一種瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)力響應(yīng)的跨尺度分析方法與流程

本發(fā)明涉及數(shù)字圖像處理技術(shù)，尤其涉及一種瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)力響應(yīng)的跨尺度分析方法。

背景技術(shù)：

對(duì)于路面結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，目前的研究方法主要分為宏觀力學(xué)方法和細(xì)觀力學(xué)方法兩種，當(dāng)前的瀝青路面結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)從宏觀尺度考慮，將瀝青路面材料簡(jiǎn)化為連續(xù)均勻的彈性介質(zhì)。而在細(xì)觀尺度上，瀝青路面材料表征為多相復(fù)合材料，呈現(xiàn)出一定的各向異性，其破壞受到材料細(xì)觀特性多重耦合因素的影響。

路面結(jié)構(gòu)與材料的宏觀性能受到細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響，宏觀失效是由細(xì)觀失效發(fā)展所致的，目前基于瀝青路面結(jié)構(gòu)的細(xì)觀尺度分析方法還處于前期探索階段，且主要集中在對(duì)瀝青混合料力學(xué)特性的表征方面，研究方法以離散元和邊界元模型為主，建模難度大、計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，且與宏觀路面結(jié)構(gòu)分析模型對(duì)應(yīng)不夠密切。現(xiàn)有技術(shù)中，沒(méi)有一個(gè)較為完善的方法將基于宏觀角度分析方法與基于細(xì)觀角度分析方法聯(lián)系起來(lái)，對(duì)比兩種尺度分析結(jié)果來(lái)研究瀝青路面尺度效應(yīng)。因此，有必要針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。

相對(duì)而言，有限元模型則較為簡(jiǎn)單、成熟可靠，也更容易在宏觀模型與細(xì)觀模型之間建立起有效的聯(lián)接和對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，建立起瀝青路面結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計(jì)的宏觀—細(xì)觀跨尺度有限元模型，將能更好的揭示瀝青材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)與宏觀特性之間的相互關(guān)系，能夠優(yōu)化瀝青路面結(jié)構(gòu)與材料組合設(shè)計(jì)，為瀝青路面結(jié)構(gòu)與材料組合設(shè)計(jì)的發(fā)展提供新的有益思路，減少早期病害并有效提升瀝青路面的使用壽命和服役性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提供一種瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)力響應(yīng)的跨尺度分析方法，該方法將不同尺度模型通過(guò)切割邊界位移聯(lián)系起來(lái)，能夠更好地解釋路面結(jié)構(gòu)的尺度效應(yīng)，優(yōu)化瀝青路面結(jié)構(gòu)和材料組合設(shè)計(jì)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：一種瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)力響應(yīng)的跨尺度分析方法，包括以下步驟：

步驟1)進(jìn)行瀝青路面的三維宏觀尺度應(yīng)力響應(yīng)分析；

選取研究路面，根據(jù)路面的結(jié)構(gòu)參數(shù)、荷載參數(shù)及邊界條件建立瀝青路面的三維整體宏觀模型，并將三維整體宏觀模型劃分為若干個(gè)網(wǎng)格；對(duì)三維整體宏觀模型進(jìn)行整體計(jì)算分析，獲得各層應(yīng)力狀態(tài)以及模型的切割邊界位移；

所述結(jié)構(gòu)參數(shù)包括復(fù)合式瀝青路面結(jié)構(gòu)層每層所用材料，及材料的厚度、彈性模量、泊松比；

所述荷載參數(shù)包括宏觀模型中所施加的荷載類(lèi)型、荷載大小及荷載的幾何位置；

所述邊界條件包括三維宏觀模型中施加的邊界條件，所述邊界條件按照路面結(jié)構(gòu)的受力和變形特征來(lái)施加；

所述切割邊界位移是指在原有三維宏觀模型的分析結(jié)果的基礎(chǔ)之上，通過(guò)模型切割得到切割邊界，切割邊界的位移稱之為切割邊界位移；

步驟2)瀝青路面局部子模型二維宏觀與細(xì)觀尺度分析；具體如下：

2.1)根據(jù)真實(shí)的道路截面圖像，利用ANSYS軟件建立細(xì)觀尺度子模型，其坐標(biāo)系保持與宏觀模型的坐標(biāo)系一致，以宏觀三維路面模型中切割邊界位移作為位移強(qiáng)制荷載施加在細(xì)觀尺度子模型邊界上；

2.2)提取與細(xì)觀尺度子模型形狀大小相同，視為連續(xù)均勻材料的宏觀尺度子模型作為對(duì)比子模型；

2.3)計(jì)算分析細(xì)觀及宏觀尺度子模型的應(yīng)力響應(yīng)；

步驟3)跨尺度模型應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果分析；

將三維整體宏觀模型的應(yīng)力響應(yīng)與二維宏觀尺度和細(xì)觀尺度子模型的應(yīng)力響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析，分析獲得路面結(jié)構(gòu)的尺度效應(yīng)。

按上述方案，在所述的步驟(2)中，根據(jù)真實(shí)的道路截面圖像建立細(xì)觀尺度子模型的具體過(guò)程為：首先提取真實(shí)的道路截面圖像，再對(duì)道路截面圖像進(jìn)行二值化處理，接著將已二值化的圖像轉(zhuǎn)化為CAD軟件可識(shí)別的矢量圖，最后矢量圖由CAD軟件導(dǎo)入ANSYS軟件，建立細(xì)觀模型。

按上述方案，矢量圖的轉(zhuǎn)化過(guò)程為：測(cè)定研究路面的實(shí)際尺寸單位與像素單位之間比例，并將像素單位坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為實(shí)際尺寸單位坐標(biāo)，完成圖像的矢量化過(guò)程。

按上述方案，在步驟(2)中所建立的宏觀尺度子模型和細(xì)觀尺度子模型，兩個(gè)子模型的邊界條件、幾何形狀大小均相同。

本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：本發(fā)明完成了路面從三維整體宏觀模型到二維宏觀尺度子模型，再到細(xì)觀尺度子模型的跨尺度分析，運(yùn)用切割邊界位移的方法將不同尺度的模型聯(lián)系起來(lái)，該方法能夠簡(jiǎn)化瀝青路面結(jié)構(gòu)跨尺度建模過(guò)程，能準(zhǔn)確模擬小尺度模型的邊界位移條件。對(duì)應(yīng)力響應(yīng)的跨尺度分析表明，細(xì)觀尺度模型中應(yīng)力分布的規(guī)律性不如宏觀尺度模型，但細(xì)觀模型應(yīng)力響應(yīng)數(shù)值局部準(zhǔn)確度比宏觀模型高50％以上。由此證明，跨尺度有限元分析模型可適用于現(xiàn)有的瀝青路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)分析。

附圖說(shuō)明

下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，附圖中：

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的跨尺度模型分析流程圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的瀝青路面三維宏觀模型圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例的瀝青路面宏觀模型單元?jiǎng)澐质疽鈭D；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例的二維宏觀尺度子模型示意圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例的二維細(xì)觀尺度子模型示意圖；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例的瀝青混合料界面矢量化轉(zhuǎn)化過(guò)程示意圖；

圖7是本發(fā)明實(shí)施例的從三維宏觀模型計(jì)算結(jié)果中提取二維模型切割邊界位移示意圖；

圖8是本發(fā)明實(shí)施例的宏觀與細(xì)觀尺度子模型上施加切割邊界位移荷載示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1所示，本發(fā)明所述的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)力響應(yīng)的跨尺度分析方法包括以下步驟：

步驟一：瀝青路面的三維宏觀尺度應(yīng)力響應(yīng)分析

選取研究路面，根據(jù)所選路面的結(jié)構(gòu)參數(shù)、荷載參數(shù)及邊界條件運(yùn)用ANSYS軟件建立三維整體宏觀模型，并將模型劃分為若干個(gè)網(wǎng)格；對(duì)模型進(jìn)行整體計(jì)算分析，獲得各層應(yīng)力狀態(tài)以及后續(xù)子模型對(duì)應(yīng)的切割邊界位移。

其中結(jié)構(gòu)參數(shù)是指復(fù)合式瀝青路面結(jié)構(gòu)層每層所用材料，及材料的厚度、彈性模量、泊松比等；荷載參數(shù)是指宏觀模型中所施加的荷載類(lèi)型、荷載大小及荷載的幾何位置，這里的荷載類(lèi)型取雙輪雙軸荷載形式，采用標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100，單輪荷載取為18.9cm×18.9cm的方形面積，車(chē)輛兩輪間距為32cm，軸寬為182cm；邊界條件是指三維宏觀模型中所施加的邊界條件，具體的邊界條件按照路面結(jié)的構(gòu)受力和變形特征來(lái)施加。

所述切割邊界位移是指在原有三維宏觀模型的分析結(jié)果的基礎(chǔ)之上，通過(guò)模型切割得到切割邊界，切割邊界的位移稱之為切割邊界位移，提取出計(jì)算結(jié)果中切割邊界的位移作為位移強(qiáng)制荷載施加在后續(xù)二維宏觀及細(xì)觀子模型上，重新進(jìn)行分析求解。

步驟二：瀝青路面局部子模型二維宏觀--細(xì)觀尺度分析

根據(jù)真實(shí)的道路截面圖像，利用ANSYS軟件建立細(xì)觀尺度子模型，其坐標(biāo)系保持與宏觀模型的坐標(biāo)系一致，以宏觀三維路面模型中切割邊界位移作為位移強(qiáng)制荷載施加在子模型邊界上。

與此同時(shí)，提取與細(xì)觀尺度子模型形狀大小相同，但視為連續(xù)均勻材料的宏觀尺度子模型作為對(duì)比，如圖4。細(xì)觀子模型從細(xì)觀介質(zhì)力學(xué)的角度出發(fā)，將材料看作是細(xì)觀多相復(fù)合介質(zhì)。

計(jì)算分析細(xì)觀及宏觀尺度子模型的應(yīng)力響應(yīng)。

為了將宏觀三維模型與宏觀及細(xì)觀尺度子模型聯(lián)系起來(lái)，運(yùn)用了子模型的方法，通過(guò)模型切割截取二維局部區(qū)域子模型，并重新劃分網(wǎng)格，并將整體三維宏觀模型的切割邊界位移作為位移強(qiáng)制荷載施加到子模型的邊界上，重新進(jìn)行分析求解，從而獲取二維細(xì)觀及宏觀尺度的應(yīng)力響應(yīng)。

所述的步驟二中，根據(jù)真實(shí)的道路截面圖像建立細(xì)觀尺度子模型的具體過(guò)程為：首先提取真實(shí)的道路截面圖像，再在WinToPo Pro軟件中對(duì)道路截面圖像進(jìn)行二值化處理，接著將已二值化的圖像轉(zhuǎn)化為CAD軟件可識(shí)別的矢量圖，最后矢量圖由CAD軟件導(dǎo)入ANSYS軟件，建立細(xì)觀模型。

所述的圖像矢量化的具體過(guò)程為：反復(fù)利用試驗(yàn)微調(diào)二值化圖像中的像素單位坐標(biāo)；然后測(cè)定研究路面的實(shí)際尺寸單位與像素單位之間比例，并將像素單位坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為實(shí)際尺寸單位坐標(biāo)，完成圖像的矢量化過(guò)程。

步驟三：跨尺度模型應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果分析

將三維整體宏觀模型的應(yīng)力響應(yīng)與二維宏觀尺度和細(xì)觀尺度子模型的應(yīng)力響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析，分析路面結(jié)構(gòu)的尺度效應(yīng)。

瀝青混凝土AC-25是瀝青路面下面層常用材料，本發(fā)明以瀝青混凝土AC-25為例，對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)進(jìn)行跨尺度分析，需建立瀝青路面結(jié)構(gòu)與材料三維宏觀—二維宏觀—二維細(xì)觀跨尺度有限元模型。

一、三維宏觀尺度應(yīng)力響應(yīng)分析

選取半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，所選路面的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表所示。

表1半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)參數(shù)

這里的荷載類(lèi)型取雙輪雙軸荷載形式，采用標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100，輪胎標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)壓為0.7MPa，單輪荷載取為18.9cm×18.9cm的方形面積，車(chē)輛兩輪間距為32cm，軸寬為182cm，對(duì)路面結(jié)構(gòu)模型采用映射網(wǎng)格方法劃分單元，加載車(chē)輪荷載的18.9cm×18.9cm的四個(gè)面用布爾操作切割出來(lái)。模型的邊界條件為：土基底面全部約束，前后左右四個(gè)面分別約束垂向位移，頂面施加車(chē)輪荷載。瀝青路面宏觀模型圖見(jiàn)圖2，圖2中各層數(shù)據(jù)如表1。

對(duì)模型進(jìn)行劃分網(wǎng)格之后(圖3)，即可進(jìn)行整體計(jì)算分析，獲得各層的應(yīng)力狀態(tài)以及后續(xù)子模型對(duì)應(yīng)的切割邊界位移。

先計(jì)算三維瀝青路面宏觀模型，然后從計(jì)算結(jié)果中提取位于雙輪輪隙中間下面的路面下面層60×60mm區(qū)域的切割邊界位移數(shù)據(jù)，過(guò)程如圖7，其位移數(shù)據(jù)將作為二維宏觀尺度與細(xì)觀尺度子模型的邊界條件。

分析結(jié)果可以看出，半剛性基層的下面層的第一主應(yīng)力達(dá)到0.047MPa，第一主應(yīng)變?yōu)?1.1με。

二、局部子模型二維宏觀-細(xì)觀尺度子模型力學(xué)響應(yīng)對(duì)比分析

為分析宏觀-細(xì)觀跨尺度分析方法的計(jì)算結(jié)果，選取瀝青路面下面層材料AC-25建立其二維宏觀尺度子模型和細(xì)觀尺度子模型。

如圖5所示，二維AC-25細(xì)觀模型是直徑為101.6mm的圓形界面，因此，從圓形界面中選取60×60mm的矩形界面作為二維細(xì)觀尺度子模型。根據(jù)真實(shí)的道路截面圖像，利用ANSYS軟件建立細(xì)觀尺度子模型。需對(duì)瀝青混凝土AC-25界面(斷面剖開(kāi))進(jìn)行數(shù)字化數(shù)值處理，首選需要將AC-25界面圖像轉(zhuǎn)化為CAD格式，進(jìn)一步導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行計(jì)算有限元模擬分析，為了準(zhǔn)確、真實(shí)的將界面轉(zhuǎn)化為CAD格式，利用自主開(kāi)發(fā)軟件WinTopo Pro，進(jìn)行一系列后期處理和二維數(shù)值化，提取真實(shí)的二維AC-25界面。

1)基于二值數(shù)據(jù)的貝葉斯子空間的斷面識(shí)別算法

為了獲得清晰的二維細(xì)觀圖像，提出一種基于二值數(shù)據(jù)的貝葉斯子空間的斷面識(shí)別算法，通過(guò)設(shè)定圖像灰度級(jí)的閾值，然后統(tǒng)計(jì)其出現(xiàn)的頻率，計(jì)算其類(lèi)條件概率密度，利用貝葉斯公式求后驗(yàn)概率。該方法克服了傳統(tǒng)貝葉斯方法難求類(lèi)內(nèi)和類(lèi)間協(xié)方差矩陣的缺點(diǎn)，容易獲得清晰的二維細(xì)觀尺度子模型圖像。

最小風(fēng)險(xiǎn)貝葉斯決策的二值化的斷面圖像分類(lèi)(水泥、集料、乳化瀝青)識(shí)別算法，重新定義了一種求類(lèi)條件概率密度的方法，通過(guò)它可以直接求貝葉斯空間后驗(yàn)概率密度。此種方法簡(jiǎn)單可行，避免了通過(guò)求類(lèi)內(nèi)和類(lèi)間的協(xié)方差矩陣來(lái)求類(lèi)條件概率的復(fù)雜性，并且也能通過(guò)最小風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)來(lái)避免或減輕類(lèi)內(nèi)重疊問(wèn)題。

1)二值數(shù)據(jù)

二值數(shù)據(jù)是各樣本的每一特征只取數(shù)值1或0。對(duì)于試樣斷面圖像的分類(lèi)問(wèn)題，在數(shù)字圖形特征提取時(shí)，定義了一個(gè)N*M模板，對(duì)于每一份內(nèi)的像素個(gè)數(shù)進(jìn)行累加統(tǒng)計(jì)，除以該模板每一份的面積。設(shè)定閾值T，模板所對(duì)應(yīng)的元素黑像占有率大于T，則特征值為1；否則取0。

2)貝葉斯子空間

①計(jì)算先驗(yàn)概率P(ω_i)，先驗(yàn)概率可由各類(lèi)的樣本數(shù)和樣本總數(shù)近似計(jì)算：

其中：P(ω_i)為圖像類(lèi)別i的先驗(yàn)概率，Ni為第i類(lèi)圖像的樣品數(shù)，N為圖像空間樣本總數(shù)。

②計(jì)算P_j(ω_i)，再計(jì)算類(lèi)條件概率P(X|ω_i)。

其中：i＝0,1,2,3,…,M-1共M個(gè)類(lèi)；j＝0,1,2,…,L，共L個(gè)特征；

P_j(ω_i)表示樣本X(x0,x1,…,xl)屬于ω_i類(lèi)條件下，X的第j個(gè)分量為1(xj＝1)的概率估計(jì)值。

由此可以得P(x_j＝1|X∈ω_i)＝P_j(ω_i)，P(x_j＝0|X∈ω_i)＝1-P_j(ω_i)

式中：i＝0,1,2,3,…,M,j＝0,1,2,…,L。

首先假設(shè)樣本X的特征空間(x0，x1，…,xl)變量是相互獨(dú)立的，所以樣本X的類(lèi)條件概率為：

其中：α＝0或1，i＝0,1,2,…,M。

③應(yīng)用貝葉斯公式求后驗(yàn)概率

其中：i＝0,1,2,…,M。

④定義損失數(shù)組為loss[i][j]，設(shè)初值為：

其中0＜η≤1。

⑤計(jì)算每一類(lèi)的損失：

⑥找出最小損失所對(duì)應(yīng)的類(lèi)，該類(lèi)即是待測(cè)樣品所屬的類(lèi)別，即求min(risk[i])，i就是所求的類(lèi)別。

(2)細(xì)觀形貌提取和細(xì)觀模型的建立

瀝青混凝土的截面構(gòu)成較為復(fù)雜，很難直接在ANSYS軟件中完成建模。因此，首先提取真實(shí)的道路截面圖像，再在WinToPo Pro軟件中對(duì)道路截面圖像進(jìn)行二值化處理，接著將已二值化的圖像轉(zhuǎn)化為CAD軟件可識(shí)別的矢量圖，如圖6，最后矢量圖由CAD軟件導(dǎo)入ANSYS軟件，建立細(xì)觀模型，圖像二值化的具體過(guò)程如下：從WinToPo Pro軟件中打開(kāi)需要處理的截面圖像，并在圖像命令中選擇將彩色圖片轉(zhuǎn)化為灰度，然后在此基礎(chǔ)上直接選擇左側(cè)的亮度與對(duì)比度的快捷鍵對(duì)圖像的亮度以及對(duì)比度進(jìn)行不斷調(diào)整，直到圖像二值化為止。由于二值化的圖形邊界較為模糊，需要做進(jìn)一步的處理。

首先，在圖像命令中選擇“去斑”，“刪去”兩種處理方法，分別代表去除圖像中的細(xì)小的斑點(diǎn)和刪去多余的小分支，處理時(shí)按照實(shí)際需要選擇需要去除斑點(diǎn)和分支的像素大小，其中去斑窗口右側(cè)的圖像可以顯示選擇不同像素后的圖形處理預(yù)覽，以此作為處理的控制標(biāo)準(zhǔn)。這樣就可以將二值化的圖中，那些難以分辨的極細(xì)小的細(xì)斑處理掉。

其次，同樣可以在圖像命令中選擇“填充孔洞”，這一命令主要是用來(lái)將建立模型過(guò)程中可以忽略的極小孔去除掉，所要去除的孔的大小也可以根據(jù)需要自由選擇。

經(jīng)過(guò)上幾步處理過(guò)后的圖像已經(jīng)去除了很多不必要的斑點(diǎn)和細(xì)孔，邊界也逐漸平滑起來(lái)。但是將其與實(shí)際圖像進(jìn)行對(duì)比過(guò)后，很多集料之間的邊界由于之前的處理變的模糊不清甚至消失了，而若是此時(shí)直接進(jìn)行邊緣捕捉，得到的矢量圖形很可能是雜亂無(wú)章的多線段，無(wú)法使用與處理。所以此時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際圖像對(duì)處理過(guò)后的圖像進(jìn)行手動(dòng)描邊，使邊界分明，在圖像命令中選擇“畫(huà)筆”選項(xiàng)，即可進(jìn)行此項(xiàng)操作。描邊完成后，需要重新進(jìn)行“去斑”操作，以得到集料邊界較清晰的圖像。

在此基礎(chǔ)上，需要對(duì)圖像進(jìn)行修復(fù)操作，以替換丟失的像素：在圖像命令中選擇“愈合”選項(xiàng)，并根據(jù)需求選擇合適的愈合強(qiáng)度，一般來(lái)說(shuō)，選擇第5級(jí)的強(qiáng)度“填充合適角度”已經(jīng)可以滿足要求。如果一次修復(fù)不能達(dá)到滿意的效果，可以重復(fù)此項(xiàng)操作一到兩次，合理地修復(fù)過(guò)后，圖像邊界會(huì)明顯柔和清晰起來(lái)。

接著，對(duì)圖像進(jìn)行邊緣偵測(cè)：可以直接點(diǎn)開(kāi)“偵測(cè)實(shí)體區(qū)域邊緣”按鈕，用自定義邊界像素大小的方法進(jìn)行邊緣偵測(cè)，一般選擇最小像素，亦可在圖像命令中選擇“邊緣偵測(cè)-簡(jiǎn)單方式”直接描繪圖像邊緣。對(duì)于偵測(cè)出的邊緣需要做進(jìn)一步處理，將其細(xì)線化。若是不進(jìn)行這一步，矢量化后的圖形可能依然會(huì)糾纏不清。接著選擇“矢量化”命令將圖形矢量化，并將矢量化圖像另存為可從CAD軟件中直接打開(kāi)格式為.dxf的文件。即使已經(jīng)將二值化圖形的邊界進(jìn)行描邊處理使其分明，但在矢量化的過(guò)程中，無(wú)可避免地會(huì)出現(xiàn)矢量化圖形中多線段糾雜不清，以及多線段無(wú)法形成封閉孔的幾項(xiàng)問(wèn)題，此時(shí)只能通過(guò)和實(shí)際圖形對(duì)比手動(dòng)修圖。如果多線段糾雜較為嚴(yán)重，未封閉孔數(shù)量繁多的話，很可能根本無(wú)法對(duì)圖進(jìn)行修改，因此在前面操作中一定要盡量是二值化圖形邊界清晰，以減少修圖的工作量。

圖像二值化處理完成后，對(duì)圖像進(jìn)行矢量化處理：將矢量化過(guò)后的水泥乳化瀝青混凝土截面圖像從CAD軟件導(dǎo)入ANSYS軟件：先點(diǎn)擊“繪圖-面域”命令將由多線段形成的圖形整個(gè)轉(zhuǎn)換成面域，然后點(diǎn)擊“CAD界面-文件-輸出”命令選擇將圖形輸出為可以直接導(dǎo)入ANSYS軟件可識(shí)別的.sat格式的文件。在保存.sat 文件名的時(shí)候不能存為中文，否則ANSYS軟件無(wú)法識(shí)別。接下來(lái)打開(kāi)ANSYS，導(dǎo)入前面保存的.sat文件，即可由ANSYS軟件建立細(xì)觀子模型。

從細(xì)觀尺度分析，AC-25是由骨料、聯(lián)結(jié)料和氣孔組成的多相復(fù)合材料。其坐標(biāo)系保持與宏觀模型的坐標(biāo)系一致，以宏觀三維路面模型中對(duì)應(yīng)子模型的邊界的切割邊界位移作為強(qiáng)制位移施加在子模型邊界上，以此來(lái)作為子模型的邊界條件。如圖8所示。

與此同時(shí)，建立與細(xì)觀尺度子模型形狀大小相同，但視為連續(xù)均勻材料的宏觀尺度子模型作為對(duì)比。計(jì)算分析宏觀及細(xì)觀子模型的應(yīng)力響應(yīng)。

三、跨尺度模型應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果分析

根據(jù)ANSYS有限元軟件計(jì)算，瀝青路面下面層二維宏觀區(qū)域和細(xì)觀區(qū)域的位移是相同的，這是由于賦予的位移邊界條件是相同的。宏觀區(qū)域和細(xì)觀區(qū)域各向應(yīng)力如表2所示。

表2二維宏觀和細(xì)觀子區(qū)域的各向應(yīng)力

由所示結(jié)果可以看出，瀝青路面下面層AC-25二維宏觀尺度子模型的X向應(yīng)力是壓應(yīng)力，并且較小，而二維細(xì)觀尺度模型集料和聯(lián)結(jié)料的X向應(yīng)力是拉應(yīng)力，分別為1.842MPa和0.107MPa。而瀝青路面下面層AC-25宏觀尺度子模型的第一主應(yīng)力為壓應(yīng)力，其值為-0.071MPa，而細(xì)觀區(qū)域集料和聯(lián)結(jié)料的第一主應(yīng)力均為拉應(yīng)力，分別為2.648MPa和0.046MPa。宏觀尺度三維半剛性基層模型的半剛性基層的下面層的第一主應(yīng)力達(dá)到0.047MPa，第一主應(yīng)變?yōu)?1.1με。各尺度模型主應(yīng)力響應(yīng)對(duì)比如表3所示。

表3跨尺度模型主應(yīng)力對(duì)比

通過(guò)以上案例的分析，可以得出以下結(jié)論：在車(chē)輛荷載作用下，瀝青路面下面層AC-25在二維宏觀與細(xì)觀尺度的第一主應(yīng)力差異較大，而且與三維宏觀尺度的差異也很大。尤其是在細(xì)觀分析中，由于骨料和聯(lián)結(jié)料的材料力學(xué)性質(zhì)不同，細(xì)觀集料的主應(yīng)力遠(yuǎn)大于細(xì)觀聯(lián)結(jié)料。

本發(fā)明提出一種瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)力響應(yīng)的跨尺度分析方法，完成了路面從三維整體宏觀模型到二維宏觀尺度子模型，再到細(xì)觀尺度子模型的跨尺度分析，運(yùn)用切割邊界位移的方法將不同尺度的模型聯(lián)系起來(lái)，該方法能夠簡(jiǎn)化瀝青路面結(jié)構(gòu)跨尺度建模過(guò)程，能準(zhǔn)確模擬小尺度模型的邊界位移條件?？绯叨冉７椒ㄅc單一尺度建模方法相比，能夠提高模型計(jì)算效率和力學(xué)響應(yīng)局部準(zhǔn)確度。

本方法突破了瀝青路面結(jié)構(gòu)分析中各項(xiàng)同性連續(xù)均勻的材料假設(shè)，將瀝青路面材料認(rèn)定為多相復(fù)合材料，可以從宏觀尺度延伸至細(xì)觀尺度深入分析瀝青路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)，為進(jìn)一步研究瀝青路面結(jié)構(gòu)和材料的破壞機(jī)理提供了新的思路和理論解釋；

本方法結(jié)合有限元與數(shù)字圖像處理技術(shù)，計(jì)算模型簡(jiǎn)單易行，具有理論和實(shí)踐的可行性，可為瀝青路面結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)的工程實(shí)踐提供參考；

對(duì)比分析結(jié)果表明，本方法在宏觀-細(xì)觀尺度上的應(yīng)力響應(yīng)分析可靠有效，提高了瀝青路面結(jié)構(gòu)分析的精度。

應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可以根據(jù)上述說(shuō)明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。