基于X-ray CT技术的沥青混合料细观结构虚拟力学试验研究

发布时间：2017-08-15 12:13

  本文关键词：基于X-ray CT技术的沥青混合料细观结构虚拟力学试验研究

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【摘要】：沥青路面目前是高等级公路的主要路面结构型式,随着沥青路面的广泛应用,设计者遇到越来越多的问题。长期以来,研究者主要采用简化模型及室内试验研究沥青混合料宏观性能,这种方法花费大量的时间和人力物力,而且无法从本质上解释沥青混合料复杂的力学性能。有限单元法虽能从细观角度研究沥青混合料,但该方法难以处理颗粒材料接触问题。本文结合X-ray CT和离散元研究了沥青混合料细观结构与宏观性能之间的联系。首先,选取典型混合料AC20、SMA20和SUP20为研究对象,基于X-ray CT扫描和改进的图像处理技术,获取沥青混合料内部结构,然后通过体视学推导二维与三维级配关系,选择二维纵向截面导入离散元软件PFC2D中,从而建立沥青混合料虚拟几何模型,并利用室内试验确定模型中的细观接触参数,最终实现了单轴压缩虚拟试验,从而证明了图像处理与离散元结合的可能性。其次,通过设计单轴压缩正交试验,探究了集料刚度及砂浆粘弹性对沥青混合料抗压强度的影响,并利用BP神经网络结构建立了沥青混合料宏观力学性能与离散元中的细观接触参数的联系。正交试验的结果发现集料的法向刚度对三种混合料的单轴抗压强度均有显著影响。SUP20及AC20的BP神经网络误差小于6%而SMA20的最大误差达到15%。然后,对单轴压缩过程中的集料运动特点进行评价,通过质心坐标和长轴表述集料刚体运动及转动特性,研究发现集料在受压过程中先发生纵向位移然后水平移动。同时还分析了加载过程中砂浆内部接触力的变化规律,发现三种混合料的砂浆在受力中内部的接触拉力数目与接触压力数目发展趋势一致,而接触拉力和接触压力的大小演变却不同,结果说明SUP20砂浆承担了拉力,SMA20的砂浆几乎不受力,而AC20的砂浆则分担了一部分压力。通过本文的研究,表明集料和砂浆的材料属性及几何特性均影响着沥青混合料的宏观性能。希望本文能为从细观结构研究宏观性能提供新思路,深化对沥青混合料的理解和认识。
【关键词】：沥青混合料 细观结构 X-ray CT扫描 离散元 神经网络
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U414
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-17
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 国内外研究现状10-13
• 1.2.1 X-ray CT图像处理的研究进展10-12
• 1.2.2 离散元的研究进展12
• 1.2.3 X-ray CT图像技术结合离散元的研究进展12-13
• 1.3 现阶段细观结构研究存在问题13
• 1.4 论文研究内容及意义13-14
• 1.5 论文研究技术路线14-17
• 第二章 沥青混合料内部结构获取17-25
• 2.1 试验材料性质17-18
• 2.1.1 沥青17
• 2.1.2 集料17-18
• 2.2 沥青混合料设计18-22
• 2.2.1 级配设计18-19
• 2.2.2 确定沥青用量19-22
• 2.3 X-ray CT扫描22-24
• 2.3.1 X-ray CT扫描介绍22-23
• 2.3.2 沥青混合料试件扫描23-24
• 2.4 本章小结24-25
• 第三章 沥青混合料图像处理25-37
• 3.1 数字图像处理25-26
• 3.1.1 数字图像处理简介25
• 3.1.2 数字图像处理软件25-26
• 3.2 图像预处理26-28
• 3.2.1 图像转换26
• 3.2.2 图像增强26-27
• 3.2.3 图像平滑27-28
• 3.3 图像分割28-29
• 3.4 建立虚拟试件29-34
• 3.5 本章小结34-37
• 第四章 沥青混合料离散元模型建立37-51
• 4.1 离散元软件PFC2D简介37-41
• 4.1.1 PFC2D的特点37-38
• 4.1.2 PFC2D的基本假定38
• 4.1.3 PFC2D中内置接触模型38-40
• 4.1.4 自定义接触粘弹性模型40-41
• 4.2 单轴压缩虚拟试验41-48
• 4.2.1 单轴压缩室内试验42
• 4.2.2 虚拟试件接触模型建立42-43
• 4.2.3 细观参数确定43-47
• 4.2.4 虚拟试验加载47-48
• 4.3 虚拟试验结果校正48-49
• 4.4 本章小结49-51
• 第五章 单轴压缩细观参数分析51-67
• 5.1 正交试验设计51-53
• 5.2 正交实验分析53-59
• 5.2.1 AC20单轴压缩虚拟试验正交分析53-55
• 5.2.2 SMA20单轴压缩虚拟试验正交分析55-57
• 5.2.3 SUP20单轴压缩虚拟试验正交分析57-59
• 5.3 BP神经网络分析59-66
• 5.3.1 BP神经网络基本概念59-61
• 5.3.2 基于MATLAB的BP神经网络建立61-65
• 5.3.3 BP神经网络验证65-66
• 5.4 本章小结66-67
• 第六章 单轴压缩虚拟试验分析67-77
• 6.1 集料运动分析67-72
• 6.2 砂浆内部接触力分析72-76
• 6.3 本章小结76-77
• 第七章 总结与展望77-79
• 7.1 总结77-78
• 7.2 展望78-79
• 参考文献79-82
• 致谢82-83
• 作者简介83

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 侯曙光;徐恺;张浩;;基于离散元模拟的沥青混合料单轴压缩试验细观力学分析[J];南京工业大学学报(自然科学版);2015年05期

2 石福周;王选仓;;基于离散元方法的沥青混合料抗裂性能分析[J];材料导报;2014年08期

3 刘大彬;周雄;郭雷;;热拌沥青混合料的离析评价方法[J];石油沥青;2013年03期

4 Guo Jianwei;Xu Guoan;Jing Hongwen;Kuang Tiejun;;Fast determination of meso-level mechanical parameters of PFC models[J];International Journal of Mining Science and Technology;2013年01期

5 陈俊;黄晓明;;采用离散元方法评价集料的骨架结构[J];东南大学学报(自然科学版);2012年04期

6 邓甲;;基于比表面积和油膜厚度的初始沥青用量确定方法研究[J];公路与汽运;2012年03期

7 颜敬;曾亚武;高睿;杜欣;;无黏结材料颗粒流模型的宏细观参数关系研究[J];长江科学院院报;2012年05期

8 周基;田琼;芮勇勤;英红;;基于数字图像的沥青混合料离散元几何建模方法[J];土木建筑与环境工程;2012年01期

9 段跃华;张肖宁;李红杰;苑苗苗;张顺先;王辉;;基于CT图像的粗集料颗粒接触特性细观尺度研究[J];建筑材料学报;2011年06期

10 王端宜;吴文亮;张肖宁;虞将苗;李智;;基于数字图像处理和有限元建模方法的沥青混合料劈裂试验数值模拟[J];吉林大学学报(工学版);2011年04期

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本文编号：678089