沥青混合料中基于真实形状的集料多精度数值建模方法研究

发布时间：2020-06-05 09:50

【摘要】：随着计算机图形图像技术的发展,细观力学数值仿真技术作为一种基于沥青混合料细观结构的分析技术,有效提升了沥青混合料路用性能的预测精度,获得了越来越广泛的应用。混合料细观数值模型是进行可靠仿真的基础和前提,其中,集料在混合料材料组分中占比最大,其数值表示对混合料细观仿真的精度及规模有着十分重要的影响。本文基于集料的X-ray CT断面扫描图像,运用计算机图形图像技术完成集料的三维实体重构,在此基础上开发集料自适应数值建模算法,实现集料三维离散元及有限元数值模型的参数化自动构建,主要内容如下:(1)检测X-ray CT图像中集料的二维轮廓像素,以构建集料轮廓线框模型,并确定集料与其在各图层中轮廓的映射关系,使用三维造型引擎ACIS完成集料的三维实体重构。(2)开发集料表面的球体拟合算法,使用球形单元对集料实体模型的三维表面进行精度可控的拟合,并充实模型内部空间,获得对集料形状的球形单元拟合结果,在此基础上开发质量属性标定算法,以集料的质量属性标定该拟合结果,从而获得集料三维离散元模型。(3)开发集料表面的三角面片离散算法,将集料实体模型的三维表面离散为表面偏差可控的三角面片集合,进而开发基于单元质量控制的四面体单元剖分算法,从集料表面三角面片出发,完成四面体单元的生成、细分及优化,获得集料三维有限元模型。经过对大量真实集料的三维重构及数值建模实验,本文提出的集料离散元自适应建模方法,能够在控制集料表面拟合精度的前提下生成占用原集料99%以上体积的离散元模型,与现有离散元建模方法相比,大幅降低了模型的单元数量,并可导入离散元主流仿真软件PFC~(3D);而本文提出的有限元自适应建模方法,亦能在控制集料表面拟合精度的前提下生成优质四面体单元,与通用有限元软件的网格划分模块相比,本文方法大幅降低了四面体单元数量,并可导入有限元主流仿真软件ANSYS。从而有效提升混合料数值建模的自动化、可靠性及效率。
【图文】：

过程图,过程图,图像处理,集料

结果如图2.2(c)所示。然而对于紧密接触的两个集料，依据二值化处理获得的图像，使用软件自动生成二维轮廓，往往无法将两个集料自动分离，因此需要开发边界识别算法，自动识别 CT 图像中的集料轮廓，并生成闭合轮廓曲线。集料轮廓识别技术目前已经相对成熟，并不是本文研究的重点。图 2.2 图像处理过程图Fig 2.2 Processes of image processing2.3 集料三维实体重构2.3.1 集料与轮廓间映射关系构建在对试件进行 CT 扫描和图像处理后，即可获得包含集料二维轮廓图像的若干图层，每一层都同时记录不同集料在该层的断面信息。为了完成集料二维图像到三维图形的转化，首先需要对分布在不同图层中的轮廓进行区分，以提取目标集料的所有二维轮廓。根据不同集料之间的相对位置关系及空间绝对位置，将相邻图层中集料轮廓分别映射，以此辨识出所有图层中同属一个集料的轮廓，并将其按照扫描顺序和间距排列，如图 2.3(a)所示。2.3.2 集料二维轮廓图形化建模在完成 X 射线 CT 图像处理后，生成集料二维轮廓图，此时的轮廓图是由若干像素点紧密排列组成。一般来讲，表征集料轮廓的关键点越多，表示的轮廓越接近于真实情况。然而关键点越多，建模工作量越大，数值仿真效率越低。因此

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集料关键点的选取主要遵循以下四个原则:（1）曲率越大，取点密度越大以保证曲线轮廓平缓过渡；（2）曲率转折点尽量作为关键点，用以保留转息；（3）关键点在上下扫描层之间尽可能相对应，用以避免蒙皮操作出现；（4）替代直线与轮廓曲线满足精度要求，用以保证实体模型与真实集料拟合。对于基于集料的 CT 图像，其二维轮廓较为规则与光滑，根据以上四则可以编写选取关键点算法，而对于沥青混合料，则需要人工取点。在选取关键点后，调用 ACIS api_make_wire 函数即生成闭合的多边形轮图 2.3(a)所示。3.3 集料三维建模使用三维造型引擎 ACIS 的蒙皮操作，对线框表面平缓拟合，，获得表面闭集料三维轮廓，并自动完成内部填充。本文采用的建模方法是基于现有开发为成熟建模方法，具体的建模过程与方法，所在课题组先前工作中已经详细，这里不再赘述，通过图像处理与集料二维轮廓建模等工作后，最终得到如3(b)所示的集料颗粒三维实体模型。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U414

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