基于Bonding模型的沥青路面切削破碎规律研究

贾海波,何 冰,康凯旋

(1. 江苏徐工工程机械研究院有限公司，徐州 221004；2. 高端工程机械智能制造国家重点实验室，徐州 221004)

路面铣刨作业主要采用装有子弹头型刀具的转子对路面材料进行切除，针对刀具切削沥青路面的问题，国内学者多采用理论分析方法进行研究，汪学斌等[1]以剪切破坏建立了单刀铣削阻力计算模型，得到了转子铣削路面时多刀切向力数值计算方法；王素兰[2]建立了二维沥青混凝土路面有限元模型，得到了切削温度、刀具磨损、切削力随切削深度变化的规律；周里群等[3]利用PFC3D离散元软件研究了不同振动方式对切削作业过程的受力影响，获得了铣刨机的较优激振方式；田晋跃等[4]通过分析刀具运动参数和几何参数与铣削受力之间的关系，得到了刀具参数对刀具铣削受力的影响规律；母福生等[5]基于ABAQUS软件，建立了沥青路面有限元模型，分析了进给速度、切削速度和铣刀厚度对铣削阻力的影响规律。上述研究大部分集中在路面铣削破碎过程中转子刀具的铣削阻力分析，然而，铣刨机铣削不同作业介质时的铣削阻力可能类似，但不同铣削作业介质的破碎特性不同，铣刨作业过程差异也较大。为针对不同作业介质提升铣削效果，亟须开展沥青路面破碎过程研究。本试验通过仿真模型和试验数据标定，建立了准确的沥青路面离散元仿真分析模型，分别从宏观和微观角度揭示了沥青路面的破碎规律。

1 仿真方法

沥青路面是骨料和沥青胶结料经压实制得，是一种具有空间网络特征的结构，其结构强度由颗粒之间的摩擦力和黏结力共同决定。通常，工程上沥青混合料有3种典型结构类型：骨架结构、密实结构和密实骨架结构[6]。从力学性能来说，骨架结构内摩擦力大、黏结力小；密实结构黏结力大、内摩擦力小；密实骨架结构可以看作是这两种结构的综合体，具有内摩擦力大、黏结力大的特点。根据沥青混合料理论，沥青路面切削破碎过程可简化为骨料之间沥青胶结作用的破坏，骨料是不可破碎的，因此路面切削过程仿真的关键在于建立一种能够表达沥青胶结作用的模型。

离散元法的基本原理是将研究对象简化成独立的离散单元，依据各个离散单元之间的相互作用关系和牛顿运动定律，采用循环迭代计算各单元的受力和位移，进而获得研究对象的宏观运动规律，根据几何形状特点，离散单元分为颗粒和块体两大类，其中颗粒与颗粒、颗粒与边界的接触采用振动方程进行模拟[7]，颗粒与颗粒的接触模型如图1所示。Bonding模型采用1个有限大小的“胶黏键”模拟颗粒之间的黏结力，在外力作用下黏结力会发生破坏，用于模拟破碎、断裂等现象。Bonding模型适用于沥青路面和岩土等材料的结构破坏过程模拟[8]。

图1 颗粒与颗粒的接触模型

2 沥青路面离散元模型标定

EDEM离散元仿真软件的Bonding模型主要参数包括：法向刚度Kn、切向刚度Ks、最大正应力σn、最大切应力σs和黏结半径RB，这些参数共同决定了颗粒黏结模型的抗压强度和力学特点，是影响仿真结果的关键因素。

Bonding模型参数可以通过仿真与试验数据标定获得。首先，设置颗粒半径5 mm、填充率0.54，建立直径100 mm、高度100 mm的路面仿真模型，需要生成810个颗粒；其次，颗粒生成后，设置颗粒容器上平面以恒定速度向下运动，对颗粒进行压实，形成圆柱颗粒模型；最后，颗粒与颗粒之间建立Bonding模型，并设置Bonding模型参数，静置一段时间使颗粒之间的黏结力充分作用，再进行沥青路面压缩过程仿真，沥青路面离散元模型如图2所示。

不同的Bonding模型参数组合决定了沥青模型不同的抗压强度和最大压应变，为减少反复仿真试验次数，分别将Kn/Ks、Kn/σn和σn/σs作为变量进行多组仿真试验，Bonding模型参数设置如表1所示。

表1 Bonding模型参数设置

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)，使用钻孔取芯机在沥青路面上均匀采取直径100 mm的圆柱样块，将样块切分成符合长度要求的多组试验样块，将试验样块的端面打磨平整，开展沥青路面样块的单轴压缩试验。经过多次仿真与试验结果对比，得到优化后参数设置：Kn为1×1010N/m3，Ks为1.2×1010N/m3，σn为0.5×108Pa，σs为0.3×108Pa，抗压强度为7.58 MPa，最大压应变为8.93%，仿真结果与试验结果对比如图3所示，误差<10%，满足仿真分析要求。

(a) 颗粒生成

图3 仿真结果与试验结果对比

3 路面切削破碎仿真分析

3.1 仿真模型建立

在模型中建立虚拟颗粒工厂，以均匀速度在尺寸300 mm×120 mm×50 mm的路面模型中生成1 856 个颗粒，所有颗粒生成后，从模型两侧将松散颗粒挤压成路面模型，并在颗粒与颗粒之间赋予Bonding模型。将刀具模型以IGES(初始化图形交换规范)格式导入沥青路面模型，设置刀具旋转速度110 r/min、切削深度40 mm，进行仿真计算。

3.2 沥青路面破碎过程仿真

对沥青路面的破碎过程进行整体分析，沥青路面破碎过程仿真如图4所示。最初刀具与路面发生接触时，刀具的前刀面开始推挤路面，与前刀面接触的沥青材料受到压力开始收缩，发生塑性变形，如图4(a)所示，这是发生在路表面以下的内部材料变化现象，从路面外宏观观察并无明显的材料凸起或破碎。随着刀具进一步向前推进，与刀具相邻的沥青材料颗粒与颗粒之间空隙不断被压缩，部分颗粒产生推挤，如图4(b)所示。当颗粒与颗粒之间的挤压达到一定程度后，与受挤压颗粒相邻近的路面表面颗粒发生崩落，如图4(c)所示。路面表面的颗粒崩落沿着前刀面产生，随着刀具的继续推进，发生颗粒崩落的路面范围不断扩大，路面出现大块材料破碎、崩落，如图4(d)所示。本波次破碎结束后，刀具前刀面与路面之间又开始形成少量沥青材料沿前刀面崩落，随着刀具继续前进，路面材料发生崩落的范围再次扩大，进而出现大块材料破碎现象，刀具切削沥青路面重复这一过程。

(a) 材料受压收缩

(a) 刀具未接触路面

通过对刀具切削路面试验过程进行高速摄像发现，刀具切削路面时，首先在刀具前面产生较小范围的碎料崩落，随着刀具的前进运动，刀具前方沥青材料聚集，出现大块沥青材料崩落现象，大块材料崩落后，沿前刀面又重新形成较小范围的碎料崩落，整个路面被切削过程就是在不断重复这一现象，这与沥青路面刀具破碎离散元仿真分析结论基本一致，说明仿真计算结果正确可靠，可用于沥青路面铣削施工研究。

3.3 沥青路面破碎过程颗粒运动分析

为更深层次掌握沥青路面破碎过程中沥青材料内部颗粒运动情况，对刀具切削路面仿真中颗粒的运动趋势进行详细分析。颗粒运动分析如图5所示。

刀具未接触路面时，沥青路面颗粒运行速度非常小，颗粒运动方向混杂，无明显规律，如图5(a)所示。刀具接触路面初期，前刀面附近区域颗粒速度开始增大，运动方向呈现较强的一致性，速度方向与刀具运动方向基本一致，如图5(b)所示。随着刀具继续挤压路面，颗粒运动迅速向前传播，在刀具正前方较大区域颗粒运动方向呈现明显的指向性，如图5(c)所示。此时颗粒与颗粒之间的间隙开始缩小，随着颗粒之间的间隙进一步缩小，颗粒与颗粒之间产生碰撞，颗粒的运动方向因碰撞发生变化，呈现不规律指向，随着切削刀具进一步推进，前刀面附近的颗粒碰撞加剧，距离前刀面稍远区域的颗粒产生回弹现象，这部分回弹的颗粒进一步对前刀面附近颗粒产生挤压，如图5(d)所示。随着刀具切削运动的进行，部分颗粒沿前刀面被剥离沥青路面，如图5(e)所示。前刀面沥青颗粒崩落后，刀具继续前进，使得刀具正前方颗粒再次形成一致向前的运动趋势，随着颗粒运动的扩展，颗粒与颗粒间产生相互碰撞，进而形成下一波次的颗粒剥离，如图5(f)所示。

(a) 刀具未接触路面

3.4 沥青路面破碎过程颗粒断裂分析

基于Bonding模型定义的颗粒与颗粒之间的黏结键与沥青路面颗粒材料黏结键的力学特性相似，通过分析刀具切削过程中黏结键的破坏特点，能够更深入地探索路面材料内部断裂、扩展和崩落的过程。颗粒黏结键断裂分析如图6所示。

刀具切削路面前，颗粒与颗粒之间的黏结键呈自由状态，如图6(a)所示。刀具与路面接触初期，与刀具接触部分黏结键被压缩或拉伸，如图6(b)所示。随着刀具切削运动的进行，与前刀面接触的颗粒黏结键被破坏，在前刀面上形成一层比较密实的散颗粒，如图6(c)所示。随着密实颗粒的不断挤压，在切削刀具斜上方的黏结键被破坏，如图6(d)所示。刀具前方聚集的密实颗粒开始向黏结键被破坏的区域运动，进一步引发黏结键断裂的扩展，如图6(e)所示。最终整个刀具斜上方的颗粒与路面之间的黏结键断裂，如图6(f)所示。

4 结论

通过离散元仿真分析了子弹头刀具切削沥青路面过程，为工程研究铣刨转子结构形式和施工过程提供新的手段和方法。

(1) 沥青路面结构组成复杂、力学性质多变，离散元Bonding模型能够较好地模拟沥青颗粒之间的相互作用，通过试验标定建立了工程上可用的沥青路面离散元仿真模型。

(2) 通过刀具铣削沥青离散元仿真发现，路面沥青材料的破碎呈现收缩―塑性变形―推挤―表面颗粒崩落―大块材料崩落的变化规律，并且随刀具继续推进，沥青路面重复这一过程。

本试验分析了刀具切削沥青路面过程中沥青颗粒运动规律和颗粒断裂情况，解决了试验过程中无法从微观角度观察沥青破碎过程的问题，通过改变刀具与沥青路面的相对位置、运动速度进行仿真分析，该方法可应用于铣刨转子刀具安装角度和排列方式的设计优化，并为其他作业介质的铣刨转子定制化设计提供参考依据。