面向真实细观界面力学行为仿真的沥青混合料多精度三维重构及数值建模

Accurate evaluation of interfacial micromechanical behavior in asphalt mixture microstructure significantly affects the reliability of numerical prediction of mechanical performance of asphalt mixture. Asphalt mastic, aggregates and air voids are treated as three kinds of geometric modeling objects. With image processing and computer graphics techniques, aggregates and air voids are 3D reconstructed under appropriate modeling accuracies after the retrieval of shape and spatial distribution information from X-ray Computed Tomography images of asphalt mixture. With geometric models of aggregates and air voids, geometric model of asphalt mastic can be obtained by graphic operations. Geometric models of asphalt mastic and aggregates are assembled into the geometric model of the mixture microstructure. Consequently, contact information among aggregates and asphalt mastic is detected from the mixture microstructure model. As a result, according to the contact information, numerical elements can be configured and assigned with mechanical properties from corresponding mechanical experiments. Thus, the accurate interfacial micromechanical behavior in asphalt mixture microstructure is obtained by numerical model of the mixture. The reliability and efficiency of numerical prediction of mixture mechanical performance will be significantly improved.

在沥青混合料的力学特性预测中，真实细观界面力学行为的准确仿真对预测结果有着十分重要的影响。本申请以混合料中的沥青胶浆、各集料颗粒和空隙为三类建模对象，运用数字图形图像技术，首先从混合料X-ray CT断面图像中准确提取后两类对象的几何形状及空间分布信息，依据各对象的仿真敏感度为其选择合适建模精度，重构为拥有完整边界信息的各集料颗粒和空隙三维几何模型，进而通过图形学操作获得沥青胶浆几何模型并将其与各集料颗粒几何模型集成为混合料三维细观几何模型；在此基础上，检测集料颗粒—集料颗粒间和集料颗粒—沥青胶浆间的接触关系和状态，依此准确设置界面单元，并根据力学试验结果为各相材料及界面单元的属性赋值，最终获得能准确反映真实细观界面力学行为的混合料数值模型。旨在获得与沥青混合料真实细观结构高度一致的混合料三维几何模型的前提下，有效仿真混合料内部细观界面的力学行为，籍此提升混合料力学特性预测的可靠性和效率。

沥青混合料细观数值建模及力学行为仿真的研究对混合料路用性能的准确预测十分重要，本项目研究了混合料细观结构的几何及多精度数值三维建模方法。首先，系统研究了混合料CT图像中集料、空隙和沥青胶浆像素的灰度差异特征，提出了基于灰度差分阈值的闭合轮廓分类检测方法，对图像中集料、空隙的闭合轮廓进行了分类检测和验证，可有效识别与处理图像中的集料粘连；结合集料、空隙轮廓的位置和灰度变化特点，开发了集料、空隙的高精度三维几何重构方法，基于建模对象在各图层中的轮廓完成其三维几何重构，进而通过图形学布尔运算获得混合料高精度三维细观几何模型。其次，基于集料三维几何模型，分别研究了集料的有限元及离散元的多精度数值建模方法，实现了基于数值单元表面拟合误差可控的集料数值模型生成，能够在保证数值单元对集料表面精确拟合的前提下，优化控制集料数值模型的单元密度：对有限元模型，实现了基于四面体单元的集料内部网格的自适应密度调整，使之适应实际分析需要；对离散元模型，实现了基于尺寸不同球形单元的集料多精度离散元表示，且具有与集料的质量、重心及转动惯量的一致性。同时，提出了一种集料敏感度评价方法和一种集料—集料间三维接触关系的分类检测方法：前者通过构造混合料的理想化数值模型快速评价各集料在仿真中的重要性，用以辅助集料数值单元密度的设定；后者检测出接触面的接触方向、接触面积和接触类别信息，用以辅助混合料有限元细观仿真中的边界元设置。此外，重点研究了集料的三维形态学特征及空间分布的量化方法，在获取集料的最小包围盒、最小包围球的基础上，确定集料主轴方向，实现了包括过筛尺寸、三轴长度、球度、棱角性和方位角的虚拟测量，为研究集料的形态学及空间分布对混合料性能的影响规律打下基础。