[发明专利]基于逐级划分的沥青混合料三维细观结构模型构建方法

权利要求书

1.一种基于逐级划分的沥青混合料三维细观结构模型构建方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1.获取各档位骨料信息，具体为：

(1.1)将沥青混合料三维细观结构模型简称为模型；设模型长宽高分别为L，W，H，模型的总体积V＝L×W×H；设粒径在(d_i,d_i+1)内骨料的体积分数为fagg_i，则第i档位目标骨料体积Vagg_i＝V×fagg_i，其中i＝1,2,…,n，n为骨料粒径档位最大值，d_i、d_i+1分别为第i档位骨料最小粒径和骨料最大粒径，骨料粒径随档位的增大而增大；

(1.2)计算以各档位平均粒径为直径的球的体积Vq_i，考虑到同等粒径的多面体骨料体积更小，设置体积折减系数k，k∈[0.3,1)，令各档位的单个骨料代表性体积Vr_i等于同等粒径球的体积乘以体积折减系数，即Vr_i＝k×Vq_i；

步骤2.计算初次投放核点个数；按照档位从大到小的顺序生成骨料，每求一个档位骨料之前，需要向模型内投放核点，核点个数不小于4；首先模拟最大档位骨料，初次投放核点个数N_n，等于模型总体积除以最大档位的单个骨料代表性体积结果的整数部分；

步骤3.在三维笛卡尔坐标系下，向模型内随机投放N_n个核点，生成三维Voronoi图，获取三维Voronoi图中各元胞的顶点坐标，并对所有元胞建立集合，称该集合为元胞库；

步骤4.利用三角面内随机取点方法初步确定骨料形状；具体为：将元胞库中元胞的表面离散成三角面；在元胞每个三角面内随机取一点，以这些点为顶点生成多面体，即初步确定了骨料形状；其中，三角面内随机取点方法为：设某三角面的三个顶点坐标分别为sa＝[sa1,sa2,sa3],sb＝[sb1,sb2,sb3],sc＝[sc1,sc2,sc3]，则该三角面内任一点sd表示为sd＝t1*sa+t2*sb+t3*sc,其中t1,t2,t3∈(0,1)且t1+t2+t3＝1；

步骤5.对步骤4中得到的多面体进行几何优化，包括棱长优化和夹角优化，对几何优化后的多面体进行缩放，将缩放后多面体的集合称为骨料库；对骨料库中多面体标记其对应的元胞；具体为：

(5.1)对多面体进行棱长优化：计算多面体的棱长，若棱长小于设定的阈值L_min，则假设去掉该棱的一个端点，计算剩下顶点形成的多面体的体积，若该体积与未进行棱长优化多面体体积的比值大于设定的阈值f，那么该端点不被保留，剩下的顶点形成新的多面体；反之，该端点维持不动；

(5.2)重复步骤(5.1)的棱长优化过程Yh次，Yh是设定的骨料棱长优化次数，Yh∈[5,20]；

(5.3)对经棱长优化后的多面体进行夹角优化：将棱长优化后的多面体表面离散成三角面，计算三角形内的夹角，若小于设定的阈值β，β∈[5°,15°]，则计算该三角形各顶点到其对边的距离，距离最小对应的顶点被移除，剩下的顶点形成新的多面体；

(5.4)重复步骤(5.3)的夹角优化过程，直到多面体的三角面内夹角均大于设定的阈值β，即得到经过几何优化的多面体；

(5.5)对几何优化后的多面体进行缩放：计算多面体的质心，将每个顶点沿着质心的方向移动，使得移动后的顶点到质心的距离与移动前的顶点到质心的距离的比值等于缩放因子Sc，Sc∈[0.5,1)，从而完成多面体的缩放；将缩放后的多面体的集合称为骨料库；

(5.6)骨料库中的多面体由元胞演变而来，对骨料库中每个多面体标记其对应的元胞；

步骤6.计算骨料库中多面体粒径和球度，筛选出理想骨料并根据粒径归档，具体为：

(6.1)计算骨料库中多面体的方向包围盒：首先将多面体表面离散为三角面，计算所有三角形的质心和面积，进一步计算多面体的面积加权平均质心；根据多面体顶点坐标在三维空间下的三个分量，计算其相应的协方差矩阵，求解该协方差矩阵的特征向量，求得的特征向量的方向就是多面体包围盒方向轴的方向；将多面体顶点向方向轴上投影，计算各方向轴上的投影区间，得到包围盒的长中短轴轴长，设长、中、短轴的长度依次为C₁、C₂，C₃；

(6.2)将中轴轴长C₂作为多面体的粒径，计算多面体的球度将所有球度大于设定阈值Sp_min的多面体称为理想骨料，Sp_min∈(0,1)；根据粒径判断理想骨料所在的档位，得到不同档位理想骨料；

步骤7.生成模型当前所求档位骨料，具体为：

(7.1)根据当前所求骨料的档位，在该档位理想骨料中每次随机挑选出一个理想骨料，直至挑选出的理想骨料总体积大于步骤1中设定的该档位目标骨料体积；

(7.2)放回最后挑选出的理想骨料，再从该档位剩下的理想骨料中随机挑选出一个理想骨料，若挑选出的理想骨料总体积与该档位目标骨料体积的差的绝对值除以该档位目标骨料体积的值不超过设定的体积相对误差e_v，则挑选结束；若超过e_v，则继续在该档位未经选中的理想骨料中随机抽取一个理想骨料，直至挑选结束，即得到了模型当前所求档位骨料；

步骤8.继续模拟下一档位骨料，建立可划分元胞库，计算模拟该档位骨料试投核点个数、投放点个数及核点数，具体为：

(8.1)在模拟上一档骨料产生的骨料库中，筛选出所有粒径大于当前所求档位骨料最大粒径的多面体，进而得到这些多面体标记的元胞，在这些元胞中排除掉上一档位挑选出的理想骨料所标记的元胞，将剩下的元胞建立集合，并称为可划分元胞库；

(8.2)设第i档位骨料试投核点个数为N_i，i≠n，计算可划分元胞库中元胞体积总和Vce，则N_i等于可划分元胞库中元胞体积总和乘以补偿系数s除以第i档位的单个骨料代表性体积结果的整数部分，s∈(1,2)；

(8.3)如果在模型中随机投放N_i个核点，那么可划分元胞库内所有元胞内的投放点总数很难达到N_i；因此，设模拟第i档位骨料投放点个数为N1_i，等于点数放大系数fd乘以试投核点个数N_i，即N1_i＝fd×N_i，i≠n，fd∈[5,20]；向模型中随机投放N1_i个核点，使得可划分元胞库中所有元胞内含有的投放点总数大于N_i，再在这些投放点中随机去掉多于N_i个数的点，使得可划分元胞库中所有元胞内含有的投放点总数等于N_i；

(8.4)再计算可划分元胞库中元胞的核点数，当元胞内投放点不少于4个时，该元胞即能够生成三维Voronoi图，此时核点数等于投放点数，否则核点数为0；

步骤9.对步骤8中可划分元胞库中核点数大于等于4的每个元胞生成三维Voronoi图，每个元胞被划分为与其内核点相同个数的新元胞，即是对模型进行更细的划分；

对划分后得到的所有元胞、步骤8中可划分元胞库中核点数小于4的元胞以及上一档骨料产生的骨料库中粒径小于当前所求档位骨料最大粒径的多面体标记的元胞，建立新的元胞库；

重复步骤4至步骤7，得到模型所求档位骨料；

步骤10.重复步骤8至步骤9直至模型最小档位骨料生成完毕，即完成对模型的逐级划分；若该模型没有设置空隙，则沥青混合料三维细观结构模型生成完毕；

步骤11.若模型中设置了空隙，则获取各档位空隙信息，生成各档位空隙，确立沥青混合料三维细观结构模型；

(11.1)设粒径在(dv_j,dv_j+1)内空隙的体积分数为fvoid_j，第j档位空隙体积为Vvoid_j＝V×fvoid_j，其中j＝1,2,…,n1，n1为空隙粒径档位最大值，dv_j、dv_j+1分别为第j档位空隙最小粒径和空隙最大粒径，空隙粒径随档位的增大而增大；

(11.2)计算各档位的单个空隙代表性体积，计算方法与步骤(1.1)一致；

(11.3)模拟空隙是在模型剩余的元胞中利用逐级划分的方法生成符合空隙粒径档位和体积相对误差的骨料，这些骨料所确定的空间就是空隙，模拟空隙本质上与模拟骨料相同；

在每一档空隙的生成过程中，先在上一档位骨料库的理想骨料中，剔除掉已被挑选出理想骨料，再从剩下骨料中按照步骤7的方法挑选出符合该档位空隙粒径和体积相对误差的理想骨料，挑选出的理想骨料所确定的空间就是该档位空隙，其中模拟最大档位空隙时，相应的上一档位骨料就是最小档位骨料；若无法满足体积相对误差要求而挑选失败，则再按照步骤8至步骤9生成符合该档位空隙粒径和体积相对误差的理想骨料，这些理想骨料所确定的空间就是该档位空隙；

所有档位空隙生成完毕后，即确立了包含空隙的沥青混合料三维细观结构模型。