[发明专利]破碎状态的粗集料颗粒离散元方法

说明书

本发明公开了一种破碎状态的粗集料颗粒离散元方法，包括以下步骤：(1)粗集料颗粒初筛；(2)CT扫描；(3)离散元软件PFC2D建模；(4)单一粒径粗集料颗粒接触刚度模型参数标定；(5)单一粒径粗集料颗粒贯入阻力下破碎量统计；(6)不同级配的粗集料颗粒贯入阻力下破碎量统计；(7)基于粗集料颗粒破碎量修正平行连接模型参数。本发明突破了道路工程离散元模拟过程中虚拟粗集料颗粒不可破碎的难点，采用离散元软件内Cluster模型，结合室内贯入阻力试验的破碎量统计，确定不同粒径颗粒的微观模型参数来模拟颗粒材料在外部阻力作用下破碎过程，通过扫描图像确保虚拟粗集料颗粒形态重构的精确性。

技术领域

本发明涉及道路工程中集料颗粒离散元方法，尤其涉及一种破碎状态的粗集料颗粒离散元方法。

背景技术

在道路工程数值离散模拟试验中，颗粒的破碎状态模拟一直是难点，成为精确模拟仿真的阻碍，现有的模拟方法中，大部分采用离散元软件PFC2D/3D，在模拟粗集料颗粒时，均已clump命令定义为刚体，该命令下虚拟颗粒不可破碎，在实际模拟实验时，该方法成型的虚拟颗粒在大应力、大应变条件下，虚拟仿真结果与实际差别较大，无法刻画颗粒破碎、试件破坏的真实状态。

发明内容

发明目的：本发明提供一种破碎状态的粗集料颗粒离散元方法，突破了道路工程离散元模拟过程中虚拟粗集料颗粒不可破碎的难点。

技术方案：本发明包括以下步骤：

(1)粗集料颗粒初筛：通过标准筛筛分粗集料颗粒，将其按照粒径大小分为多档粗集料颗粒，筛分出的每一档粗集料颗粒保证数量足够；

(2)CT扫描：对筛分出的每一档粗集料颗粒进行CT扫描，获得每一个粗集料颗粒的形态轮廓图像；

(3)离散元软件PFC2D建模：结合图像处理技术识别粗集料颗粒轮廓信息，在离散元软件内建立系列圆盘族重构虚拟颗粒形态，并利用Cluster命令将圆盘族定义为一个整体，同时建立单轴贯入试验虚拟试件模型；

(4)单一粒径粗集料颗粒接触刚度模型参数标定：进行不同粒径的粗集料单轴贯入室内试验与虚拟试验，确定每一档粗集料颗粒的接触刚度模型微观参数；

(5)单一粒径粗集料颗粒贯入阻力下破碎量统计：确定单轴贯入室内试验下，每一档粗集料颗粒因外部贯入阻力而破碎的颗粒质量分数；

(6)不同级配的粗集料颗粒贯入阻力下破碎量统计：确定单轴贯入室内试验下，选定级配的每一档粗集料颗粒因外部贯入阻力而破碎的颗粒质量分数；

(7)基于粗集料颗粒破碎量修正平行连接模型参数：赋予Cluster定义的虚拟颗粒平行连接模型，以确保虚拟颗粒为可变形、可破碎刚体，依据单一粒径、不同级配的粗集料颗粒贯入阻力下的颗粒破碎量，完成平行连接模型的参数修正。

步骤(1)中，粗集料筛分后，采用圆柱形铁质容器装盛粗集料颗粒。步骤(3)中，将CT扫描并处理后的颗粒轮廓信息导入至离散元软件PFC2D中，精确成型每一个粗集料颗粒的真实形态，每一个粗集料虚拟颗粒由一系列圆盘族组成，区别于传统的Clump命令方法，以Cluster命令流定义虚拟颗粒，以接触刚度模型定义圆盘的接触属性，以平行连接模型定义Cluster圆盘族内的圆盘初始连接属性。步骤(4)中，对不同档单一粒径粗集料颗粒进行单轴贯入室内、虚拟实验，拟合虚拟实验数据使其无限逼近真实的室内试验数据，获得并确定每一档单一粒径颗粒的接触刚度模型微观参数，所确定的接触刚度模型微观参数依据颗粒粒径划分，即不同粒径的颗粒接触刚度参数并不一致，需要分开确定。步骤(5)中，对不同档单一粒径粗集料单轴贯入试验后的颗粒破碎量进行统计，每一档粒径的粗集料单轴贯入试验进行多组，并将每组实验后的粗集料颗粒进行重新统计依次筛分，确定每一档粗集料颗粒经过贯入阻力破碎后粒径大小新的组成，具体如下式：