瀝青混合料壓縮破壞實驗與離散元仿真分析

崔步安，張 陳，侯志強，廖 昊，朱洪睿，張云英

（1.江蘇徐州工程機械研究院，江蘇 徐州 221004；2.徐州徐工筑路機械有限公司，江蘇 徐州 221004）

瀝青混合料壓縮破壞實驗與離散元仿真分析

崔步安1，張 陳2，侯志強1，廖 昊1，朱洪睿2，張云英2

（1.江蘇徐州工程機械研究院，江蘇 徐州 221004；2.徐州徐工筑路機械有限公司，江蘇 徐州 221004）

利用單軸壓縮實驗及離散單元法的仿真分析對瀝青混合料的破壞過程進行研究。通過單軸壓縮實驗獲得力與位移的變化曲線，壓縮過程分為彈性、彈塑性及脆性三個變化階段；仿真分析再現了該壓縮實驗過程，并獲得實驗過程中每一時間節點的壓縮特征。利用離散單元法建立與實際路面相吻合的模型，通過仿真分析再現該壓縮破壞過程，為銑刨機、冷再生及穩定土拌合機器的切削仿真分析奠定基礎。

瀝青混合料；壓縮破壞；切削仿真分析；離散單元法

旋轉工作裝置是銑刨機、冷再生設備及穩定土拌和機共性工作部件，該裝置的研究一直未受到重視，目前有關這方面的研究資料較少，不能滿足試制需求。目前解決該類問題的主要途徑之一：對宏觀與微觀構成的非線性動力學系統——采用剛、散耦合進行分析與研究；與以往僅憑單一的手段對介質、裝置進行孤立的研究和分析相比，剛、散耦合動力學可以進行持續、深入且精細化的研究，全面掌握裝置與介質的相互作用規律。

1 剛-散耦合動力學應用背景及范疇

散體顆粒物料具有非連續、非光滑、非線型性等特征，主要采用兩種研究方式：①實驗研究；②仿真分析。實驗研究可以直接獲取數據，但運用和實踐存在局限，使得驗證無法逆向反饋和有效地實施；仿真分析主要包含與多體動力學雙向耦合、與有限元的雙向耦合等。與多體動力學進行聯合仿真，可以再現真實的作業過程，獲得機器與作業介質間的相互作用、相互耦合的規律；與有限單元法進行聯合仿真，可獲得工作裝置與作業介質間的相互作用力，為有限單元法提供可靠的受力邊界條件，從而提高計算精度。

剛-散耦合動力學可以對工程機械中旋轉切削類的問題進行解析，不僅能對散體介質料在切削過程中的變化特性進行微觀分析，還可分析宏觀狀態下切削裝置與介質相互作用時各自的受載變化規律和作業機理，為后續開展工作裝置的結構優化、系統參數選優、整機的動力匹配及新工作裝置的研發等提供技術支撐，首要問題是獲知介質特性、建立合適的模型。

2 試制瀝青料的壓縮實驗

按照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中的要求，獲取瀝青料的彈性模量參數，需開展單軸壓縮試驗，按規程對瀝青料性能參數進行測試，壓縮過程如圖1，實驗關鍵器件——萬能壓力試驗機的參數見表1。

以2mm/min勻速加載至最大載荷直至試樣破壞，并以同樣的速率卸載回零，讀取不同時刻的載荷和位移，將每組得到的位移和載荷數據繪制成曲線，如圖2所示。

選取其中4組介質測試的實驗數據進行對比、分析，獲得壓縮介質的彈性模量及同組實驗樣品數據間的方差大小，計算出實驗樣品的平均彈性模量數值，獲得壓實介質彈性模量的參考指標均值為：81.73，方差18.1，將該數值作為仿真建模的結果分析的依據，調節仿真模型，使實驗與仿真曲線趨于一致，不斷地修正仿真模型參數，獲得與實際路面結構相近似的壓實狀態，模擬再現切削過程。

圖1 壓縮實驗

表1 壓縮實驗的壓力機（100kN電子萬能試驗機）

3 壓實模型建立

壓實仿真可采用JKR、Bonding、hysteretic spring3種模型進行介質料的粘接與壓縮仿真分析，為了貼近實際路面的級配關系，模型采用3種粒徑的混合料來模擬級配比，因沒有一種模型能兼顧介質的所有特性，通過仿真分析獲取各自的曲線趨勢圖，結合實驗獲取的曲線圖進行對照，確定其中1種模型作為壓縮仿真的基準，并驗證級配比的正確性。

按照圖3建立對應的壓縮仿真模型，為了建立與實際路面相似的結構狀態及保持性能參數一致，實驗過程中需對監測參數的指標進行驗證和分析，獲取對應狀態下切削介質材料的特性，保證實驗與仿真模型的精確，使實驗與仿真結果能夠很好地銜接，相互驗證分析、調整模型參數，最終要求仿真能夠真實地代替實驗進行前期的分析和預測，為后期分析切削過程、對工作裝置進行優化及整機性能的匹配提供預見性和指導性。

圖2 壓縮過程中載荷和位移關系

圖3 實驗介質料的壓縮仿真分析

目前仿真與實驗數據的最大值調整已趨于一致（圖4），但仿真曲線斜率與實驗測試結果之間還存在一定差異（原因之一為縮短仿真時間，其壓縮速度較快導致曲線的斜率上升較快），實驗與仿真結果之間存在差異的原因還包含壓縮料制取的位置、壓實遍數、壓縮試驗參數的設置等。

圖4 實驗與仿真壓縮曲線對比

切削過程能準確地建立及分析，除與本體裝置的結構及介質料性能特征有關外，其他參數的設置也非常關鍵，如：行走速度、拌合裝置的轉速和實際切削深度，作業時需對發動機進行實時的調節，而仿真過程中并不能實施該參數的動態調節，必須對設置的參數進行試運算，對總體的趨勢進行判斷分析，預測仿真的結果與實驗保持在合理的變化范圍內。

4 壓縮過程的仿真分析

圖5通過對壓縮仿真過程中的載荷與位移曲線進行擬合，不斷調整參數獲得與實驗相一致的趨勢。圖6中壓縮矢量箭頭方向代表壓縮過程中顆粒受到介質內部或外部載荷的合力方向，長度表示大小，通過仿真再現壓實過程，提取每一壓縮過程中受力不同的特征狀態，可以為后續刀頭切削過程的優化奠定基礎。切削過程轉子扭矩的變化直接來源于刀頭的受載，這就需要建立正確的壓縮仿真模型，以獲取真實的切削過程相互作用機理。

圖5 壓縮仿真曲線擬合

圖6 介質受載矢量圖

對仿真模型進行后處理分析，得知壓縮變化曲線與實驗獲取的曲線趨勢之間能夠保持相似關系，按此參數設置建立多種介質類型的路面來模擬切削過程，對比不同工況下的受載數據，可以系統分析多種介質的特征及切削規律，優化刀頭空間安裝方式，為制定合理的施工工藝提供參考。

5 結 論

宏觀裝置與連續的介質料之間通過相互接觸而產生微觀的作用機理，該復雜的動態過程中伴隨著許多單一學科或工具難以解決的非線性耦合問題的求解，其微觀過程又難以使用一般的方式加以記錄或輸出，這對能解決剛散耦合問題的工具提出了苛刻的要求，然而能讓該過程得以重現的方式卻非常的有限，還需對其過程的精準性進行驗證，根據實驗及仿真結果來定論。

1）壓縮實驗過程中隨著載荷的增加，壓縮量不斷增加，從曲線關系圖中獲知最大的載荷保持在一定的范圍內變化，曲線的變化趨勢一致性明顯，說明壓縮實驗過程可靠。

2）實驗中瀝青混合料壓縮曲線間存在一定的差異，需要加入試樣的壓實度特征指標進行衡量，同時還與試樣制取前受到的外負載強度有關。

3）壓縮仿真再現該實驗過程，還獲得壓縮過程彈性、彈塑性及脆性3個變化階段的仿真數據，可以通過EDEM微觀分析了解壓縮狀態瀝青受載連續變化規律，獲得切削過程的控制曲線。

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［2］李靜海，歐陽潔，高士秋.顆粒流體復雜系統的多尺度模擬［M］.北京：科學出版社，2009.

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（編輯 于 洋）

Analysis of asphalt mixture compressive failure test and discrete element simulation

CUI Bu-an， ZHANG Chen， HOU Zhi-qiang， LIAO Hao， ZHU Hong-rui， ZHANG Yun-ying

U214.7+5

B

1001-1366（2015）08-0067-04

2015-05-22