MACRO AND MICROSCOPIC PARAMETER MAPPING RELATIONSHIP FOR RED SANDSTONE 1)

颗粒流离散元软件PFC2D在岩土工程中的应用十分广泛,存在的主要问题是如何标定其细观参数,目前大多使用"试凑法",此方法的缺点在于工作量大、效率低等,本文提出以反向传播算法(back propagation,BP)神经网络的方式代替此方法,利用PFC2D 内置的FISH 以及Python 语言对其进行二次开发,使之自动运行并获取40组宏细观参数样本。结果表明：BP神经网络可以快速准确地建立宏细观参数映射关系,误差均保持在0.01 以内,模拟得到的应力--应变曲线与室内试验曲线高度吻合,且无需大量的数据样本便可创建网络,效率较高;另外,经验证本文选用的平直节理模型,可以有效地解决平行粘结模型UCS/TS值偏小问题,确定平直节理模型可以更好地模拟岩石。     

核级石墨PFC2D模型的宏细观参数分析

颗粒流软件PFC能够很好地处理非连续介质力学的问题,模拟核级石墨的损伤和断裂过程具有独特的优势。在采用PFC^2D模拟核级石墨时,为了增加模拟的便捷性,实现了PFC^2D细观参数的快速标定。本文首先设计了四因素四水平的正交试验,分析了核级石墨的宏观参数与PFC^2D的细观参数关系;然后基于建立的核级石墨宏细观参数的关系,采用PFC^2D模拟石墨IG11的三点弯曲试验,并从位移场变形、荷载-位移曲线和断裂参数三个方面验证其宏细观参数关系的正确性。结果表明,弹性模量E随平节理模量E_c的增加线性增加;抗拉强度σ_t随平节理抗拉强度σ_b的增加线性增加;泊松比ν随平节理刚度比k_n/k_s的增加先增大后减小;数值模拟的位移场变化和荷载-裂缝口张开位移P-CMOD曲线与试验结果较吻合,此外,断裂参数的最大误差不超过3.57%。     

PFC2D平节理模型细观参数标定方法

细观参数的快速准确确定对PFC正确模拟岩石力学性能非常重要.目前,平节理模型细观参数的标定研究均未考虑对泊松比和压拉比有很大影响的黏结比例φb和影响岩石强度及裂纹产生难易程度的黏结强度变异系数Rsd这两个细观参数,且未考虑作为判断围岩损伤范围重要指标的宏观参数起裂强度σci在参数中新增φb,Rsd和σci,采用正交数值试验方法研究了平节理模型8个细观参数与岩石6个宏观参数之间的相关性,确定了各宏观参数与主要细观参数之间的拟合关系,并分析了宏细观参数间的趋势关系.在此基础上,提出了平节理模型细观参数的标定流程,然后根据片麻花岗岩物理试验的宏观力学参数确定了模型的细观参数并进行数值试验,模拟结果与物理试验结果基本吻合,说明标定流程可行.     

砂土类材料离散元细观参数的自动识别

准确的细观参数是采用离散元进行合理模拟的前提,基于最优化理论,本文提出了一种砂土类材料离散元细观参数的自动标定方法:采用PFC离散元软件模拟砂土的双轴压缩试验,以使PFC数值模拟的应力–应变曲线与某标准砂土室内双轴压缩实验结果的误差最小为优化目标,采用模式搜索法实现砂土类材料离散元细观参数的自动标定。本文提出的离散元细观参数自动标定方法具有识别效率快,精度高的优点。     

基于神经网络和平直节理接触模型的细观参数标定方法

近年来,颗粒流程序离散元分析方法在岩石工程领域广泛应用,它从细观角度最大限度地还原了岩石等材料力学行为的本源,但颗粒流模型的细观参数与岩石材料的宏观参数并不相同,其标定过程复杂、耗时.为此,基于平直节理接触模型,以单轴压缩、直接拉伸和双轴压缩等数值模拟试验测试岩石材料宏观力学参数;对模型细观参数进行正交设计,并通过多因...     

岩石结构面直剪力学特征的颗粒流宏细观分析

目前,由于颗粒尺寸和位置随机分布而产生的粗糙度,导致在模拟过程中出现应力集中现象,从而无法利用PFC2D准确模拟岩石结构面的剪切力学行为。为了避免以上弊端,采用结构面两侧颗粒组接触判别法分别对倾角为20°和30°的三角形单锯齿结构面进行不同法向应力下的直剪模拟。模拟结果与物理试验结果基本吻合,表明此模拟方法可以真实模拟岩石结构面剪切力学行为。为了进一步验证此模拟方法在天然结构面模拟试验中的可行性,利用PFC2D对Barton标准十条节理轮廓线模型进行不同法向应力下的直剪试验,模拟结果与理论值吻合,表明模拟方法具有可行性,为剪切破坏过程和机理分析提供可靠的理论依据,为研究粗糙结构面强度特征提供了一种思路。     

基于“AM-GoogLeNet+BP”联合数据驱动的混凝土细观模型压缩应力-应变曲线预测

本文结合GoogLeNet卷积神经网络和BP神经网络分别在图像数据挖掘和数据分析方面的良好性能,采用“AM-GoogLeNet+BP”联合数据驱动方法,对混凝土细观模型(含砂浆、骨料及孔隙)的单轴压缩应力-应变曲线进行了有效预测.通过引入力学参量对图像数据驱动的训练结果进行优化,从而提升了神经网络的物理可解释性.基于Python语言实现混凝土细观模型在Abaqus中的自动建模及细观图像生成过程,并将生成的细观图像数据库与相应的压缩应力-应变曲线作为训练数据集.在GoogLeNet中分别引入SENet, ECANet和CBAM三种代表性注意力机制并对三种注意力机制的性能进行对比和分析,以自适应方式提升神经网络对混凝土各相组分的分析能力,并以此得到混凝土细观模型的初步应力-应变预测曲线;将骨料体积分数、孔隙率及初步峰值应力等物理参量作为输入引入BP神经网络以改善峰值应力的预测精度,并与将物理参量直接引入卷积神经网络输入层的方法进行了对比,最后定量给出了骨料体积分数和孔隙率对峰值应力的影响权重.结果表明,对于不同骨料体积分数及孔隙率的混凝土细观模型,该方法均展现了较高的预测精度.本文采用的“...     

岩石化学腐蚀-围压细观损伤本构模型与离散元模拟研究

基于Lemaitre应变等价性假设理论,假定受水化学-力耦合损伤的岩石微元强度服从Weibull分布,考虑化学腐蚀与围压耦合作用对岩石力学参数的影响,通过核磁共振技术与损伤力学理论,引入细观化学损伤变量与力损伤变量,并认为微元破坏符合SMP准则,建立岩石化学腐蚀-力耦合损伤本构模型,并采用理论推导的方法得出所需的模型参数。同时基于颗粒离散元方法,引入参数半径乘子来改变颗粒间的黏结接触尺寸,从而模拟水化学损伤,采用平直节理模型对水化学作用后的岩石进行三轴压缩模拟,得到了水化学作用和不同围压下的岩石三轴应力-应变模拟曲线。通过对比所构建的岩石化学腐蚀-力耦合损伤本构模型理论曲线、离散元模拟曲线和试验曲线,结果表明三者吻合度较好,能够很好地反映岩石在化学腐蚀和围压耦合作用下的力学特性与破坏特征,并通过离散元方法得到了岩石在三轴压缩过程中裂纹的产生与分布情况。     

高温对砂岩宏细观损伤及BP神经网络单轴强度预测研究

为了研究高温后砂岩的力学特性和宏细观损伤变化,对高温作用后的砂岩进行单轴压缩试验、声波损伤检测、X射线衍射试验、扫描电镜试验,分析应力-应变曲线、峰值应力、峰值应变、弹性模量、质量损失率、X射线衍射成像和电镜扫描图像,得到砂岩的细观损伤变化对其单轴抗压强度的影响.利用BP神经网络模型对不同物理量进行训练,预测不同高温作...     

粗骨料颗粒形态和体积分数对混凝土单轴压缩性能的影响研究

为了研究粗骨料形状与体积分数对混凝土单轴压缩性能的影响,运用离散元软件PFC3D中的刚性簇技术建立C30卵石粗骨料混凝土试件模型,通过将卵石混凝土单轴压缩数值模拟得到的应力-应变曲线与已有文献中卵石混凝土试验所得到的应力-应变曲线对比,标定出卵石混凝土中水泥砂浆间的细观参数、水泥砂浆与粗骨料薄弱接触面的细观参数。将标定出的细观参数运用到单一形状粗骨料混凝土中进行单轴压缩数值模拟研究。结果表明:在相同细观参数的情况下,椭球形骨料混凝土试件模型的应力-应变峰值大于扁球形骨料混凝土试件模型的应力-应变峰值,相较于扁球形骨料而言,椭球形骨料更接近成为混凝土的最佳粗骨料。在此基础上分析椭球形粗骨料体积分数对混凝土单轴抗压强度的影响,当椭球形粗骨料体积分数为57%时,混凝土抗压强度最高,且在第二阶段点时接触力最大值最大、裂纹数目最多,从而得出椭球形粗骨料在体积分数为57%时最佳。研究成果可为混凝土配合比设计提供理论支撑。     

基于一类非局部宏-微观损伤模型的混凝土典型试件力学行为模拟

混凝土是一类典型的准脆性材料, 其受力过程中的非线性分析与裂纹模拟依然是具有挑战性的问题. 经典的断裂力学与损伤力学分别从间断与连续的视角对裂纹拓扑进行了描述, 是早期人们研究固体破坏问题的有力工具. 21世纪以来, 相场理论和近场动力学在预测裂纹的萌生、扩展与非线性分析方面取得了重要的进展. 最近, 结合统一相场理论与近场动力学的基本思想, 发展了一类非局部宏-微观损伤模型. 该模型引入物质点偶的概念来刻画由于变形引起的微细观损伤, 对微细观损伤在作用域中进行加权平均得到定量描述物质不连续程度的拓扑损伤. 通过具有物理机制的能量退化函数, 将拓扑损伤嵌入到连续介质-损伤力学的框架中, 这使得该模型在进行非线性分析的同时可以自然地进行裂纹模拟, 而毋须预设初始裂纹与裂纹扩展路径. 本文考虑细观物理参数的空间变异性, 采用非局部宏-微观损伤模型进行混凝土试件受力全过程的精细化模拟. 通过一维建模标定模型细观参数, 并探讨了细观参数与混凝土材料细观物理-几何特性之间的内在关联, 在此基础上采用二维模型进行精细化分析. 进而, 考察了材料参数空间变异性对混凝土单轴受拉试件和带缺口三点弯曲试件力学行为的重要影响. 本文的研究工作为非局部宏-微观损伤模型细观参数的试验标定与复杂应力状态下混凝土等准脆性材料的非线性力学行为研究提供了有意义的参考.      

综合考虑宏细观缺陷的岩体动态损伤本构模型

针对节理岩体同时含有节理、裂隙等宏观缺陷及微裂隙、微孔洞等细观缺陷的客观事实, 提出了在节理岩体动态损伤本构模型中应同时考虑宏细观缺陷的观点。为此, 首先对基于细观动态断裂机理的经典岩石动态损伤本构模型—TCK(Taylor-Chen-Kuszmaul)模型进行了阐述, 其次基于Lemaitre等效应变假设推导了综合考虑宏细观缺陷的复合损伤变量(张量), 进而在此基础上建立了相应的节理岩体动态损伤本构模型, 并利用该模型讨论了载荷应变率及节理条数对岩体动态力学特性的影响规律。结果表明, 在不同载荷应变率下试件在变形初始阶段是重合的, 而后随着应变的增加, 试件峰值强度、峰值应变及总应变均随载荷应变率的增加而增加; 随着节理条数的增加, 试件峰值强度逐渐降低, 但降低趋势逐渐变缓并趋于某一定值。上述研究结论与目前的理论及实验研究结果的基本规律是一致的, 说明了本模型的合理性。     

基于TCK模型的非贯通节理岩体动态损伤本构模型

提出在岩体动态损伤本构模型中应同时考虑宏、细观缺陷;基于能量原理和断裂力学理论推导得出了同时考虑节理几何及力学特征的宏观损伤变量(张量)的计算公式;基于综合考虑宏、细观缺陷的复合损伤变量(张量)及完整岩石动态损伤Taylor-Chen-Kuszmaul(TCK)模型,建立了相应的单轴压缩下节理岩体动态损伤本构模型;利用该模型讨论了节理内摩擦角及节理长度对岩体动态力学特性的影响规律。研究表明,试件动态峰值强度随着节理内摩擦角的增大而增大,随着节理长度的增加而减小。     

立方晶系多晶体细观马氏体相变有限元模拟

从马氏体相变切变机理入手,考虑相变体积变化,定义相变机械驱动能及其等效驱动应力,并在假设细观化学驱动能均匀的前提下,建立细观动力学模型.在此模型基础上,通过Marc软件二次开发,开展弹塑性立方晶系多晶体单向拉伸下的应力耦合细观马氏体相变有限元模拟.有限元模型的每个单元同时代表一个材料主轴随机分布的晶粒,屈服准则采用立方晶系单参数Hill准则,细观相变率与细观等效驱动应力关系取指数形式.三个多晶体样本模拟显示:1)细观马氏体相变分布不均匀,且不均匀程度随增量步增加呈先快后慢的减弱;2)多晶体宏观相变率-宏观拉伸应力模拟曲线呈指数态势,但在整个加载过程中,相变量均较细观模型的小.     

单轴压缩下断续节理岩体动态损伤本构模型

断续节理将对工程岩体的强度及变形等力学特性产生显著影响,损伤力学中视节理为岩体的一种宏观损伤,因而采用损伤张量来刻画其对岩体的影响。目前学术界提出了用节理的几何、强度及变形等3类参数来描述节理的物理力学性质,而目前的岩体损伤张量计算方法都只涉及前2类参数,均没有涉及其变形参数即法向及切向刚度。为此,在前人研究的基础上,基于断裂及损伤理论提出了考虑节理法向及切向刚度的单轴压缩下单条断续节理引起的损伤张量计算公式,进而通过考虑节理间相互作用给出了单组单排或多排节理岩体损伤张量计算公式。其次,以岩石细观动态损伤模型为基础,结合宏细观损伤耦合观点提出了一个能够同时考虑节理几何、强度及变形参数的断续节理岩体动态损伤本构模型。最后,利用该模型讨论了节理参数及载荷应变率等对岩体动态力学特性的影响,认为节理长度减小及摩擦角增大将导致岩体动态峰值强度及弹性模量增大;岩体动态峰值强度及弹性模量则随着节理法向及切向刚度的增大分别减小或增大;而当节理法向及切向刚度按照同一比例增大时,岩体动态峰值强度及弹性模量则是增大的。岩体动态峰值强度与载荷应变率呈正相关。     

黏性土宏细观参数相关性研究

运用颗粒流程序中的bond原理结合Mohr-Coulomb破坏准则对黏性土双轴试验进行了数值模拟,探讨了黏性土宏观强度指标与其对应的细观参数之间的关系.分析结果表明,黏性土内摩擦角与颗粒摩擦角呈线性关系,黏性土黏聚力-颗粒接触强度两者拟合曲线的斜率与颗粒间摩擦系数呈幂函数关系,且两者的相关性都很好.通过该宏细观关系,得出上海第②层褐黄色粉质黏土细观参数,对其进行了双轴试验的颗粒流模拟,计算得到的应力应变曲线与实测结果一致.研究成果对于黏性土细观参数的取值及颗粒流模拟具有指导意义.     

基于三维细观模型的全级配混凝土静态力学性能的数值模拟

根据混凝土材料的细观组成和力学特性,研究了骨料几何形状和空间分布规律,建立全级配混凝土三维凸多面体随机细观模型,引入了混凝土细观组份材料的本构模型,分别模拟了单轴、双轴和三轴状态下混凝土的静态力学性能,并建立混凝土梁的三维宏细观分析模型,研究了三点弯曲梁的变形及裂缝扩展情况。结果表明,本文建立的细观力学模型的计算结果与实验数据吻合较好,可以较好地模拟各种复杂应力条件下混凝土的静态力学性能和损伤破坏机理。     

基于多尺度方法的三维编织C/C复合材料弯曲失效特性分析

为了预测三维编织C/C复合材料的弯曲失效行为,基于多尺度渐进展开理论,结合细观渐进损伤模型,建立了三维编织C/C复合材料宏细观多尺度分析模型。通过商业有限元软件ABAQUS用户子程序UMAT的二次开发,在宏观结构有限元分析中实时调用细观单胞模型进行细观渐进损伤分析,实现了宏细观尺度之间交互式信息传递和多尺度损伤模拟。利用上述模型对三点弯曲载荷下三维编织C/C复合材料梁的渐进损伤和失效过程进行了模拟,预测了梁的载荷-挠度曲线和弯曲强度,并与实验结果进行了对比分析,验证了基于多尺度方法的三维编织C/C复合材料弯曲强度预测模型的有效性,为此类材料及结构失效分析提供了一种手段。     

海相沉积软土蠕变BP神经网络本构模型

海相沉积软土具有很强的蠕变特性,传统分级构建蠕变本构模型方法不实用,且很难真正反映岩土流变的非线性特性。为此,本文引入具有超强非线性映射和容错能力的BP神经网络模型,通过改进BP算法,根据江门软土的室内直剪蠕变试验结果,建立了海相沉积软土BP神经网络蠕变本构模型,避免了传统方法为满足试验曲线变化规律和蠕变特性而需要建立复杂的本构数学表达式。最后,利用上海地区软土蠕变实验结果对本文提出的方法进行了验证,并对BP神经网络蠕变模型在描述软土流变方面的特点进行了讨论。结果表明,本文建模方法简单,并能很好地描述软土的非线性蠕变问题。     

贝叶斯神经网络建模预测方法及其应用

针对神经网络建模时,其模型的复杂性难以控制而且缺乏分析结果的工具,以及贝叶斯方法可以通过定义一些超参数的模糊先验来控制模型参数复杂性,并且可对任何感兴趣的变量产生后验预测分布,使得置信区间的计算成为可能.研究了贝叶斯神经网络的建模预测问题,通过融入模型参数的先验知识,在给定数据样本及模型假设下进行后验概率的贝叶斯推理,使用马尔可夫链蒙特卡罗算法来优化模型控制参参数,实现了对神经网络模型中不同部分复杂度的控制,获得了模型参数的后验分布及预测分布.通过动调陀螺仪漂移数据建模应用分析结果证明此方法可以达到较好的建模预测效果.