(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111559033.6 (22)申请日 2021.12.20 (71)申请人 大连理工大 学 地址 116024 辽宁省大连市甘井 子区凌工 路２ 号 (72)发明人 孙依人　魏鑫　陈静云　张岩　 (74)专利代理 机构 辽宁鸿文知识产权代理有限 公司 21102 代理人 隋秀文 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 111/08(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 113/26(2020.01) (54)发明名称 基于逐级划分的沥青混合料三维细观结构 模型构建方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于逐级划分的沥青混 合料三维细观结构模型构建方法， 具体包括： 在 模型空间中根据投放的核 点生成三维Voronoi图 从而将其划分为多个元胞， 将划分后生成元胞的 个数与所求档位单个骨料代表 性体积建立联系， 使得元胞库中能含有更多符合当前档位骨料粒 径的元胞； 对 元胞利用三角面内随机取点方法初 步确定骨料形状， 再经过几何优化和缩放得到骨 料库； 通过计算骨料的包围盒确定其粒径和球 度， 并根据粒径和球度确定所求档位理想骨料， 再从中挑选出满足体积误差的骨料就得到了当 前所求档位骨料； 继续模拟下一档位骨料， 直至 所有档位骨料生成完毕， 就完成了对模型空间的 逐级划分， 从而得到了最终所需的沥青 混合料细 观结构。 权利要求书3页 说明书9页 附图5页 CN 114186434 A 2022.03.15 CN 114186434 A 1.一种基于逐级划分的沥青混合料三维细观结构模型构建方法， 其特征在于， 步骤如 下： 步骤1.获取 各档位骨料信息， 具体为： (1.1)将沥青混合料三维细观结构模型简称为模型； 设模型长宽高分别为L， W， H， 模型 的总体积 V＝L×W×H； 设粒径在(di,di+1)内骨料的体积分数为faggi， 则第i档位目标骨料体 积Vaggi＝V×faggi， 其中i＝1,2, …,n， n为骨料粒径档位最大值， di、 di+1分别为第 i档位骨 料最小粒径和骨料最大 粒径， 骨料 粒径随档位的增大而增大； (1.2)计算以各档位平均粒径为直径 的球的体积Vqi， 考虑到同等粒径的多面体骨料体积更小， 设置体积折减系数k， k∈[0.3,1)， 令各档位的单 个骨料代 表性体积V ri等于同等粒径球的体积乘以体积折减系数， 即V ri＝k×Vqi； 步骤2.计算初次投放核点个数； 按照档位从大到小的顺序生成骨料， 每求一个档位骨 料之前， 需要向模型内投放核点， 核点个数不小于4； 首先模拟最大档位骨料， 初次投放核点 个数Nn， 等于模型总体积除以最大档位的单个骨料代 表性体积结果的整数部分； 步骤3.在三维笛卡尔坐标系下， 向模型内随机投放Nn个核点， 生成三维Voronoi图， 获取 三维Voro noi图中各元胞的顶点 坐标， 并对所有元 胞建立集合， 称该集 合为元胞库； 步骤4.利用三角面内随机取点方法初步确定骨料形状； 具体为： 将元胞库中元胞的表 面离散成三角面； 在元胞每个三角面内随机取一点， 以这些点为顶 点生成多面体， 即初步确 定了骨料形状； 其中， 三角面内随机取点方法为： 设某三角面的三个顶点坐标分别为sa＝ [sa1,sa2,sa3],sb＝[ sb1,sb2,sb3],sc＝[ sc1,sc2,sc3]， 则该三角面 内任一点sd表示为 sd＝t1*sa+t 2*sb+t3*sc,其中t1,t 2,t3∈(0,1)且t1+t 2+t3＝1； 步骤5.对步骤4中得到的多面体进行几何优化， 包括棱长优化和夹角优化， 对 几何优化 后的多面体进行缩放， 将缩放后多面体的集合称为骨料库； 对骨料库中多面体标记其对应 的元胞； 具体为： (5.1)对多面体进行棱长优化： 计算多面体的棱长， 若棱长小于设定的阈值Lmin， 则假设 去掉该棱的一个端点， 计算剩 下顶点形成的多面体的体积， 若该体积与未进行棱长优化多 面体体积的比值大于设定的阈值f， 那么该端点不被保留， 剩 下的顶点形成新的多面体； 反 之， 该端点维持不动； (5.2)重复步骤(5.1)的棱长优化过程Yh次， Yh是设定的骨料棱长优化次数， Yh∈[5, 20]； (5.3)对经棱长优化后的多面体进行夹角优化： 将棱长优化后的多面体表面离散成三 角面， 计算三角形内的夹角， 若小于设定的阈值β， β ∈[5 °,15°]， 则计算该三角形各顶点到 其对边的距离， 距离最小对应的顶点被移除， 剩下的顶点形成新的多面体； (5.4)重复步骤(5.3)的夹角优化过程， 直到多面体的三角面 内夹角均大于设定的阈值 β， 即得到经 过几何优化的多面体； (5.5)对几何优化后的多面体进行缩放： 计算多面体的质心， 将每个顶点沿着质心的方 向移动， 使得移动后的顶点到质心的距离与移动前的顶点到质心的距离的比值等于缩放因 子Sc， Sc∈[0.5,1)， 从而完成多面体的缩放； 将缩放后的多面体的集 合称为骨料库； (5.6)骨料库中的多面体由元 胞演变而来， 对骨料库中每 个多面体标记其对应的元 胞；权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114186434 A 2步骤6.计算骨料库中多面体粒径和球度， 筛 选出理想骨料并根据粒径归档， 具体为： (6.1)计算骨料库中多面体的方向包围盒： 首先将多面体表面离散为三角面， 计算所有 三角形的质心和面积， 进一步计算多面体的面积加权平均质心； 根据多面体顶点坐标在三 维空间下的三个分量， 计算其相应的协方差矩阵， 求解该协方差矩阵的特征向量， 求得的特 征向量的方向就是多面体包围盒方向轴的方向； 将多面体顶点向方向轴 上投影， 计算各方 向轴上的投影区间， 得到包围盒的长中短轴 轴长， 设长、 中、 短轴的长度依次为C1、 C2， C3； (6.2)将中轴轴长C2作为多面体的粒径， 计算多面体的球度 将所有球度 大于设定阈值Spmin的多面体称为理想骨料， Spmin∈(0,1)； 根据粒径判断理想骨料所在的档 位， 得到不同档位理想骨料； 步骤7.生成模型当前 所求档位骨料， 具体为： (7.1)根据当前所求骨料的档位， 在该档位理想骨料中每次随机挑选出一个理想骨料， 直至挑选出的理想骨料总体积大于步骤1中设定的该档位目标骨料体积； (7.2)放回最后挑选出的理想骨料， 再从该档位剩下的理想骨料中随机挑选出一个理 想骨料， 若挑选出的理想骨料总体积与该档位目标骨料体积的差的绝对值除以该档位目标 骨料体积的值不超过设定的体积相对误差ev， 则挑选结束； 若超过ev， 则继续在该档位未经 选中的理想骨料中随机抽取一个理想骨料， 直至挑选结束， 即得到了模型当前所求档位骨 料； 步骤8.继续模拟下一档位骨料， 建立可划分元胞库， 计算模拟该档位骨料试投核点个 数、 投放点个数及核点数， 具体为： (8.1)在模拟上一档骨料产生的骨料库中， 筛选出所有粒径大于当前所求档位骨料最 大粒径的多面体， 进而得到这些多面体标记的元胞， 在这些元胞中排除掉上一档位挑选出 的理想骨料 所标记的元 胞， 将剩下的元 胞建立集合， 并称为可划分元 胞库； (8.2)设第i档位骨料试投核点个数为Ni， i≠n， 计算可划分元胞库中元胞体积总和Vc e， 则Ni等于可划 分元胞库中元胞体积总和乘以补偿系数s除以第i档位的单个骨料代表性体 积结果的整数部分， s∈(1,2)； (8.3)如果在模型中随机投放Ni个核点， 那么可划分元胞库内所有元胞内的投放点总数 很难达到Ni； 因此， 设模拟第i档位骨料投放点个数为N1i， 等于点数放大系数fd乘以试投核 点个数Ni， 即N1i＝fd×Ni， i≠n， fd∈[5,20]； 向模型中随机投放N1i个核点， 使得可划分元 胞库中所有元胞内含有的投放点总数大于 Ni， 再在这些投放点中随机去掉多 于Ni个数的点， 使得可划分元 胞库中所有元 胞内含有的投放 点总数等于Ni； (8.4)再计算可划分元胞库中元胞的核点数， 当元胞内投放点不少于4个时， 该元胞即 能够生成三维Voro noi图， 此时核点数等于投放 点数， 否则核点数为0； 步骤9.对步骤8中可划分元胞库中核点数大于等于4的每个元胞生成三维Voronoi图， 每个元胞被划分为与其内核点相同个数的新元 胞， 即是对 模型进行 更细的划分； 对划分后得到的所有元胞、 步骤8中可划分元胞库中核点数小于4的元胞以及上一档骨 料产生的骨料库中粒径小于 当前所求档位骨料最大粒径的多面体标记的元胞， 建立新的元 胞库； 重复步骤4至步骤7， 得到模型 所求档位骨料；权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114186434 A 3