[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

说明书

本发明公开了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，具体包括：在模型空间中根据投放的核点生成三维Voronoi图从而将其划分为多个元胞，将划分后生成元胞的个数与所求档位单个骨料代表性体积建立联系，使得元胞库中能含有更多符合当前档位骨料粒径的元胞；对元胞利用三角面内随机取点方法初步确定骨料形状，再经过几何优化和缩放得到骨料库；通过计算骨料的包围盒确定其粒径和球度，并根据粒径和球度确定所求档位理想骨料，再从中挑选出满足体积误差的骨料就得到了当前所求档位骨料；继续模拟下一档位骨料，直至所有档位骨料生成完毕，就完成了对模型空间的逐级划分，从而得到了最终所需的沥青混合料细观结构。

技术领域

本发明属于颗粒填充复合材料细观结构数值建模技术领域，涉及一种沥青混合料三维细观结构模拟前处理技术，具体是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。

背景技术

沥青混合料是一种多相颗粒复合材料，通常由沥青、粗骨料、细骨料、矿粉和空隙组成。为了更准确地探究沥青混合料在外部荷载作用下，内部复杂结构的演化行为，需要建立沥青混合料的细观尺度模型。在细观尺度下，通常将沥青混合料视作由粗骨料、沥青胶砂基体及空隙组成的三相复合材料。因此，建立沥青混合料三维细观结构的核心问题就是生成粗骨料及空隙的随机空间分布，而沥青混合料试件内部余下的部分即为沥青胶砂基体。

在已有的研究中，建立沥青混合料三维细观结构模型的方法大体上分为两类：基于CT扫描技术的图像重建方法以及基于计算机程序语言的参数化建模方法。基于CT扫描技术的图像重建方法是对沥青混合料真实试件进行多次断层扫描，获取多个横截面图像，进而根据各个图像内灰度值的不同区分骨料、沥青胶砂基质和空隙，从而重建沥青混合料内部细观结构。然而，该方法需要昂贵的CT扫描相关专业设备和沥青混合料真实试件，扫描后还需进一步进行大量图像处理操作，耗时较长，具有一定的局限性。基于计算机程序语言的参数化建模方法是通过计算机编程直接生成骨料，在沥青混合料内部确定骨料的空间位置并保证骨料之间不相互重叠。通常，空隙的生成方法与骨料一致。目前，基于计算机编程的三维骨料模拟的主流方法采用占位剔除法，该方法的核心思想是每一个成功投放进沥青混合料试件的骨料所在的空间都被剔除，新生成的骨料只允许在剩余的空间内进行投放，若与既有的骨料相重叠，则重新选取投放位置直至投放成功。然而，骨料之间的重叠判定涉及繁杂的几何计算，并且在所需骨料填充量较高时，新投放骨料容易与既有骨料发生重叠，因此建模效率显著降低。近年来，Voronoi方法被越来越多地应用于建立骨料模型，Voronoi图是指根据一组核点将某区域划分成多个元胞，核点与元胞一一对应。骨料由元胞经过缩放后生成，避免了骨料的重叠判定，提高了建模效率。然而，现有基于Voronoi方法的骨料模型大多为混凝土骨料，混凝土中大粒径粗骨料含量较高，Voronoi图经过缩放后较容易生成高填充量骨料，但对于沥青混合料来说，由于其大粒径粗骨料含量较小而小粒径粗骨料含量较高，因此元胞经过缩放后舍弃的部分相对更多，较难生成满足所需级配的沥青混合料细观结构。并且，Voronoi图中各元胞相互贴合，经缩放后生成的骨料，其表面呈现与其周围骨料的表面平行的特征，这与实际不符。此外，生成Voronoi图首先需要在区域内投放核点，每个核点所划分的区域确定了每个骨料的位置，但目前研究中核点的投放有许多限制，因此严重影响了模型中骨料空间分布的随机性。

为了解决上述问题，亟需一种更贴近实际且高效的沥青混合料三维细观结构模型构建方法。

发明内容

本发明提出了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。本发明中Voronoi核点是随机投放的，显著增加了细观结构的随机性。根据本发明所述三角面内随机取点方法生成的骨料更贴合实际，弥补了现有研究中基于Voronoi方法生成的骨料之间表面相互平行的不足，使生成的细观结构更贴近实际。通过本发明所述逐级划分的方法，根据不同档位骨料粒径对模型空间进行多次划分，避免了为了获取小粒径骨料进行大幅度的缩放造成的空间浪费。另外，本发明方法能够充分利用投放区域剩余空间，从而快速生成满足级配要求的具有高骨料填充量的沥青混合料三维细观结构，显著提高了建模效率。

本发明的技术方案：