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基于随机骨料投放的沥青混凝土细观模型研究

更新时间：2019-12-30 13:30:58 大小：3M 上传用户：songhuahua查看TA发布的资源 标签：python随机骨料投放 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

为从细观角度研究沥青混合料,用ABAQUS内置脚本语言python建立一种考虑集料的棱角性、粗集料占比和混合料空隙率的随机骨料投放模型。在建模过程中,以椭圆为基准,引入旋转坐标,用椭圆短轴和随机区间控制骨料的形状。用卡罗蒙特法根据集料级配生成与实际情况较为相符的不规则多边形骨料的沥青混合料二维数字模型。在骨料重叠判定上,直接以多边形骨料本身为目标进行判断而舍弃以椭圆为目标的判断方法。用体视学方法得到沥青混合料的二维级配,制作二维数字试件。通过模拟单轴压缩和单轴拉伸试验,与真实形状的骨料模型进行对比,表明本文生成的二维随机沥青混凝土模型与真实骨料模型较为接近。


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第16 卷 第5 期  
2019 年5 月  
铁道科学与工程学报  
Volume 16 Number 5  
May 2019  
Journal of Railway Science and Engineering  
DOI: 10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.05.014  
基于随机骨料投放的沥青混凝土  
细观模型研究  
张富强，滕旭秋，李斌斌  
(兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070)  
摘 要：为从细观角度研究沥青混合料，用ABAQUS 内置脚本语言python 建立一种考虑集料的棱角性、粗集料占比和混合  
料空隙率的随机骨料投放模型。在建模过程中，以椭圆为基准，引入旋转坐标，用椭圆短轴和随机区间控制骨料的形状。用  
卡罗蒙特法根据集料级配生成与实际情况较为相符的不规则多边形骨料的沥青混合料二维数字模型。在骨料重叠判定上，直  
接以多边形骨料本身为目标进行判断而舍弃以椭圆为目标的判断方法。用体视学方法得到沥青混合料的二维级配，制作二维  
数字试件。通过模拟单轴压缩和单轴拉伸试验，与真实形状的骨料模型进行对比，表明本文生成的二维随机沥青混凝土模型  
与真实骨料模型较为接近。  
关键词：细观；python；随机骨料投放；体视学；多边形骨料  
中图分类号：U416  
文献标志码：A  
文章编号：1672−7029(2019)05−1216−07  
Meso mesoscopic model of asphalt concrete based on random aggregate placement  
ZHANG Fuqiang, TENG Xuqiu, LI Binbin  
(College of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)  
Abstract: In order to study asphalt mixture from a micro perspective, a random aggregate delivery model was  
built by using ABAQUS built-in script language python. The model considered the Aggregate Angularity, coarse  
aggregate proportion and mixture porosity. In the process of building the model, the rotating coordinates were  
introduced with ellipse as the reference, and the shape of the aggregate was controlled by the elliptical short axis  
and the random interval. Two dimensional digital model of asphalt mixture material card remount method  
according to the aggregate gradation and the actual situation was consistent with the formation of irregular  
polygon aggregate. It was more close to the actual situation that the objective of the polygon aggregate itself was  
judged on the aggregate overlap and the ellipse as the target. The two-dimensional gradation of asphalt mixture  
was obtained by stereological method, and a two-dimensional digital specimen was made. Through the simulated  
uniaxial compression and uniaxial tensile test, the comparison with the real shape aggregate model shows that the  
two dimensional random asphalt concrete model is close to the real aggregate model.  
Key words: microview; python; random aggregate delivery; stereology; polygon aggregate  
沥青混合料是一种集石料、矿粉和胶结料于一  
需要成型马歇尔试件、小梁试件和车辙板试件。目  
前基于试验来研究沥青混合料性能的方法已相当  
体的复合材料。为了检测沥青混合料的性能，一般  
收稿日期：2018−07−16  
通信作者：滕旭秋(1975−)，女，黑龙江双鸭山人，副教授，博士，从事道路与铁道工程研究；E−mail：
1217  
第5 期  
张富强，等：基于随机骨料投放的沥青混凝土细观模型研究  
成熟，一方面，这些试验只能从宏观角度反映试件  
的整体性能，而不能从细观角度深入分析混合料内  
部的受力特点及变形情况；另一方面，有时候试验  
量大短期内难以完成或因设备昂贵难以实现。为  
此，本文建立了能够反映沥青混凝土细观特征的随  
机骨料投放模型。在混凝土随机骨料数值模拟方  
面，部分学者已取得了一些进展，Milad 等[1]提出了  
一种图像扫描与集料混合的随机生成沥青混凝土  
二维数字试样的方法。CHEN 等[2]采用蒙特卡洛随  
机骨料模型，通过单轴拉伸模拟，研究了试件尺寸、  
粗集料面积占比和孔隙率对混凝土名义抗拉强度  
的影响。CAO 等[3]利用随机骨料有限元模型预测沥  
青混凝土材料的动态模量。WANG 等[4]提出了一种  
二维非均质细观混凝土试件的生成过程，在柔性实  
体网格中预先插入具有软化牵引分离关系的零厚  
度黏结界面单元，以模拟复杂裂纹的萌生和扩展。  
MA 等[5]实现了用细观有限元模拟研究全级配混凝  
土的弯曲破坏过程。李坛等[6]将椭球体方程进行改  
造，在方程中引入随机变量及控制参数，生成了不  
规则多面体骨料。梁建等[7]用AUTOCAD 内置语言  
VBA 分别生成二维和三维多面体骨料，并运用交点  
法判断骨料是否相交，但此种方法要想将生成的模  
型导入有限元软件，还需处理转换成SAT 格式，通  
用性不强。屈瑾等[8]用MATLAB 软件生成了圆形、  
多边形及椭圆形随机骨料，但要想在有限元中计  
算，需借助MATLAB与AUTOCAD接口转换成SAT  
格式，过程相当繁琐。程一磊等[9]用生成的随机骨  
料模型进行三点弯曲试验模拟并验证了与试验结  
果的一致性。谢军等[10]用数字图像处理技术获取沥  
青混合料的截面图，通过二值化等图像处理技术得  
到沥青混合料粗集料轮廓进行数值分析。但这种方  
法必须以试验为基础才能进行。目前，现有的随机  
骨料模型大多是借助第三方编程软件实现随机骨  
料模型的建立，或直接通过图像处理，然后再导入  
有限元软件实现计算，在骨料重叠判定方面和骨料  
随机旋转分布等方面还不足。本文在椭圆方程的基  
础上引入旋转坐标和随机角度分布，以椭圆长轴为  
骨料直径，利用椭圆短轴控制集料高度，更加真实  
地再现了骨料的棱角、形状以及随机分布等特征。  
1 二维随机骨料模型级配  
1.1 二维级配的转化  
陈俊等[11]提出运用体视学方法将三维体积级  
配转换为二维数量级配的方法，见式(1)~(5)。  
M(D圆) 2.47kM(D球）  
(1)  
式中： M(D圆) [M (D圆 d1)  
M (D圆 dm )]T  
M (D圆 d2) …  
M(D球 ) [M (D球 d1) M (D球 d2 ) …  
M (D球 dm )]T  
n
其中：k   
k
ji  
ij  
m 为二维截面上所有截面圆的直径；n 为三维  
集料直径的所有组数；M 表示级配矩阵。  
为组距，  Rmax / n ，kij 即为第i 组集料对  
形成第j 组截面圆的贡献量。  
kij 0 ( j i, j i)  
(2)  
k ji [(i 1/ 2)2 ( j 1)2 ]1/2 (i 3/ 4)1/2 (i j) (3)  
k ji [(i 1/ 2)2 ( j 1)2 ]1/2 [(i 1/ 2)2 j]1/2  
( j i, j i)  
(4)  
48  
M (D球 di )   
f (D球 di )  
(5)  
3
π(di di1  
)
f (D球 di ) 为混合料级配中等效粒径在  
di ~ di1 的集料占总集料的比例。  
1.2 集料个数的确定  
沥青混合料试件是由沥青、粗集料和细集料等  
组成的，由于生成粒径较小的颗粒时数量非常庞大  
难以实现，本文以2.36 mm 为界，将沥青以及2.36  
mm 以下的细集料作为沥青砂浆形成一个整体，将  
2.36 mm 以上的集料以随机投放的方式生成。为了  
得到2.36 mm 以上各档集料颗粒数量，需要知道这  
部分集料的所占比例。陈俊等[11]通过成型不同级配  
的沥青混合料试板，将得到切片图像进行二值化处  
理得到了集料的面积和沥青砂浆的面积，表1 为不  
同级配的沥青混合料对应的粗集料占试件的面积  
比值。  

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