This study presents a novel methodology to generate computational replicates of nanostructures of multiphase materials, such as asphalt binders, by integrating image analysis techniques with stochastic random field (RF) modeling. Image analysis techniques are used to identify and segment nanostructure images obtained by atomic force microscopy, while RF is used to model the spatial distribution of their material properties. The results of this process are images showing probable arrangements of nanostructures with stochastic material properties that replicate the experimentally obtained images. The computationally generated nanostructures are then used as inputs in a finite element model to evaluate the effect of heterogeneity on their mechanical response. The efficacy of the developed approach is demonstrated through simulations of asphalt binders’ nanostructures, which reveal novel insights regarding their nanoscale mechanical behavior and response. The FE simulations provided the link between the distribution of nanoscale properties of asphalt binders and variations in their mechanical response. The application of this methodology expands the body of knowledge beyond the deterministic analysis of asphalt binders toward probabilistic analysis and uncertainty quantification that considers their heterogeneous, multiphase structures. Consequently, the methodology can be used to design multiphase materials, such as asphaltic blends, with tailored properties and enhanced performance.

中文翻译：

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使用随机场计算生成多相沥青纳米结构

本研究提出了一种新方法，通过将图像分析技术与随机随机场 (RF) 建模相结合，生成多相材料（例如沥青粘合剂）的纳米结构的计算复制品。图像分析技术用于识别和分割通过原子力显微镜获得的纳米结构图像，而射频用于模拟其材料特性的空间分布。该过程的结果是显示具有随机材料特性的纳米结构可能排列的图像，这些图像复制了实验获得的图像。然后将计算生成的纳米结构用作有限元模型的输入，以评估异质性对其机械响应的影响。通过对沥青粘合剂纳米结构的模拟证明了所开发方法的有效性，这揭示了有关其纳米级机械行为和响应的新见解。有限元模拟提供了沥青粘合剂纳米级性能分布与其机械响应变化之间的联系。该方法的应用将知识体系从沥青结合料的确定性分析扩展到考虑其异质多相结构的概率分析和不确定性量化。因此，该方法可用于设计具有定制特性和增强性能的多相材料，例如沥青混合物。有限元模拟提供了沥青粘合剂纳米级性能分布与其机械响应变化之间的联系。该方法的应用将知识体系从沥青结合料的确定性分析扩展到考虑其异质多相结构的概率分析和不确定性量化。因此，该方法可用于设计具有定制特性和增强性能的多相材料，例如沥青混合物。有限元模拟提供了沥青粘合剂纳米级性能分布与其机械响应变化之间的联系。该方法的应用将知识体系从沥青结合料的确定性分析扩展到考虑其异质多相结构的概率分析和不确定性量化。因此，该方法可用于设计具有定制特性和增强性能的多相材料，例如沥青混合物。该方法的应用将知识体系从沥青结合料的确定性分析扩展到考虑其异质多相结构的概率分析和不确定性量化。因此，该方法可用于设计具有定制特性和增强性能的多相材料，例如沥青混合物。该方法的应用将知识体系从沥青结合料的确定性分析扩展到考虑其异质多相结构的概率分析和不确定性量化。因此，该方法可用于设计具有定制特性和增强性能的多相材料，例如沥青混合物。