(19)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 202210703712.4 (22)申请日 2022.06.21 (71)申请人 南京理工大 学 地址 210094 江苏省南京市孝陵卫20 0号 (72)发明人 陈雪琴　刘凯亮　董侨　丁勇　 (74)专利代理 机构 南京理工大 学专利中心 32203 专利代理师 汪清 (51)Int.Cl. G16C 10/00(2019.01) G16C 60/00(2019.01) G06F 30/13(2020.01) G06F 30/25(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 基于分子动力学的变温状态下沥青裂缝的 自愈合模拟方法 (57)摘要 本发明提出了一种基于分子动力学的变温 状态下沥青裂缝的自愈合模拟方法， 该方法是对 微波加热下基于分子动力学的沥青裂缝愈合模 拟的改进。 首先构建沥青四组分裂缝模型， 并进 行几何优化； 然后运用脚本编写变温方法， 对裂 缝模型模拟自愈合过程； 最后通过密度变化曲线 以及选取帧数段的方法来分析均方位移， 并得到 扩散系数。 该方法与现有评价方法相比， 模拟加 热方式得以改进， 变温状态下对裂缝实现愈合的 时间具有促进作用； 变温过程密度曲线变化的三 阶段更具特征性， 可以清晰表征裂缝自愈合的过 程， 对裂缝扩散能力的研究也更加深入。 此外， 从 宏观角度而言， 可对微波加热促进沥青自愈合性 能的研究提供分析依据， 因此具有一定的研究价 值。 权利要求书1页 说明书3页 附图2页 CN 115064224 A 2022.09.16 CN 115064224 A 1.一种基于分子动力学的变温状态下沥青裂缝的自愈合模拟方法， 其特征在于， 包括 如下步骤： 1)采用分子动力学模拟软件Materials  Studios建立沥青分子四组分模型， 并进行几 何优化； 2)将优化过后的两个沥青分子放在一个晶胞中， 添加真空层， 设置间距模拟裂缝宽度， 构建沥青 裂缝模型； 3)在Materials  Studios中编写使沥青裂缝模型在变温状态下进行分子动力学计算的 脚本， 使得沥青 裂缝在变温状态下实现愈合； 4)通过生成的密度变化曲线以及选取帧数段来分析均 方位移， 并计算得到相对应的扩 散系数。 2.根据权利要求1所述的基于分子动力学的变温状态下沥青裂缝的自愈合模拟方法， 其特征在于： 步骤3)中， 编写使沥青裂缝模型在变温状态下进 行分子动力学模拟的脚本， 具 体方法为： 31)定义初始目标文件以此运行沥青裂缝初始模型， 针对变温范围定义最低和最高温 度， 设置温度间隔， 每 个温度下的运行时间与帧数的获取均相同； 32)在Forcite模块对分子动力学参数进行设置： 系综选取NPT， 力场为COMPASS Ⅱ， 设置 时间步长、 压力、 初始速度、 总计算 步数； 33)编写第一个温度下的动力学模拟， 即从最低温度开始， 将初始目标文件删除， 新建 一个空的轨 迹文件， 把 最低温度运行 下产生的轨 迹帧数附加其中； 34)在最低温的基础上， 设置温度循环， 使温度不断升高， 分子轨迹也会基于上一个温 度下的轨 迹继续运行， 直至 达到最高温度， 以此实现变温效果。 3.根据权利要求1所述的基于分子动力学的变温状态下沥青裂缝的自愈合模拟方法， 其特征在于： 步骤4)中分子动力学计算后生成的密度变化曲线， 表明沥青裂缝在变温过程 中愈合的三个阶段： 第一阶段为密度恢复阶段； 第二阶段沥青分子逐渐接触， 裂缝逐渐愈 合； 第三阶段为沥青完成愈合后分子自扩散阶段， 此使密度趋 于稳定； 分析密度变化的前两个阶段， 通过分子动力学模拟生成的轨迹文件， 以裂缝初始状态 到裂缝开始愈合状态这 一段的帧数区间进行均方位移分析， 并得到扩散系数。 4.根据权利要求1所述的基于分子动力学的变温状态下沥青裂缝的自愈合模拟方法， 其特征在于： 步骤1)中对沥青分子模型进行几何优化的方法为： 在Materials  Studios的 Forcite模块， 选用默认的Smart算法， 力场为COMPASS Ⅱ， 电荷用“Forcefield assigned ”的 指定方式， 静电力和范德华力分别采用 “Ewald”和“Atom based”。 参数设置好后， 运行计算， 将结构优化。 5.根据权利要求1所述的基于分子动力学的变温状态下沥青裂缝的自愈合模拟方法， 其特征在于： 步骤1)中建立沥青分子四组分模型， 四组分包含沥青质、 胶质、 芳香分、 饱和 分， 采用AAA ‑1沥青分子模型， 四组分的质量分数分别为17.25％、 39.74％、 31.90％、 11.11％， 沥青分子密度为0.9 98g/cm3。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115064224 A 2基于分子动力学的变温状态下沥青 裂缝的自愈合模拟方 法 技术领域 [0001]本发明属于沥青路面养护领域， 具体涉及 一种基于分子动力学的变温状态下沥青 裂缝的自愈合模拟方法。 背景技术 [0002]随着我国公路基础设施建设不断完善， 路面长效服役与养护将成为道路工程的工 作重点。 沥青路面材料具有微裂纹自愈能力， 其中温度是主要影响因素。 沥青中由荷载和环 境作用导致的微裂纹， 在 主动加热时能够快速愈合， 表现出显著的自修复效果。 作为一种潜 在的提升沥青路面耐久服役性能的手段， 沥青路面微波加热自愈合已成为近年来的研究热 点。 [0003]沥青主要由碳和 氢组成， 且其占比高达90％～95％。 国内外学者针对沥青自愈合 机理开展了大量研究， 研究人员认为无论是裂缝表面分子扩散理论还是表面能理论， 沥青 自愈合的核心都是沥青在裂缝中的流动与扩散。 在微波加热下， 沥青温度会升高， 使得沥青 膨胀、 流动和扩散， 裂纹宽度减小直至闭合。 [0004]分子动力学模拟 逐渐成为研究沥青材料微观愈合机理的有效手段， 相对于传统实 验法具有适用体系 广、 工作量小的特点。 已有研究表明， 沥青分子扩散速度随着温度的增加 而增加， 而沥青分子的扩散速度影响其自愈合行为。 但是基于分子动力学研究温度对沥青 自愈合行为的影响， 多 数是在恒温状态下进 行分析。 研究人员通过设置不同的恒定温度， 基 于分子动力学数值模拟沥青材料的自愈合行为， 以此来分析随着温度变化下的沥青裂缝扩 散能力。 然而， 在微波加热下， 沥青温度不断变化， 恒定温度并不能准确揭示沥青裂缝在温 度变化下的扩散能力， 因此对沥青自愈合 性能微观 尺度的研究也 缺少一定的客观分析。 发明内容 [0005]本发明的目的在于提供一种基于分子动力学的沥青裂缝在变温状态下自愈合模 拟方法， 通过模拟微波加热温度升高的方法， 研究沥青 裂缝在愈合过程中的扩散能力。 [0006]实现本发明目的 的技术方案为： [0007]一种基于分子动力学的变温状态下沥青 裂缝的自愈合模拟方法， 包括如下步骤： [0008]1)采用分子动力学模拟软件Materials  Studios建立沥青分子四组分模型， 并进 行几何优化； [0009]2)将优化过后的两个沥青分子放在一个 晶胞中， 添加真空层， 设置间距模拟裂缝 宽度， 构建沥青 裂缝模型； [0010]3)在Materials  Studios中编写使沥青裂缝模型在变 温状态下进行分子动力学计 算的脚本， 使得沥青 裂缝在变温状态下实现愈合； [0011]4)通过生成的密度变化曲线以及选取帧数段来分析均方位移， 并计算得到相对应 的扩散系数。 [0012]与现有模拟方法相比， 本发明具有如下有益效果：说　明　书 1/3 页 3 CN 115064224 A 3