胡小松，蔡 彰，李沛洪

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院 長(zhǎng)沙市 410004)

瀝青混合料結(jié)構(gòu)非均勻數(shù)值建模方法簡(jiǎn)介

胡小松，蔡 彰，李沛洪

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院 長(zhǎng)沙市 410004)

論述了瀝青混合料材料的結(jié)構(gòu)非均質(zhì)模型重建的基本方法，對(duì)其非均勻數(shù)值建模的發(fā)展進(jìn)行分析。

瀝青混合料；數(shù)值模擬；數(shù)字圖像處理技術(shù)；非均勻性

數(shù)值模擬已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在研究瀝青混合料的細(xì)觀力學(xué)性能，而數(shù)值建模是進(jìn)行數(shù)值模擬的必要一步，日前非均勻數(shù)值建模方法在瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)建模方面得以迅速發(fā)展，相對(duì)于均質(zhì)模型，非均勻模型能夠更好地模擬瀝青混合料的性能，與瀝青混合料的實(shí)際結(jié)構(gòu)更接近，細(xì)觀尺度數(shù)值模擬已被廣泛應(yīng)用于瀝青混合料復(fù)合行為，如應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、破壞行為、變形和疲勞行為等。數(shù)值模擬的前提條件是細(xì)觀模型重建。在早期階段，瀝青混合料被視為均質(zhì)材料，隨著模型重建技術(shù)的發(fā)展，非均勻模型在最近二十年得到了迅速的發(fā)展。非均勻模式的關(guān)鍵是分配給集料和基體(瀝青膠漿)不同的材料屬性。相比均相模型，異質(zhì)模型與實(shí)際情況更一致，以使數(shù)值模擬的結(jié)果更加可靠。數(shù)值模擬是定量分析物理系統(tǒng)演化的方法，特別是對(duì)于集料為基礎(chǔ)的瀝青混合料的數(shù)值模擬，能夠模擬集料之間的相互作用、變形、應(yīng)力分布、裂紋萌生和擴(kuò)展等。

1 基于數(shù)字圖像處理技術(shù)(DIP)的模型

數(shù)字圖像處理技術(shù)(DIP)就是利用CT掃描或高清數(shù)碼拍照(CDD)等設(shè)備把物理圖像轉(zhuǎn)化成離散的數(shù)字圖像，對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行各種變換及量測(cè)，并通過各種算法從數(shù)字圖像中提取有用的信息。其主要內(nèi)容包括圖像采集與數(shù)字化、圖像的壓縮、圖像的增強(qiáng)與復(fù)原、圖像的分割和圖像分析等。數(shù)字圖像處理技術(shù)開始于20世紀(jì)20年代，由于其處理速度快、成本低、再現(xiàn)性好、精度高、靈活性高等特點(diǎn)，已在工程學(xué)、生物學(xué)、航空航天、醫(yī)學(xué)、軍事、文化藝術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域取得了巨大的成功和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

基于數(shù)字圖像處理技術(shù)(DIP)的模型，通過CT掃描或高清數(shù)碼拍照(CDD)而獲得。主要包括三個(gè)步驟。首先，準(zhǔn)備瀝青混合料試件，即按照相關(guān)試驗(yàn)規(guī)范制作瀝青混合料馬歇爾試件、梁試件等,對(duì)于通過CDD高清數(shù)碼拍照的需要對(duì)試件進(jìn)行切割及磨平；然后，利用CT掃描或高清數(shù)碼拍照(CDD)來獲取瀝青混合料試件的橫截面或表面的數(shù)字圖像，并對(duì)生成的數(shù)字圖像進(jìn)行銳化、均衡化等預(yù)處理。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),可在集料與基體(瀝青膠漿)的界面處做增強(qiáng)處理,以得到利于進(jìn)一步分析的圖像。在得到增強(qiáng)過的灰度圖后,再利用閡值法,將灰度圖轉(zhuǎn)換成二值圖,從而為圖像識(shí)別做好準(zhǔn)備。最后，將瀝青混合料的各相的幾何信息導(dǎo)入到ABAQUS、ANSYS等有限元軟件中來重建一個(gè)數(shù)值模型。CDD高清數(shù)碼拍照只能得到試樣的表面上的信息，因此它僅用于重建的2D數(shù)字模型。相反，CT掃描可以獲得樣本的內(nèi)部信息，所以它可用于3D模型重建。圖1為典型的基于CT掃描的數(shù)字圖象處理過程。

由圖2可知基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的模型能夠捕獲各個(gè)階段的瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的詳細(xì)幾何信息，但過程多、處理復(fù)雜，且涉及的集料數(shù)量大，導(dǎo)致其計(jì)算量大，因此其價(jià)格昂貴且耗時(shí)，并且該模型的精度也高度依賴于數(shù)字圖像處理技術(shù)(DIP)。

2 計(jì)算機(jī)生成模型

不同于數(shù)字圖像處理技術(shù)(DIP)的模型，計(jì)算機(jī)生成模型通過這兩步來重建：生成相應(yīng)數(shù)量的骨料和安置骨料在相應(yīng)的位置，其中生成合適的骨料是關(guān)鍵。一般而言，它可以分為兩種基本類型：用戶自定義骨料模型和現(xiàn)實(shí)骨料模型。

2.1 用戶自定義骨料模型

用戶自定義模型一般把集料等效為圓或者橢圓(二維)和球或者橢球(三維)，一般以粒徑2.36mm為界限劃分粗、細(xì)集料，即粒徑2.36mm以上的集料作為骨料，2.36mm以下的集料、礦粉、瀝青等作為瀝青膠漿及空隙。大量的研究表明將不規(guī)則集料等效為與原集料具有相同的最大弦長(zhǎng)及面積的橢圓最為合理。這樣一方面保留了不規(guī)則集料的尺寸效應(yīng),另一方面保證了獲得的瀝青混合料數(shù)字試件的集料體分比與原試件是一致的，其建模的具體過程如圖3所示。

相對(duì)于直接基于數(shù)字圖像處理技術(shù)(DIP)的模型，用戶自定義骨料模型在一定程度下簡(jiǎn)化了模型，使得建模更為容易，且計(jì)算量有所減少，但這種方法的一個(gè)顯著缺點(diǎn)是橢圓會(huì)丟失集料的部分幾何特征，尤其是棱角和表面紋理。

2.2 現(xiàn)實(shí)骨料模型

現(xiàn)實(shí)骨料模型是利用CT掃描或者高清數(shù)碼拍照(CDD)直接對(duì)集料進(jìn)行圖像的采集，得到集料的的數(shù)字圖像及細(xì)觀特征(如圖4)，模型中骨料模型的形狀與原集料形狀非常相似，研究人員一直在尋求以產(chǎn)生模擬真實(shí)的瀝青混合料幾何形狀骨料的模型。類似于基于CT掃描或者CDD高清數(shù)碼拍照的瀝青混合料試件的數(shù)字圖像的獲得，集料數(shù)字圖像也可以通過CT掃描或者CDD高清數(shù)碼拍照獲得。相對(duì)于瀝青混合料試件的CT掃描或者CDD高清數(shù)碼拍照，直接對(duì)各骨料進(jìn)行掃描生成的骨料模型可以重復(fù)使用，在其他設(shè)計(jì)參數(shù)改變的情況下不需要重新制作試件和模型，從而節(jié)約了時(shí)間和成本。其重點(diǎn)是把生成的骨料按照一定的規(guī)律放入到基體中，使得其放入的位置趨于合理，其骨料模型生成如圖4及圖5所示。

現(xiàn)實(shí)骨料生成模型能夠較好地反映瀝青混合料中骨料的形態(tài)，其只需對(duì)瀝青混合料骨料進(jìn)行CT掃描或者CDD高清數(shù)碼拍照，而且骨料模型也能夠重復(fù)使用，對(duì)于不同設(shè)計(jì)參數(shù)的瀝青混合料試件，也不需要重新成型不同的試件，并分別對(duì)不同的試件進(jìn)行CT掃描或者CDD高清數(shù)碼拍照，從而大大節(jié)約了成本，且耗時(shí)也較少，其關(guān)鍵是能夠把生成的骨料放入基體中合適的位置。

3 結(jié)論

(1)基于數(shù)字圖像處理技術(shù)(DIP)的模型能夠捕獲各個(gè)階段的瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的詳細(xì)幾何信息，但它成本較高，并且該模型的精度也高度依賴于數(shù)字圖像處理技術(shù)。

(2)相對(duì)于直接基于數(shù)字圖像處理技術(shù)(DIP)的模型，用戶自定義骨料模型簡(jiǎn)化了模型和建模過程，且使得模型的計(jì)算量有所減少，但此方法的一個(gè)顯著缺點(diǎn)是橢圓會(huì)丟失集料的部分幾何特征，尤其是棱角和表面紋理。

(3)現(xiàn)實(shí)骨料模型只需對(duì)瀝青混合料的骨料進(jìn)行CT掃描或者CDD高清數(shù)碼拍照，且骨料模型也能夠重復(fù)使用，從而節(jié)省了時(shí)間和成本，其關(guān)鍵是能夠使生成的骨料放入基體中的位置趨于合理。

(4)由于數(shù)字圖像處理技術(shù)是影響模型重建質(zhì)量的主要因素，因此數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展將成為未來的一個(gè)重要的研究課題。

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Brief Introduction of Heterogeneous Numerical Modeling Method for Asphalt Mixture Structure

HUXiao-song,CAIZhang,LIPei-hong

(School of Traffic and Transportation Engineering，Changsha University of Science & Technology, Changsha 410004, China)

The basic method for rebuilding heterogeneous model for the structure of asphalt mixture material is discussed, and the analysis on the development of heterogeneous numerical modeling is made.

Asphalt mixture; Numerical modeling; Digital image processing technique; Heterogeneity

1673-6052(2016)11-0039-03

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.11.011

U414.7+5

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