基于離散元模擬的瀝青混合料試件溫度場分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種基于離散元模擬的瀝青混合料試件溫度場分析方法，尤其是一種準(zhǔn)確分析高溫環(huán)境中瀝青混合料試件內(nèi)部溫度場的方法，屬于瀝青混合料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]瀝青混合料的性能與其微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，隨著計算機技術(shù)的提高和計算技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬越來越受到許多學(xué)者的青睞。目前，分析瀝青混合料溫度場的數(shù)值模擬方法主要有:有限元法和離散元法。采用有限元法研宄瀝青混合料性能時，研宄者假設(shè)瀝青混合料組成材料均質(zhì)、連續(xù)，且各向同性，建立起瀝青混合料的有限元計算模型，對-10°c?60°C范圍內(nèi)的溫度場進行模擬。還有研宄在利用有限元法建立瀝青混合料溫度場熱分析模型時，選擇Themal Solid70為模型單元(該單元為八節(jié)點六面體單元)，并假設(shè)忽略接觸熱阻，對瀝青混合料非線性瞬態(tài)溫度場進行數(shù)值研宄模擬研宄。然而，利用有限元方法來研宄瀝青混合料溫度場存在明顯的不足:①它不能改變集料的接觸幾何特性；②建模單元統(tǒng)一，無法模擬瀝青混合料復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；③忽略瀝青混合料內(nèi)接觸熱阻，不能真實反應(yīng)內(nèi)部熱流傳導(dǎo)情況。
[0003]由于有限元在分析多孔介質(zhì)材料存在上述不足，離散元法在瀝青混合料微觀研宄中發(fā)揮越來越重要的作用。該方法適用于模擬離散顆粒組合體在不同條件下的變形及破壞過程，逐漸成為重要數(shù)值模擬方法之一。離散元方法作為非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的數(shù)值方法，因適合模擬材料的變形問題，在瀝青混合料性能試驗的模擬中也得到了初步應(yīng)用。國外有學(xué)者采用粘彈性接觸模型，通過對混合料中的集料模擬，計算出顆粒間的相互作用，對混合料內(nèi)部的非連續(xù)應(yīng)力場研宄做出了貢獻；也有研宄人員利用離散單元法研宄了荷載的重復(fù)作用對瀝青混合料的永久變形和疲勞損害的影響，并考慮了混合料中空隙、裂縫的影響；或者采用離散元軟件模擬了瀝青混合料的劈裂試驗、單軸壓縮試驗等，獲得了與室內(nèi)試驗結(jié)果相符的結(jié)論；有學(xué)者利用離散元法對瀝青混合料的永久變形進行了研宄，通過工業(yè)CT成像技術(shù)獲得了瀝青混合料的微觀結(jié)構(gòu)并使用MATLAB編制算法來處理獲得的圖像。還有學(xué)者基于離散元法對瀝青混合料的粘彈性模型做了更為深入的研宄，詳細(xì)的解釋了瀝青砂漿、粗細(xì)集料間的接觸模型。
[0004]國內(nèi)研宄嘗試采用基于離散單元方法的虛擬試驗對瀝青混合料的級配類型進行了評價，進行了瀝青混合料單軸壓縮試驗的離散元模擬，給出了與實際試驗相符的本構(gòu)行為，并針對模型細(xì)觀參數(shù)對瀝青混合料本構(gòu)行為的影響進行了研宄；也有研宄將瀝青混合料作為由碎石料和瀝青瑪蹄脂(礦粉+瀝青+空隙)組成的兩相體系，從瀝青瑪蹄脂的力學(xué)特性研宄出發(fā)，以基于虛擬試驗的瀝青混合料微觀力學(xué)分析為目標(biāo)，采用離散單元方法，根據(jù)各相的幾何及物理信息，運用隨機生成多面體(三維)或多邊形(二維)技術(shù)重構(gòu)其微觀結(jié)構(gòu)；還有研宄從瀝青混合料不連續(xù)特征角度研宄其永久變形行為，采用離散元方法進行了瀝青混合料虛擬疲勞、車轍試驗，編寫了考慮集料級配及不規(guī)則形狀的瀝青混合料二維數(shù)字試件生成程序，在生成的數(shù)字試件基礎(chǔ)上進行了瀝青混合料離散元虛擬疲勞、車轍試驗，并利用基于時溫等效原理的計算方法以減少虛擬疲勞、車轍試驗的計算時間。
[0005]但是，基于離散元方法的溫度場研宄很少，有學(xué)者利用離散元方法對顆粒內(nèi)的傳導(dǎo)傳熱進行研宄，使用離散元軟件建立二 /三維的模型，進行數(shù)值模擬，得出氧化鋁顆粒內(nèi)部溫度場變化的情況，然后又使用離散元方法分析了氧化鋁顆粒由熱膨脹引起的殘余應(yīng)力。也有研宄者使用離散元程序?qū)Σ枞~滾筒加熱殺青的過程進行模擬，追蹤加熱過程中顆粒的溫度變化情況，給不同溫度的顆粒標(biāo)以不同的顏色，進而獲得在不同時間點顆粒的溫度場發(fā)布情況。更有研宄介紹了散體介質(zhì)熱傳導(dǎo)研宄的發(fā)展情況和離散單元法的基本理論，將散體視為一種多孔介質(zhì)，散體顆粒近似為熱源，顆粒之間的接觸構(gòu)成熱管，形成熱傳導(dǎo)的網(wǎng)絡(luò)，基于傳熱方程和Fourier定律，推導(dǎo)出了顆粒的熱傳導(dǎo)計算公式，用離散元軟件實現(xiàn)了對自然堆積的鐵顆粒熱傳導(dǎo)的數(shù)值模擬。
[0006]可見，目前主要是應(yīng)用有限元方法分析瀝青混合料試件或瀝青路面的溫度場，把多孔瀝青混合料假設(shè)為連續(xù)介質(zhì)材料，沒有考慮到瀝青混合料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)非連續(xù)性。另外，當(dāng)前離散元方法主要用于分析常溫條件下瀝青混合料或其它散體材料的級配組成、微觀結(jié)構(gòu)變形、力學(xué)性能，并基于離散元方法模擬瀝青混合料的疲勞、單軸壓縮、車轍等試驗，從而研宄瀝青混合料的各種路用性能，鮮有采用離散元方法分析瀝青混合料加熱時內(nèi)部溫度場的變化規(guī)律。目前離散元方法主要是通過時溫等效原理間接考慮溫度對瀝青混合料各項性能影響，與實際情況存在較大偏差，很少采用直接施加熱源的方法分析瀝青混合料的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007](I)技術(shù)問題
[0008]本發(fā)明的目的是提供一種基于離散元模擬的瀝青混合料試件溫度場分析的方法，充分考慮瀝青混合料試件細(xì)觀結(jié)構(gòu)組成的非連續(xù)性，能較好解決有限元方法在分析高溫環(huán)境中瀝青混合料試件內(nèi)部溫度場不準(zhǔn)確的問題。
[0009](2)技術(shù)方案
[0010]鑒于目前采用有限元方法分析瀝青混合料試件溫度場時不能充分考慮瀝青混合料試件細(xì)觀結(jié)構(gòu)組成的非連續(xù)性，難以準(zhǔn)確分析高溫環(huán)境中瀝青混合料試件內(nèi)部溫度場，本發(fā)明采用離散元方法分析高溫環(huán)境中瀝青混合料試件內(nèi)部溫度場的變化規(guī)律，更準(zhǔn)確了解高溫環(huán)境中瀝青混合料試件內(nèi)部溫度分布，為研宄瀝青混合料高溫環(huán)境下的力學(xué)、變形等性能奠定基礎(chǔ)。
[0011]本發(fā)明技術(shù)方案如下:
[0012]首先，切割瀝青混合料試件獲取試件數(shù)碼圖像，經(jīng)圖像處理構(gòu)建數(shù)字試件，采用離散的圓形單元創(chuàng)建試件初始模型；然后，根據(jù)集料塊體的位置，將塊體范圍內(nèi)離散的圓形單元整合成獨立的塊狀單元模擬不規(guī)則集料，其余離散的圓形單元按粘彈性接觸模型連接模擬瀝青砂漿，建立瀝青混合料