【摘要】：隨著計算機(jī)圖形圖像技術(shù)的發(fā)展,細(xì)觀力學(xué)數(shù)值仿真技術(shù)作為一種基于瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的分析技術(shù),有效提升了瀝青混合料路用性能的預(yù)測精度,獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。混合料細(xì)觀數(shù)值模型是進(jìn)行可靠仿真的基礎(chǔ)和前提,其中,集料在混合料材料組分中占比最大,其數(shù)值表示對混合料細(xì)觀仿真的精度及規(guī)模有著十分重要的影響。本文基于集料的X-ray CT斷面掃描圖像,運(yùn)用計算機(jī)圖形圖像技術(shù)完成集料的三維實體重構(gòu),在此基礎(chǔ)上開發(fā)集料自適應(yīng)數(shù)值建模算法,實現(xiàn)集料三維離散元及有限元數(shù)值模型的參數(shù)化自動構(gòu)建,主要內(nèi)容如下:(1)檢測X-ray CT圖像中集料的二維輪廓像素,以構(gòu)建集料輪廓線框模型,并確定集料與其在各圖層中輪廓的映射關(guān)系,使用三維造型引擎ACIS完成集料的三維實體重構(gòu)。(2)開發(fā)集料表面的球體擬合算法,使用球形單元對集料實體模型的三維表面進(jìn)行精度可控的擬合,并充實模型內(nèi)部空間,獲得對集料形狀的球形單元擬合結(jié)果,在此基礎(chǔ)上開發(fā)質(zhì)量屬性標(biāo)定算法,以集料的質(zhì)量屬性標(biāo)定該擬合結(jié)果,從而獲得集料三維離散元模型。(3)開發(fā)集料表面的三角面片離散算法,將集料實體模型的三維表面離散為表面偏差可控的三角面片集合,進(jìn)而開發(fā)基于單元質(zhì)量控制的四面體單元剖分算法,從集料表面三角面片出發(fā),完成四面體單元的生成、細(xì)分及優(yōu)化,獲得集料三維有限元模型。經(jīng)過對大量真實集料的三維重構(gòu)及數(shù)值建模實驗,本文提出的集料離散元自適應(yīng)建模方法,能夠在控制集料表面擬合精度的前提下生成占用原集料99%以上體積的離散元模型,與現(xiàn)有離散元建模方法相比,大幅降低了模型的單元數(shù)量,并可導(dǎo)入離散元主流仿真軟件PFC~(3D);而本文提出的有限元自適應(yīng)建模方法,亦能在控制集料表面擬合精度的前提下生成優(yōu)質(zhì)四面體單元,與通用有限元軟件的網(wǎng)格劃分模塊相比,本文方法大幅降低了四面體單元數(shù)量,并可導(dǎo)入有限元主流仿真軟件ANSYS。從而有效提升混合料數(shù)值建模的自動化、可靠性及效率。
【圖文】：

結(jié)果如圖2.2(c)所示。然而對于緊密接觸的兩個集料，依據(jù)二值化處理獲得的圖像，使用軟件自動生成二維輪廓，往往無法將兩個集料自動分離，因此需要開發(fā)邊界識別算法，自動識別 CT 圖像中的集料輪廓，并生成閉合輪廓曲線。集料輪廓識別技術(shù)目前已經(jīng)相對成熟，并不是本文研究的重點。圖 2.2 圖像處理過程圖Fig 2.2 Processes of image processing2.3 集料三維實體重構(gòu)2.3.1 集料與輪廓間映射關(guān)系構(gòu)建在對試件進(jìn)行 CT 掃描和圖像處理后，即可獲得包含集料二維輪廓圖像的若干圖層，每一層都同時記錄不同集料在該層的斷面信息。為了完成集料二維圖像到三維圖形的轉(zhuǎn)化，首先需要對分布在不同圖層中的輪廓進(jìn)行區(qū)分，以提取目標(biāo)集料的所有二維輪廓。根據(jù)不同集料之間的相對位置關(guān)系及空間絕對位置，將相鄰圖層中集料輪廓分別映射，以此辨識出所有圖層中同屬一個集料的輪廓，并將其按照掃描順序和間距排列，如圖 2.3(a)所示。2.3.2 集料二維輪廓圖形化建模在完成 X 射線 CT 圖像處理后，生成集料二維輪廓圖，此時的輪廓圖是由若干像素點緊密排列組成。一般來講，表征集料輪廓的關(guān)鍵點越多，表示的輪廓越接近于真實情況。然而關(guān)鍵點越多，建模工作量越大，數(shù)值仿真效率越低。因此

集料關(guān)鍵點的選取主要遵循以下四個原則:（1）曲率越大，取點密度越大以保證曲線輪廓平緩過渡；（2）曲率轉(zhuǎn)折點盡量作為關(guān)鍵點，用以保留轉(zhuǎn)息；（3）關(guān)鍵點在上下掃描層之間盡可能相對應(yīng)，用以避免蒙皮操作出現(xiàn)；（4）替代直線與輪廓曲線滿足精度要求，用以保證實體模型與真實集料擬合。對于基于集料的 CT 圖像，其二維輪廓較為規(guī)則與光滑，根據(jù)以上四則可以編寫選取關(guān)鍵點算法，而對于瀝青混合料，則需要人工取點。在選取關(guān)鍵點后，調(diào)用 ACIS api_make_wire 函數(shù)即生成閉合的多邊形輪圖 2.3(a)所示。3.3 集料三維建模使用三維造型引擎 ACIS 的蒙皮操作，對線框表面平緩擬合，，獲得表面閉集料三維輪廓，并自動完成內(nèi)部填充。本文采用的建模方法是基于現(xiàn)有開發(fā)為成熟建模方法，具體的建模過程與方法，所在課題組先前工作中已經(jīng)詳細(xì)，這里不再贅述，通過圖像處理與集料二維輪廓建模等工作后，最終得到如3(b)所示的集料顆粒三維實體模型。
【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：U414

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本文編號：2697870