瀝青混合料壓縮破壞實(shí)驗(yàn)與離散元仿真分析

崔步安，張 陳，侯志強(qiáng)，廖 昊，朱洪睿，張?jiān)朴?/p>

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

瀝青混合料壓縮破壞實(shí)驗(yàn)與離散元仿真分析

崔步安1，張 陳2，侯志強(qiáng)1，廖 昊1，朱洪睿2，張?jiān)朴?

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

利用單軸壓縮實(shí)驗(yàn)及離散單元法的仿真分析對(duì)瀝青混合料的破壞過程進(jìn)行研究。通過單軸壓縮實(shí)驗(yàn)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(gè)變化階段；仿真分析再現(xiàn)了該壓縮實(shí)驗(yàn)過程，并獲得實(shí)驗(yàn)過程中每一時(shí)間節(jié)點(diǎn)的壓縮特征。利用離散單元法建立與實(shí)際路面相吻合的模型，通過仿真分析再現(xiàn)該壓縮破壞過程，為銑刨機(jī)、冷再生及穩(wěn)定土拌合機(jī)器的切削仿真分析奠定基礎(chǔ)。

瀝青混合料；壓縮破壞；切削仿真分析；離散單元法

旋轉(zhuǎn)工作裝置是銑刨機(jī)、冷再生設(shè)備及穩(wěn)定土拌和機(jī)共性工作部件，該裝置的研究一直未受到重視，目前有關(guān)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(duì)宏觀與微觀構(gòu)成的非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)——采用剛、散耦合進(jìn)行分析與研究；與以往僅憑單一的手段對(duì)介質(zhì)、裝置進(jìn)行孤立的研究和分析相比，剛、散耦合動(dòng)力學(xué)可以進(jìn)行持續(xù)、深入且精細(xì)化的研究，全面掌握裝置與介質(zhì)的相互作用規(guī)律。

1 剛-散耦合動(dòng)力學(xué)應(yīng)用背景及范疇

散體顆粒物料具有非連續(xù)、非光滑、非線型性等特征，主要采用兩種研究方式：①實(shí)驗(yàn)研究；②仿真分析。實(shí)驗(yàn)研究可以直接獲取數(shù)據(jù)，但運(yùn)用和實(shí)踐存在局限，使得驗(yàn)證無法逆向反饋和有效地實(shí)施；仿真分析主要包含與多體動(dòng)力學(xué)雙向耦合、與有限元的雙向耦合等。與多體動(dòng)力學(xué)進(jìn)行聯(lián)合仿真，可以再現(xiàn)真實(shí)的作業(yè)過程，獲得機(jī)器與作業(yè)介質(zhì)間的相互作用、相互耦合的規(guī)律；與有限單元法進(jìn)行聯(lián)合仿真，可獲得工作裝置與作業(yè)介質(zhì)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(jì)算精度。

剛-散耦合動(dòng)力學(xué)可以對(duì)工程機(jī)械中旋轉(zhuǎn)切削類的問題進(jìn)行解析，不僅能對(duì)散體介質(zhì)料在切削過程中的變化特性進(jìn)行微觀分析，還可分析宏觀狀態(tài)下切削裝置與介質(zhì)相互作用時(shí)各自的受載變化規(guī)律和作業(yè)機(jī)理，為后續(xù)開展工作裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、系統(tǒng)參數(shù)選優(yōu)、整機(jī)的動(dòng)力匹配及新工作裝置的研發(fā)等提供技術(shù)支撐，首要問題是獲知介質(zhì)特性、建立合適的模型。

2 試制瀝青料的壓縮實(shí)驗(yàn)

按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的要求，獲取瀝青料的彈性模量參數(shù)，需開展單軸壓縮試驗(yàn)，按規(guī)程對(duì)瀝青料性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，壓縮過程如圖1，實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵器件——萬能壓力試驗(yàn)機(jī)的參數(shù)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(shí)刻的載荷和位移，將每組得到的位移和載荷數(shù)據(jù)繪制成曲線，如圖2所示。

選取其中4組介質(zhì)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比、分析，獲得壓縮介質(zhì)的彈性模量及同組實(shí)驗(yàn)樣品數(shù)據(jù)間的方差大小，計(jì)算出實(shí)驗(yàn)樣品的平均彈性模量數(shù)值，獲得壓實(shí)介質(zhì)彈性模量的參考指標(biāo)均值為：81.73，方差18.1，將該數(shù)值作為仿真建模的結(jié)果分析的依據(jù)，調(diào)節(jié)仿真模型，使實(shí)驗(yàn)與仿真曲線趨于一致，不斷地修正仿真模型參數(shù)，獲得與實(shí)際路面結(jié)構(gòu)相近似的壓實(shí)狀態(tài)，模擬再現(xiàn)切削過程。

圖1 壓縮實(shí)驗(yàn)

表1 壓縮實(shí)驗(yàn)的壓力機(jī)（100kN電子萬能試驗(yàn)機(jī)）

3 壓實(shí)模型建立

壓實(shí)仿真可采用JKR、Bonding、hysteretic spring3種模型進(jìn)行介質(zhì)料的粘接與壓縮仿真分析，為了貼近實(shí)際路面的級(jí)配關(guān)系，模型采用3種粒徑的混合料來模擬級(jí)配比，因沒有一種模型能兼顧介質(zhì)的所有特性，通過仿真分析獲取各自的曲線趨勢(shì)圖，結(jié)合實(shí)驗(yàn)獲取的曲線圖進(jìn)行對(duì)照，確定其中1種模型作為壓縮仿真的基準(zhǔn)，并驗(yàn)證級(jí)配比的正確性。

按照?qǐng)D3建立對(duì)應(yīng)的壓縮仿真模型，為了建立與實(shí)際路面相似的結(jié)構(gòu)狀態(tài)及保持性能參數(shù)一致，實(shí)驗(yàn)過程中需對(duì)監(jiān)測(cè)參數(shù)的指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證和分析，獲取對(duì)應(yīng)狀態(tài)下切削介質(zhì)材料的特性，保證實(shí)驗(yàn)與仿真模型的精確，使實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果能夠很好地銜接，相互驗(yàn)證分析、調(diào)整模型參數(shù)，最終要求仿真能夠真實(shí)地代替實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前期的分析和預(yù)測(cè)，為后期分析切削過程、對(duì)工作裝置進(jìn)行優(yōu)化及整機(jī)性能的匹配提供預(yù)見性和指導(dǎo)性。

圖2 壓縮過程中載荷和位移關(guān)系

圖3 實(shí)驗(yàn)介質(zhì)料的壓縮仿真分析

目前仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的最大值調(diào)整已趨于一致（圖4），但仿真曲線斜率與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果之間還存在一定差異（原因之一為縮短仿真時(shí)間，其壓縮速度較快導(dǎo)致曲線的斜率上升較快），實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果之間存在差異的原因還包含壓縮料制取的位置、壓實(shí)遍數(shù)、壓縮試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置等。

圖4 實(shí)驗(yàn)與仿真壓縮曲線對(duì)比

切削過程能準(zhǔn)確地建立及分析，除與本體裝置的結(jié)構(gòu)及介質(zhì)料性能特征有關(guān)外，其他參數(shù)的設(shè)置也非常關(guān)鍵，如：行走速度、拌合裝置的轉(zhuǎn)速和實(shí)際切削深度，作業(yè)時(shí)需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)，而仿真過程中并不能實(shí)施該參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，必須對(duì)設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行試運(yùn)算，對(duì)總體的趨勢(shì)進(jìn)行判斷分析，預(yù)測(cè)仿真的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)保持在合理的變化范圍內(nèi)。

4 壓縮過程的仿真分析

圖5通過對(duì)壓縮仿真過程中的載荷與位移曲線進(jìn)行擬合，不斷調(diào)整參數(shù)獲得與實(shí)驗(yàn)相一致的趨勢(shì)。圖6中壓縮矢量箭頭方向代表壓縮過程中顆粒受到介質(zhì)內(nèi)部或外部載荷的合力方向，長(zhǎng)度表示大小，通過仿真再現(xiàn)壓實(shí)過程，提取每一壓縮過程中受力不同的特征狀態(tài)，可以為后續(xù)刀頭切削過程的優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。切削過程轉(zhuǎn)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(shí)的切削過程相互作用機(jī)理。

圖5 壓縮仿真曲線擬合

圖6 介質(zhì)受載矢量圖

對(duì)仿真模型進(jìn)行后處理分析，得知壓縮變化曲線與實(shí)驗(yàn)獲取的曲線趨勢(shì)之間能夠保持相似關(guān)系，按此參數(shù)設(shè)置建立多種介質(zhì)類型的路面來模擬切削過程，對(duì)比不同工況下的受載數(shù)據(jù)，可以系統(tǒng)分析多種介質(zhì)的特征及切削規(guī)律，優(yōu)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(jié) 論

宏觀裝置與連續(xù)的介質(zhì)料之間通過相互接觸而產(chǎn)生微觀的作用機(jī)理，該復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程中伴隨著許多單一學(xué)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(duì)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(xiàn)的方式卻非常的有限，還需對(duì)其過程的精準(zhǔn)性進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)實(shí)驗(yàn)及仿真結(jié)果來定論。

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

2）實(shí)驗(yàn)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(shí)度特征指標(biāo)進(jìn)行衡量，同時(shí)還與試樣制取前受到的外負(fù)載強(qiáng)度有關(guān)。

3）壓縮仿真再現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)過程，還獲得壓縮過程彈性、彈塑性及脆性3個(gè)變化階段的仿真數(shù)據(jù)，可以通過EDEM微觀分析了解壓縮狀態(tài)瀝青受載連續(xù)變化規(guī)律，獲得切削過程的控制曲線。

［1］Noor Fitrah Abu Bakar， Ryohei Anzai，et al.Direct measurement of particle-particle interaction using micro particle interaction analyzer （MPIA）［J］.Adcanced Powder Technology，2009，（20）：455-463.

［2］李靜海，歐陽潔，高士秋.顆粒流體復(fù)雜系統(tǒng)的多尺度模擬［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.

［3］吳愛祥，孫業(yè)志，劉湘平.散體動(dòng)力學(xué)理論及其應(yīng)用［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2002.

［4］胡國(guó)明.顆粒系統(tǒng)的離散元素法分析仿真［M］.武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2010.

（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