基于集料重要度评估的沥青混合料细观数值建模方法及仿真解误差估计

作     者：张吴兴 

作者单位：合肥工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：金灿

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：X-rayCT图像 沥青混合料 集料自适应简化 有限元仿真 误差估计 

摘      要：细观力学方法可以有效地研究沥青混合料各组分的力学行为。在沥青混合料的细观力学模拟中,由于沥青砂浆和粗集料的复杂形状需要大量的有限元单元表示,这使得仿真模拟非常耗时,并且失败的风险很高,为了以可接受的精度和较低的计算成本对混合料进行仿真,需要对沥青混合料进行简化。为了实现这一目标,本文提出了一种基于X射线计算机断层扫描(CT)图像的集料三维重建方法来简化粗集料和沥青砂浆的形态。在此过程中,考虑了集料对仿真解的影响。此外,利用有限元插值理论对沥青混合料组分形态简化引起的求解误差进行了量化。具体而言,本文工作的主要内容如下:(1)利用计算机图形图像技术对沥青混合料中的集料进行三维重建。具体地说,通过检测X射线CT图像中集料的二维(2-D)轮廓,并映射到集料以进一步重建集料三维实体模型。利用Spatial公司开发的建模工具ACIS进行三维建模。(2)开发算法完成集料与沥青组分的几何简化。将集料模型表面离散为三角形网格,进而将处近似一个平面的三角面片聚为一簇。在此基础上,识别相邻各簇之间的凹凸与拓扑关系,利用自行开发的算法移除集料模型的表面纹理,得到集料模型的多面体简化模型。最后,通过试件形状与集料多面体模型的布尔减运算,得到沥青简化模型。(3)提出了基于试验仿真结果的沥青混合料中集料的重要度量化指标,为简化集料形态提供了依据。通过简化参数的不同将集料分为若干组进行简化,有助于解决仿真精度与仿真计算量之间的平衡,得到了最终的简化模型。(4)利用有限元插值理论,对集料模型由于简化而产生的仿真误差进行了准确的估计。若估计的误差大于设定的误差阈值,可以通过调整简化参数减小仿真误差。因此,在保证仿真可靠性的前提下,可以证明简化算法的有效性。