基于离散元的再生沥青混合料疲劳损伤模拟方法及设备与流程

本发明涉及再生沥青混合料的分析，尤其涉及一种基于离散元的再生沥青混合料疲劳损伤模拟方法及设备。

背景技术：

1、路面再生技术是一种将旧路面的废旧沥青混合料刨出回收，按一定比例与新沥青、新集料、再生剂（必要时）及一些添加剂进行掺和，进而得到满足规范要求的再生沥青混合料(reclaimed asphalt pavement，rap)的技术。但是，rap的掺入会使混合料内部中存在不同强度的颗粒，颗粒与颗粒之间的相互接触产生强弱不同的接触界面，这些不同强度的接触界面所产生的相互制约影响混合料变形的一致性，从而降低了材料的疲劳耐久性能，成为制约再生沥青混合料推广应用的瓶颈。

2、目前，关于解决再生沥青混合料疲劳性能的大量研究主要聚焦在合理的掺量限制、再生剂研发、配合比设计等方面。然而，现有研究均是基于宏观的表象学，需要开展大量的试验研究，试验成本高，且无法从本质上剖析再生沥青混合料疲劳性能不足的内在机理。

3、基于散体力学和接触力学的离散元法能从细观上揭示颗粒之间的力学行为。再生沥青混合料是一种由新旧集料、新旧沥青等组成典型的多相颗粒物质，近年来，国内外虽有采用离散元研究了沥青混合料的细观力学行为，但是，运用离散元开展再生沥青混合料疲劳损伤演化规律研究较少。其一，已有研究将集料简化为简单圆盘考虑，忽略了集料真实棱角对性能的影响；其二，已有研究均将新、旧沥青统一考虑，不区分新旧沥青性能差异对疲劳损伤行为的影响；其三，已有研究较少采用离散元法开展损伤研究，仅简单考虑静压、重复荷载下的强度、变形等行为。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于离散元的再生沥青混合料疲劳损伤模拟方法及设备，可区分新沥青及旧沥青的性能差异对疲劳损伤行为的影响，有效描述损伤演化过程。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于离散元的再生沥青混合料疲劳损伤模拟方法，包括：采用随机生成算法，在第一指定区域中根据目标级配构建二维不规则凸多边形，所述二维不规则凸多边形用于表征粒径大于或等于基准尺寸的集料，所述集料包括新集料及旧集料；采用离散元内置算法，在第二指定区域中生成满布圆球的离散元模型，所述圆球用于表征沥青及粒径小于基准尺寸的集料，所述第二指定区域处于所述第一指定区域内；将所述二维不规则凸多边形映射至离散元模型中，并根据所述二维不规则凸多边形与圆球的位置的重叠关系整合所述离散元模型，整合后的所述离散元模型包括新集料组、旧集料组及沥青组；根据所述新集料组、旧集料组与沥青组之间的关系，将所述沥青组分组为新沥青组及旧沥青组；根据所述新集料组、旧集料组、新沥青组及旧沥青组之间的关系构建接触；根据所述接触的演化规律构建再生沥青混合料疲劳损伤本构模型，以模拟再生沥青混合料疲劳损伤。

3、作为上述方案的改进，所述采用随机生成算法，在第一指定区域中根据目标级配构建二维不规则凸多边形的步骤包括：根据所述再生沥青混合料二维断面确定多边形的边数；在第一指定区域内构建多边形的中心点；根据所述边数及中心点生成多边形的顶点；连接所述顶点以构建二维不规则凸多边形。

4、作为上述方案的改进，所述根据所述边数及中心点生成多边形的顶点的步骤包括：构建顶点与所述中心点之间的连线以形成顶点-中心线；根据所述边数，调整相邻所述顶点-中心线之间的夹角；使一所述顶点-中心线与基准轴共线；根据集料粒径确定所述顶点-中心线的长度；根据所述顶点-中心线与基准轴的夹角及所述顶点-中心线的长度，计算顶点坐标。

5、作为上述方案的改进，所述采用随机生成算法，在第一指定区域中根据目标级配构建二维不规则凸多边形的步骤还包括对所述二维不规则凸多边形进行重叠判断，以使：新生成的二维不规则凸多边形的任一顶点不在已生成的二维不规则凸多边形内；已生成的二维不规则凸多边形的任一顶点不在新生成的二维不规则凸多边形内；新生成的二维不规则凸多边形的边与已生成的二维不规则凸多边形的边不相交。

6、作为上述方案的改进，所述将所述二维不规则凸多边形映射至离散元模型中，并根据所述二维不规则凸多边形与圆球的位置的重叠关系整合所述离散元模型的步骤包括：根据试件生成区间面积、孔隙率及分计筛余，计算各档位中新集料及旧集料的生成面积；根据面积等效原理，将所述二维不规则凸多边形面积等效为集料小球面积，并计算集料小球半径；根据所述集料小球半径判断集料小球档位，根据所述集料小球档位中新集料与旧集料之间的比例将集料小球分配为新集料或旧集料，并根据所述生成面积及二维不规则凸多边形面积计算生成各档位的新集料或旧集料的个数：根据集料小球档位，将分配好的新集料组合为新集料组，将分配好的旧集料组合为旧集料组。

7、作为上述方案的改进，所述根据所述新集料组、旧集料组与沥青组之间的关系，将所述沥青组分组为新沥青组及旧沥青组的步骤包括：将所述沥青组中与旧集料组接触的沥青小球分配至旧沥青组，并将沥青组中不与旧集料组接触的沥青小球分配至新沥青组；根据沥青总量控制原则，调整旧沥青组与新沥青组中沥青小球的数量，以使旧沥青组中沥青小球的面积与基准沥青面积相等。

8、作为上述方案的改进，所述根据所述新集料组、旧集料组、新沥青组及旧沥青组之间的关系构建接触的步骤包括：根据已经存在的接触和未来将要存在的接触，在集料与集料之间、集料与墙体之间采用线性模型构建接触；根据已经存在的接触和未来将要存在的接触，在集料与沥青之间采用平行粘结模型构建接触。

9、作为上述方案的改进，所述根据所述接触的演化规律构建再生沥青混合料疲劳损伤本构模型，以模拟再生沥青混合料疲劳损伤的步骤包括：根据所述接触的法向应力及集料粒径，计算局部接触应力；根据所述局部接触应力及拉伸强度，计算损伤因子并调整粘结截面半径的实时缩放系数；根据所述损伤因子与实时缩放系数之间的关系描述损伤演化过程。

10、作为上述方案的改进，所述根据所述局部接触应力及拉伸强度，计算损伤因子并调整粘结截面半径的实时缩放系数的步骤包括：若σlocal<0.01*ten_mor，则d=0，其中，σlocal为局部接触应力，ten_mor为拉伸强度，d为损伤因子；若0.05*ten_mor<σlocal<0.8*ten_mor，则，rmul=contact.extra(bp,1)+d*dt，其中，contact.extra为中转变量，用于实时记录rmul的值，rmul为实时缩放系数，dt为时间步长，bp为可以访问小球属性的指针；若σlocal>ten_mor，则调整实时缩放系数至极小值。

11、相应地，本发明还提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述基于离散元的再生沥青混合料疲劳损伤模拟方法的步骤。

12、实施本发明，具有如下有益效果：

13、本发明考虑了集料真实棱角对性能的影响，通过构建二维不规则凸多边形表征再生沥青混合料的二维断面，可有效兼顾集料的均匀性和不规则性；

14、本发明对新沥青及旧沥青进行分别考虑，以有效区分新沥青及旧沥青的性能差异对疲劳损伤行为的影响；

15、本发明采用离散元法开展再生沥青混合料疲劳损伤演化规律研究，通过循环荷载作用过程中平行粘结模型的粘结截面半径的缩放系数的逐步衰减来模拟损伤因子，以此描述损伤演化过程，能从本质上剖析再生沥青混合料疲劳性能不足的内在机理。