一种水泥稳定材料微裂纹仿真方法

本发明属于模型仿真，涉及一种水泥稳定材料微裂纹仿真方法。

背景技术：

1、对于水泥稳定类材料，由于骨料与砂浆力学性能的差异，水泥水化以及干温缩作用，在水泥稳定材料结构内会不可避免的产生微孔洞和微裂纹；再者，在水泥稳定材料运营过程中疲劳损伤也会在其内部生成微裂纹。这些微小缺陷通常存在于水泥砂浆基体内以及砂浆与骨料的界面中，与微小孔隙不同的是，微裂纹在空间内为一有限尺寸的线段，各裂纹之间具有连通性，这些微裂纹在循环荷载作用下会进一步发生跨尺度演化，导致结构断裂；此外，微裂纹提高了水泥基材料的准脆性，使其不同于脆性材料发生的突然断裂，而是存在着一个相对的裂纹稳定扩展过程。微裂纹的存在对水泥稳定类材料的开裂行为具有重要影响，所以在断裂失效分析研究中，这种裂纹初始缺陷对结构损伤发展的作用也将不可忽视。

2、目前，已有研究者曾采用冲击回波法、扫描电镜、压汞试验、真空荧光环氧浸渍法、x射线ct法等微观分析技术探讨了混凝土内的初始缺陷，研究了混凝土内部微裂纹与抗压强度、劈拉强度、抗冻性能和抗氯离子渗透性之间的关系，并指出微裂纹密度是反映混凝土内部损伤的直观指标；但由于微裂纹尺寸大多在50μm以下，且对观测时的环境湿度以及制样过程中的切割、打磨等干扰比较敏感，准确获取微观裂纹信息难度较大。因此，为了便于分析，在以往的水泥稳定类材料的断裂研究中大多忽略了微裂纹的存在，并将砂浆材料视为一种宏观连续体对待，而微裂纹在水稳材料断裂研究中的作用还有待做进一步探讨。

3、然而，对于多数工程材料而言，由于材料内部微裂纹存在种类多样、几何形态多样以及力学环境复杂的特点，使得常规测试手段无法建立细观结构与宏观力学性能之间的联系，传统力学理论也难以获得数学解析解，在这种背景下，随着计算机仿真技术的发展，细观尺度断裂仿真已成为揭示复合材料开裂机理的重要手段。目前的数值模拟方法中，常采用有限元法来模拟微裂纹的仿真，但是存在以下问题：不能很好地解决不连续体系大变形运动的问题，不能有效模拟介质的滑移和开裂等非连续现象，导致构建的微裂纹缺陷模型准确率低；现有的方法，在微裂纹随机投放时难以实现微裂纹定量可控操作，不能真实反映出表征水稳复合材料的细观非均质特性，从而难以得出微观缺陷对结构细观开裂行为的影响机理。

技术实现思路

1、针对现有仿真方法中存在的建模效率低以及微裂纹随机投放难以定量可控的技术问题，本发明提供一种水泥稳定材料微裂纹仿真方法，能定量的实现微裂纹的随机生成与投放，构建的水稳材料细观断裂模型更精准，能从细观层次反映水稳材料的裂纹扩展行为和断裂机理。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种水泥稳定材料微裂纹仿真方法，包括以下步骤：

4、1)获取水泥稳定材料内部的二维切片图像，对水泥稳定材料进行微观缺陷量化分析，得到微裂纹缺陷几何形状分析信息数据库以及水稳砂浆平均孔隙率；

5、2)利用步骤1)水稳砂浆平均孔隙率，构建水泥稳定材料基础模型；

6、3)利用步骤1)微裂纹缺陷几何形状分析信息数据库，建立仿真微裂纹几何参数随机构造模型，确定微裂纹的几何参数，形成仿真微裂纹模板；

7、4)按照仿真微裂纹模板随机构造微裂纹，并在水泥稳定材料基础模型内进行微裂纹定量随机投放，完成微裂纹仿真。

8、进一步的，所述步骤1)具体为：

9、1.1)获取水泥稳定材料内部的二维切片图像；

10、1.2)对二维切片图像进行处理，识别出水泥稳定材料内部的各个目标缺陷区，遍历每一个目标缺陷区，将所有目标缺陷区划分为纹隙缺陷和孔洞缺陷，并得到各微裂纹缺陷对应的二维分布几何形状参数；

11、1.3)提取步骤1.2)各微裂纹缺陷对应的二维分布几何形状参数，得到微裂纹缺陷几何形状分析信息数据库以及水稳砂浆平均孔隙率。

12、进一步的，所述步骤1.2)包括以下步骤：

13、1.2.1)采用vgstudio max软件对二维切片图像进行处理，采用不同灰度值表征出水泥稳定材料内的集料、水稳砂浆和缺陷相；

14、1.2.2)继续将二维切片图像导入image j中，通过设置灰度阈值识别出目标缺陷区；

15、1.2.3)设置测量参数，并执行“analyze particles”操作，求解出包裹目标缺陷区的最小外接矩形框；

16、1.2.4)遍历每一个目标缺陷区，识别各目标缺陷区的实际覆盖面积，采用面积等效法从最小外接矩形框得到等效矩形框，即各目标缺陷区的二维分布形状；

17、1.2.5)计算各目标缺陷区的等效矩形框的等效长度、等效宽度以及等效面积，即二维分布几何形状参数；并计算等效矩形框的长宽比，按照长宽比将目标缺陷区划分为纹隙缺陷和孔洞缺陷。

18、进一步的，所述步骤1.3)中，水稳砂浆平均孔隙率p0按照下式计算：

19、

20、其中：ai为第i个纹隙缺陷的等效矩形框面积，bj为第j个孔洞缺陷的等效矩形框面积，qn为第n个二维切片图像上水稳砂浆材料的面积，i为二维切片图像上纹隙缺陷的数量；j为二维切片图像上孔洞缺陷的数量，n为二维切片图像的数量。

21、进一步的，所述步骤2)的具体过程是：

22、2.1)采用pfc2d软件中的“wall”命令生成边界墙体，形成封闭的模型边界区域，并在模型边界区域内随机填充由集料和水稳砂浆组成的颗粒体系；

23、2.2)根据平均孔隙率大小，从步骤2.1)的颗粒体系中随机删除部分水稳砂浆颗粒构造目标孔隙率，形成由集料、水稳砂浆和孔隙三相构成的数值试件；

24、2.3)对集料内部的单元颗粒、水稳砂浆内部的单元颗粒、集料与水稳砂浆界面的单元颗粒赋予相应的接触模型，设定各相材料的模型细观参数，形成水泥稳定材料基础模型。

25、进一步的，所述步骤3)的具体过程是：

26、3.1)根据步骤1)微裂纹缺陷几何形状分析信息数据库，得到各微裂纹的长度分布函数、倾角分布函数和中心位置分布函数；

27、3.2)根据各微裂纹的仿真微裂纹的长度分布函数、倾角分布函数和中心位置分布函数，确定出微裂纹几何参数的随机构造模型，即微裂纹长度li、微裂纹倾角θi、微裂纹中心坐标ci(xi，yi)参数；

28、3.3)将上述微裂纹长度li、微裂纹倾角θi、微裂纹中心坐标ci(xi，yi)，转化得到仿真微裂纹模板。

29、进一步的，所述步骤3.3)中，θi、xi和yi的计算公式如下：

30、θi＝360×u

31、xi＝xmin+(xmax-xmin)u

32、yi＝ymin+(ymax-ymin)u

33、其中：xmin为微裂纹分布区域内横坐标的最小值；xmax为微裂纹分布区域内横坐标的最大值；ymin为微裂纹分布区域内纵坐标的最小值；ymax为微裂纹分布区域内纵坐标的最大值；u为服从均匀分布的随机数，u～u(0，1)。

34、进一步的，所述步骤4)具体包括：

35、4.1)从步骤2)中的水泥稳定材料基础模型中得到水泥砂浆颗粒数量，计算微裂纹投放区域的面积以及所需投放微裂纹的总长度；

36、4.2)对步骤3)的仿真微裂纹模板，采用自识别算法生成微裂纹，在水泥稳定材料的砂浆颗粒内进行单条随机投放，并记录已完成投放的仿真微裂纹的总长度；

37、4.3)重复步骤4.2)，直至已完成投放的仿真微裂纹的总长度达到步骤4.1)计算的所需投放微裂纹的总长度，完成所有仿真微裂纹的定量随机投放；

38、4.4)将所有投放的仿真微裂纹两侧范围内的抗拉强度设为0，完成微裂纹仿真。

39、进一步的，所述步骤4.1)的具体过程是：将水泥稳定材料的砂浆作为仿真微裂纹的投放区域，根据步骤2)的水泥稳定材料基础模型中水泥稳定的砂浆颗粒单元的数量，计算仿真微裂纹投放区域的面积s，并根据设定的微裂纹密度d，计算出所需投放微裂纹的总长度t为：

40、t＝s×d

41、其中：t，单位m；s，单位为m2；d为单位面积内微裂纹总长度，单位为m/m2。

42、进一步的，所述步骤4.2)的具体过程是：

43、4.2.1)根据仿真微裂纹模板随机生成单条仿真微裂纹，确定该仿真微裂纹的两个端点坐标，两个端点分别为a端点和b端点，具体计算公式如下：

44、

45、

46、式中，li为第i个微裂纹的长度；θi为第i个微裂纹缺陷的倾角；xi、yi为第i个微裂纹的中心点坐标；x(1)、y(1)为a端点坐标；x(2)、y(2)为b端点坐标；

47、4.2.2)判断仿真微裂纹的两个端点是否处在水泥稳定材料基础模型中；

48、若两个端点坐标均满足要求，则进行单条随机投放；

49、若任一个端点超出模型边界区域或处于集料颗粒单元区域内，根据微裂纹倾角的单次旋转角度生成新微裂纹倾角，同时设定最大试算次数；

50、所述微裂纹倾角的单次旋转角度的计算公式如下：

51、δθ＝360/t

52、式中，δθ为微裂纹倾角的单次旋转角度；t为最大试算次数；

53、在设定的最大试算次数范围内，并重新计算新的微裂纹两个端点坐标，直至生成微裂纹的端点坐标均满足要求；若达到最大试算次数，生成新微裂纹的a端点坐标和b端点坐标仍不满足设定条件，则放弃本次微裂纹生成，重新开始下一轮的微裂纹随机构造。

54、本发明的有益效果是：

55、1、本发明提供的水稳材料微裂纹仿真方法，可实现微裂纹在水稳砂浆基体中的定量随机投放，用于构造更为精准的水稳材料细观断裂模型。

56、2、本发明采用x射线ct扫描设备和数字图像处理技术，通过自定义算法实现了对裂纹缺陷形状参数的提取与分析，获取了真实可靠的微裂纹缺陷分布数据，可以指导构建更为准确的微裂纹缺陷模型。

57、3、本发明通过自识别算法，可以自动控制对微裂纹的随机投放操作，且定量可控，大大提高建模效率和准确程度。

58、4、本发明建立的水泥稳定材料离散元模型为包含集料、砂浆、界面、孔隙和裂纹在内的五相体复合模型，能更加逼真地表征水稳复合材料的细观非均质特性，可用于进行水稳复合材料的细观断裂仿真分析，为开展非均质多相复合材料的细观模型构建研究提供了实践验证与技术参考。