙率，并根据集料密度计算得到各档粗集料体积，为后续虚拟车辙试件的重构提供关键参数；

(2)虚拟车辙试件重构：首先采用“墙”构建300mm×300mm×70mm的沥青混合料车辙试件尺寸空间。然后从构建的具有真实形态特征的粗集料三维颗粒库中进行调取并投放各档粗集料至虚拟试件尺寸空间内，生成具有目标级配与体积的粗集料，并进行粗集料级配与体积分数的校核，若不满足粗集料目标级配与体积分数，则重新投放直到满足条件。各档粗集料投放数量由沥青混合料的目标级配、油石比及空隙率进行反算。待粗集料投放完成后，在粗集料间隙内均匀填充尺寸均一且直径≤2mm的沥青砂浆单元，并根据目标空隙率大小删除一定数量的沥青砂浆单元形成空隙结构，构建沥青混合料虚拟车辙试件；

其中，具有真实形态特征的粗集料三维颗粒库，其构建步骤如下：①粗集料颗粒库样本选取：根据粗集料的棱角度、纹理、以及扁平率等真实形态特征将粗集料进行系统分类，并对不同类别的粗集料选取一定数量具有代表性的粗集料颗粒并进行ct扫描，获取粗集料颗粒三维表面轮廓像素点的坐标、直径以及粗集料颗粒体积等信息；②粗集料颗粒库构建：对获取的信息存储在单独的文本文件中，该文本文件所存储的信息代表颗粒库中的该粗集料颗粒。对ct扫描的每一个粗集料均单独建立一个文本文件，大量的文本文件则构成了粗集料三维颗粒库。

(3)材料微观模型参数输入：通过室内试验获取粗集料的弹性模量与滑移系数以及60℃条件下的沥青砂浆的宏观博格斯模型参数、抗拉与抗剪强度等宏观材料参数。采用平行粘结模型、微观伯格斯接触模型表征沥青砂浆内部单元之间及沥青砂浆与集料之间的粘弹性接触行为，采用线性接触刚度模型表征集料内部单元的接触行为,采用线性接触刚度模型和滑动模型表征集料之间的接触行为。并根据材料宏观参数与微观模型参数的转化关系，将材料宏观参数转化为微观模型参数。

所述粗集料材料宏观参数与微观模型参数的转化关系为关系如式(1)和式(2)，其中，kn、ks为线性接触刚度模型的法向刚度和切向刚度，e为粗集料的宏观弹性模量，r为粗集料单元的半径，υa为粗集料泊松比，沥青砂浆的宏观参数与微观模型参数的转化关系如式(3)～式(10)，其中，e1、η1、e2、η2为宏观伯格斯模型参数，kmn、cmn、kkn、ckn为微观伯格斯接触模型法向参数，kms、cms、kks、cks为微观伯格斯接触模型切向参数，l为相邻沥青砂浆单元的球心距，υb为沥青砂浆泊松比；

ks＝kn/2(1+υa)(2)

kmn＝e1l(3)

cmn＝η1l(4)

kkn＝e2l(5)

ckn＝η2l(6)

kms＝e1l/[2(1+υb)](7)

cms＝η1l/[2(1+υb)](8)

kks＝e2l/[2(1+υb)](9)

cks＝η2l/[2(1+υb)](10)

(4)虚拟试验加载环境设置：将虚拟车辙试件的厚度尺寸与所施加目标荷载大小作为加载环境输入参数，采用离散单元构成的“聚粒”构建外径200mm、轮宽50mm的虚拟加载试验轮，根据车辙试件的厚度尺寸调整虚拟加载试验轮的位置。根据所施加的1.4mpa目标荷载，对虚拟加载试验轮施加1960n的竖向力。采用“fish”用户子程序，对虚拟试验轮施加与真实车辙试验轮相同的运行速度，实时监控虚拟试验轮的位移，以控制虚拟试验轮在虚拟车辙试件表面中间230mm的长度范围内以每分钟42次的速率往返加载。

(5)虚拟试验监测系统设置：定义车辙变形量、虚拟试件内部组成结构的位移、接触点位置与数量、接触力、应力及应变等指标与变量，在虚拟车辙试验过程中进行实时监测；

(6)虚拟试验运行：待上述准备工作完成后，运行虚拟车辙试验，通过密度缩放法提高虚拟车辙试验的计算效率。并在试验过程中，对定义的各指标与变量进行实时监控，对试验过程中出现的异常情况进行及时分析与处理；

(7)虚拟试验数据后处理：虚拟试验结束后，生成车辙变形量与变形率随时间的变化曲线，计算动稳定度以及各阶段车辙变形量所占比例。提取虚拟试验过程中各时刻试件的几何形态图像，并生成动画以观察车辙变形过程。对虚拟试件进行剖切，观察内部组成结构，内部组成结构间的接触的位置、接触力的大小以及方向。