一种大空隙沥青混凝土空隙级配的离散元建模方法与流程

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本发明涉及一种大空隙沥青混凝土空隙级配的离散元建模方法，属于土木工程材料技术领域。


背景技术：

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大空隙沥青混凝土的空隙率大，空隙数目多，虽然空隙的存在能够快速排出路表水分，但是空隙特征在一定程度上影响路面病害的发生，使得不同沥青混凝土之间存在性能差异，主要表现在路面永久变形、抗压回弹模量、劈裂强度等。目前虽然已经对空隙数量、空隙尺寸、空隙结构等有一定研究，但对于大空隙沥青混凝土空隙级配的研究较少。因此，关于空隙级配的离散元建模方法，对于进一步研究大空隙沥青混凝土的空隙级配对大空隙沥青混凝土强度、变形等方面的影响十分必要。
[0003]
离散元建模与仿真是土木工程材料领域一种热门的研究方法，能够生成不同细观特征(空隙数量、级配、空隙率)的虚拟试件，该技术可以将特定的空隙特征应用于虚拟模型研究。然而，由于离散元建模过程中空隙位置根据随机函数生成，在分析不同模型时会由于多次调用随机函数使得空隙位置无法保持一致，这在一定程度上影响了分析结果的可靠性。
[0004]
因此有必要研究一种建模方法使得每次分析不同级配空隙时空隙分布位置差异较小，提高空隙级配建模分析结果的可靠性，以便评价空隙级配对于大空隙沥青混凝土性能的影响。


技术实现要素：

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发明目的：针对现有技术中存在的问题与不足，本发明提供
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技术方案：一种大空隙沥青混凝土空隙级配的离散元建模方法，首先计算不同空隙级配下的各档空隙数目，并记录各档空隙的最大值n
imax
，其特征在于，还包括以下几个步骤：
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第一步，建模——
[0008]
在离散元模型中用预设半径的基球在合适的空隙等效直径区间进行建模，所述的空隙等效直径为等面积圆形空隙的等效直径；
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第二步，收集砂浆颗粒——
[0010]
根据多组不同的尺寸参数和形状参数，统计出每组中各档粒径对应的最大个数并生成对应个数的基点，所述基点为由离散元中math.random均匀分布函数随机生成的x轴、y轴坐标，在每一组尺寸参数和形状参数下通过搜索接触的方式寻找周边的六个接触颗粒，且所述六个接触颗粒均为砂浆颗粒，若不满足要求，则再次创建随机坐标，直至满足要求；
[0011]
第三步，删除并记录砂浆颗粒——
[0012]
删除基点砂浆颗粒及其附近的砂浆颗粒，重复删除步骤，直至每档空隙删除个数为n
imax
，所述n
imax
为每一档砂浆颗粒个数的最大值；记录下每一次删除的砂浆颗粒的id号；
[0013]
第四步，空隙级配模型建立
[0014]
从所有记录的砂浆颗粒中依次挑选nni个与基球半径相同的砂浆颗粒，还原第一步的模型后删除挑选的砂浆颗粒，完成空隙级配模型的建立。
[0015]
本发明进一步限定的技术方案为：所述合适的空隙等效直径区间包括0.8～1mm、1mm～2mm、2mm～3mm及3mm～4mm。
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作为优选，所述第二步中寻找接触颗粒包括以下几个步骤：
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步骤1：通过离散元中ball.near函数寻找基点位置最近的颗粒；
[0018]
步骤2：判断步骤1中搜索到的颗粒是否属于砂浆颗粒并且存在6个接触，如果满足，则删除该颗粒及与该颗粒接触的砂浆颗粒；如果不满足，则继续寻找直至找到基点位置满足要求的砂浆颗粒；
[0019]
步骤3：删除步骤2中寻找到的满足要求的砂浆颗粒及与其解除的砂浆颗粒若干个；
[0020]
步骤4：重复步骤1～3，直至满足各档空隙所需的个数。
[0021]
作为优选，在第四步中，将所有被删除颗粒的id号记录进txt中，并通过excel的0-1分布按顺序排列后生成可供pfc识别的命令行，调用该命令行直接删除原模型中的砂浆颗粒从而生成大空隙沥青混凝土空隙级配模型。
[0022]
作为优选，所述计算不同空隙级配下的各档空隙数目包括如下几个步骤：
[0023]
步骤101：根据空隙级配对应的各档空隙直径通过率计算出各档空隙占比，记为实际面积占比；
[0024]
步骤102：挑选要模拟的空隙粒径范围，将该范围内各档空隙的实际面积占比转化为模型占比s
i
，默认空隙直径只有该范围内的各档空隙构成，其余直径空隙不参与计算；
[0025]
步骤103：根据模型占比计算出各档空隙数目式中a为模型空隙总面积，由模型总面积与空隙率的乘积算得，d
i
取为0.4的整数倍；
[0026]
步骤104：分别计算出不同k、λ下的各档空隙数目的最大值n
imax
。
[0027]
作为优选，其特征在于：在第一步中采用正三角形堆积的方式生成由基球半径为0.4mm组成的长300mm、宽50mm的车辙板模型。
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有益效果：与现有技术相比，本发明提出了一种大空隙沥青混凝土空隙级配的离散元建模方法，能够分析空隙位置分布不同对结果造成的影响，填补了目前大空隙沥青混凝土空隙级配的离散元建模空白，操作简便易行，不需要多次重复建模，有利于快捷计算且提高了不同空隙级配模型对比分析的可靠性；本发明基于大空隙沥青混凝土空隙级配特征建立的模型，具有代表性和后续仿真研究价值。
附图说明
[0029]
图1为不同空隙级配离散元模型对比示意图。
具体实施方式
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下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
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如图1所示，本实施例提供一种利用离散元软件pfc构建大空隙沥青混凝土空隙级
配模型的方法，首先根据函数中的形状参数k和比例参数λ，计算出各档空隙直径范围内的空隙面积占比，各档空隙数目a＝300
×
50
×
vv，式中a为模型空隙总面积，由模型总面积与空隙率的乘积算得，di取为0.4的整数倍，vv为空隙率，统计不同空隙级配下的各档空隙数目，记录下各档空隙的最大值n
imax
；
[0032]
具体包括以下步骤：
[0033]
第一步：利用离散元中hexagonal命令在离散元中采用正三角形堆积的方式生成由0.4mm半径的圆形颗粒组成的长300mm、宽50mm的车辙试件，保存试件模型。
[0034]
第二步，利用math.random函数生成x轴、y轴基点坐标，并搜索基点附近砂浆颗粒，通过搜索接触的方式寻找周边的六个接触，要求接触另一端颗粒均为砂浆颗粒。若不满足要求，则再次创建随机坐标，直至满足要求；
[0035]
第三步，通过ball.delete函数分别删除包含基点附近处的砂浆颗粒1个、4个、9个、16个，以分别模拟直径为0.8mm、1.6mm、2.4mm、3.2mm的空隙；每一档空隙重复第三步n
imax
次，将每一次被删除砂浆颗粒的id号记录进数组中，并保存成可由pfc直接识别的命令行，可供后期直接调用删除对应颗粒。
[0036]
第四步，每一档粒径空隙删除了0.4mm的砂浆颗粒共nn
i
＝n
i
×
j，其中j＝1，4，9，16。从所有被记录颗粒中依次挑选nn
i
个。利用restore命令还原步骤二的模型后删除挑选的砂浆颗粒，完成空隙级配模型的建立。
[0037]
下面以一个具体实施例来对上述技术方案进行阐述说明。
[0038]
不断调试两参数，由面积占比统计0.8mm-1mm、1mm-2mm、2mm-3mm、3mm-4mm四档的通过率以计算模型占比，再次经过威布尔分布拟合后获取了一下几组数据，如下表所示：
[0039][0040]
根据各组的空隙通过率曲线，可以计算出各档模型占比，如下表所示：
[0041][0042]
模型由半径0.4mm的基球组成，为了方便后续的空隙生成，本实施例在0.8-1mm只选用直径0.8mm的小球作为空隙，在1.0-2.0mm只选用直径1.6mm的小球作为空隙，在2.0-3.0mm只选用直径2.4mm的小球作为空隙，在3.0-4.0mm只选用3.2mm的小球作为空隙。为了后期空隙面积的准确性，将1个直径1.6mm小球视为4个直径0.8mm的小球组成，将1个直径2.4mm小球视为9个直径0.8mm的小球组成，以此类推。最后，根据每一档所需面积，即可计算出各档小球个数。在模型构建的过程中，每个空隙分布位置的不同会改变离散元模型的接
触键的空间分布，即使空隙级配一致和空隙率一致，得到的粘结失效个数结果也会有较大的差异。
[0043]
为了避免这种情况，本实施例给出了一种新的空隙建模方法，
[0044]
首先，计算出不同的空隙级配下各档小球个数，得到五组试验中每一档小球个数的最大值n
imax
。
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其次，生成空隙率为0的车辙板试件模型，利用math.random随机数生成各档空隙的基点坐标。寻找离基点坐标最近的颗粒，判断是否属于砂浆以及存在6个接触。因为正三角形堆积决定了一个颗粒周边最多有6个颗粒接触，删除的目的是为了构造特定尺寸的空隙块，当条件成立后，删除该颗粒以及在此接触上的砂浆颗粒，总计删除的颗粒数1、4、6、9个，删除9个颗粒是在删除6个砂浆颗粒的基础上继续删除基点最近的砂浆颗粒三个。不断重复上述过程，直至每档空隙删除个数为n
imax
。考虑到此方法会误删集料颗粒，所以需先将所有集料颗粒信息记录并且删除，待空隙形成后重新生成集料颗粒。
[0046]
然后，记录并调用数据。记录所有被删除砂浆颗粒的id号，在txt中生成一个可供pfc调用的命令行，将砂浆颗粒id号通过excel中的0-1分布函数按升序依次排列。还原车辙板模型后，按需在每一档空隙中挑选nn
i
个进行删除，完成大空隙沥青混凝土空隙级配建模。
[0047]
建模效果如图1所示，可以发现不同空隙级配模型的空隙位置大致不变，一定程度上减少了空隙位置分布对于后续分析的影响，提高了分析结果的可靠性。
[0048]
综上可知，本发明能够构造出大空隙沥青混凝土空隙的级配特征，且方法简单易行，便于分析不同空隙级配对于大空隙沥青混凝土的影响，具有重要的实践意义和应用前景。
[0049]
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，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。