基于级连相关神经网络的人工冻土本构模型1）

为解决BP (back propagation)神经网络收敛速度慢,网络结构需事先定义等缺点,采用了级连相关神经网络模型来建立人工冻土应力和应变之间的关系。基于该模型推导了冻土的一致刚度矩阵形式,利用人工冻土三轴试验数据对神经网络模型进行训练,并用其替换有限元计算中的传统本构模型,将计算结果与性质及含水率相同的冻土的试验结果进行了对比,发现该神经网络本构模型很好地反应了材料的非线性,能够改善数值计算结果,与实测结果吻合地很好,比具有相同隐含层神经元个数的BP模型更接近实测结果。     

基于WOA-BP神经网络的超低温冻土抗压强度预测模型研究

为获得超低温冻土抗压强度预测模型, 探究超低温状态下冻土的物理性质及力学性质的变化, 对含水率19%, 22%, 25%和28%的低液限黏土土样进行?180 °C ~ ?10 °C的单轴压缩强度试验, 并测量?80 °C ~ ?10 °C土样的未冻水含量, 建立基于WOA-BP神经网络和BP神经网络的预测模型, 探究含水率、温度、未冻水含量与超低温冻土抗压强度关系. 预测结果表明: 含水率、温度、未冻水含量与超低温冻土抗压强度存在复杂的非线性关系, 特别是在?180 °C ~ ?80 °C区间内, 现有的线性拟合公式已无法准确预测该区间内冻土抗压强度; 基于WOA-BP神经网络预测模型的整体预测效果较好, 其绝对误差平均值为1.167 MPa, 相对误差平均值为7.62%, BP神经网络预测模型的绝对误差平均值为8.462 MPa, 相对误差平均值为47.99%. 基于鲸鱼优化算法的BP神经网络预测模型预测误差明显小于BP神经网络预测模型及线性拟合值, 更接近实测值. 该预测模型具有较高精确度, 能有效解决超低温冻土抗压强度与其影响因素间复杂的非线性关系, 可为人工冻结技术在地层应急工程中的应用提供参考.      

ANALYSIS OF MECHANICAL CHARACTERISTICS OF FROZEN CLAY AND MODIFIED S-M CREEP MODEL1)

为合理描述人工冻结法施工的矿井土层力学特性,对某矿井土样的重塑土进行单轴抗压强度实验和单轴压缩蠕变实验,得到重塑冻结黏土在不同温度及载荷加载等级下的应力-应变曲线和蠕变曲线。实验结果表明：冻结温度越低,土样的单轴强度越大;相同冻结温度下,土样的蠕变变形随着应力水平的升高而增大。单轴压缩蠕变的等时应力-应变曲线随时间发展向应变轴靠拢;土样经历初始蠕变和等速蠕变两个阶段,在较高应力水平下有进入加速蠕变的趋势;对S-M模型中各参数的意义进行修正并考虑温度的影响,得到人工冻结黏土改进S-M蠕变显式模型,然后采用粒子群算法对人工冻结黏土S-M蠕变模型参数进行优化。改进S-M蠕变显式模型理论计算值与实验值吻合良好,表明改进S-M蠕变显式模型能较好模拟人工冻结黏土的蠕变特性。改进S-M蠕变显式模型为人工冻土蠕变计算提供一种新方法。     

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。     

基于BP神经网络与小冲杆试验确定在役管道钢弹塑性性能方法研究

为了能够在不停输油气工况下获得在役管道材料的弹塑性力学性能, 提出了一种人工智能BP (back-propagation)神经网络、小冲杆试验与有限元模拟相结合,通过确定材料真应力-应变曲线从而获得材料弹塑性力学性能的方法. 首先,通过系统改变Hollomon公式中的参数$K$, $n$值,获得457组具有不同弹塑性力学性能的假想材料本构关系, 其次,将得到的本构关系代入经试验验证的含有Gurson-Tvergaard-Needleman(GTN)损伤参数的小冲杆试验二维轴对称有限元模型,通过有限元计算得到了与真应力-应变曲线一一对应的457条不同假想材料的载荷-位移曲线,最终将两组数据作为数据库输入BP神经网络进行训练,建立了同种材料小冲杆试验载荷-位移曲线与真应力-应变曲线之间的关联关系.通过此关联关系,可利用试验得到的小冲杆载荷-位移曲线获取在役管道钢的真应力-应变曲线,从而确定其弹塑性力学性能.通过对比BP神经网络得到的X80管道钢真应力-应变曲线与单轴拉伸试验的结果以及引用现有文献中不同材料的试验数据对此关系进行验证,证明了该方法的准确性与广泛适用性.      

NEURAL NETWORK MODEL OF MAGNETORHEOLOGICAL DAMPER FOR VIBRATION ISOLATION PLATFORM OF WHOLE-SPACECRAFT

为改善星箭界面振动环境,设计六杆隔振平台,采用磁流变阻尼器作为半主动控制元件,替代原有锥壳过渡支架.对整星隔振平台用磁流变阻尼器进行性能测试,得到反映磁流变阻尼器阻尼特性的实验数据.建立具有两个隐含层的反向传播神经网络对阻尼器进行建模,用于预测磁流变阻尼器阻尼特性以及控制系统设计.提出一种串行算法优化网络结构、权值和阈值,保证网络具有较好的泛化能力和稳定性.仿真结果表明,与参数化模型相比,提出的神经网络模型具有较小的训练误差和较强的泛化能力,能够很好地预测阻尼器的阻尼特性.     

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Based on the preferred plane theory for regional stability assessment, princIple and methods of artificial neural network (ANN), the model of back propagation (BP) neural network and its algorithm for the preferredfault recognition are discussed in this paper. Practical examples indicate that the new method using BP neural network to determine preferred fault is effective and the prediction result is good.     

红板岩材料隐式本构模型的建立及其应用研究

针对红板岩材料在岩土工程中所表现的大量模糊的和不确定的因素等特点,基于人工神经网络的学习能力,借助于室内岩石力学试验,进行了对该材料的力学本构特性进行了神经网络模拟研究,提出了隐式本构模型的思想和方法,并通过该方法对该岩石的流变试验结果进行学习,获得了以网络权值结构保存的力学特性知识,由此得到了表征红板岩应力应变本构关系的隐式本构模型。应用结果表明,该方法对岩土类材料本构关系的模拟研究具有很好的应用前景。     

含损伤的冻土本构模型及耦合问题数值分析

从复合材料的细观力学机理出发，建立了含损伤的冻土弹性本构模型. 对于在不同冰体积 含量和不同温度下的冻结砂土，由该损伤本构模型计算的结果与实测的应力-应变曲线比较 吻合. 利用自主开发的程序，分别对渠道冻结和冻土路基的水分场、温度场、应力场3场耦 合进行数值模拟，得到了比较准确、详尽的符合实际的温度场与应力场、位移场、应变场耦 合的计算结果，与前人的计算及实测结果相符合，规律一致. 表明该程序能够计算冻土材料 的相关物理量，并能很好地描述这些相关物理量之间的关系.     

异常天气条件下潮位过程神经网络补遗预测方法的研究

以异常天气条件下的实测潮位过程为研究对象,根据其为非平稳时间序列的特点,以人工神经网络BP算法作为预测工具,对潮位时间序列中缺失的数据进行补遗建立:差分方法人工神经网络模型;同一海域邻近潮汐测站潮位过程对应预测的去平均值法人工神经网络模型;对增减水现象潮汐过程预测的气象资料数据库人工神经网络模型。以实测资料验证上述方法的可行性,并取得了很好的预测结果。     

含离子类溶质黏土的 C-H-M 本构模型简

在水力-力学本构模型基础上,采用化学软化公式引入孔隙水中含盐、碱类等离子类溶质对土体前期固结压力的影响,得到土体的化学-水力-力学耦合本构模型（C-H-M 模型）. 根据试验结果对化学软化公式的参数进行数值拟合,通过算例验证了C-H-M 本构模型的有效性     

UNIAXIAL COMPRESSION TEST AND DAMAGE CONSTITUTIVE MODEL FOR ANALYSIS OF FROZEN CLAY 1)

从冻土微元破坏服从Weibull随机分布的特点出发,将Mohr--Coulomb强度准则作为冻土微元统计分布变量,利用应变等价性假说,建立了单轴应力状态下冻结黏土损伤本构模型;在此基础上,讨论了模型参数和弹性模量与冻结温度的关系,对模型参数和弹性模量进行合理修正,建立了温度影响下的冻结黏土损伤本构模型,并与试验结果进行对比。分析结果表明：考虑温度效应的损伤本构模型能很好地模拟冻结黏土应力--应变全过程曲线,具有很好的适应性。     

结构试验机的神经网络内模自适应跟踪控制系统

针对结构试验系统的非线性和不确定性特性，研究了一种基于神经网络的非线性内模自适应加载控制方法。引入的神经网络内模可跟踪学习对象的时变动力学，控制器的设计较少依赖于对象的先验知识，控制参数的调整是基于被控过程的测量信息，利用导出的神经网络算法来实现的。实验结果证明该系统具有良好的控制效果。     

RESEARCH OF CONSTITUTIVE RELATION CORRECTION OF GEOTECHNICAL MATERIALS AND THEORETICAL SOLUTION DUE TO PILE-SOIL INTERACTION

地基土的变形模量值不仅和土层所受的先期固结压力大小直接相关, 还受桩土作用产生的附加体积应变的影响.首先, 针对岩土散体材料分析其本构关系的主要影响因素, 研究模量随埋藏深度和体积应变的变化规律, 并对Duncan-Chang本构模型进行抗拉模量值修正.其次, 综合考虑岩土材料拉压模量不等修正以及桩土作用位移边界特点, 应用变分理论推导桩土作用造成的位移、应变和应力场理论解答.最后, 应用已有的经典土压力理论和小孔扩张理论对理论推导结果进行对比和分析验证.研究结果对桩基础设计施工、相应环境保护措施的选择和设计有较大的指导作用.     

参数灵敏度分析的神经网络方法及其工程应用

在系统分析中，参数灵敏度分析不仅为判断各系统参数的重要性大小提供了依据，量化的灵敏度指标也是后续参数估计的前提。然而，在多效实际系统中，系统参数与系统状态间的显式函数关系不易得到，导致一阶灵敏度指标无法直接求取。简化的单因素分析方法亦存在模型粗糙、精度不高的缺点。本文研究采用人工神经网络的高精度泛化映射，通过少量样本的训练，建立复杂系统中多个系统参数与系统状态间的近似映射关系，继而推导得到统一的灵敏度计算列式。简单结构的神经网络方法和解析方法的对比计算显示了方法的有效性和可靠性。最后，应用该法对某斜拉桥结构的荷载参数和刚度参数进行了考查，得到一般性结论。     

基于遗传神经网络的锚杆极限承载力预测的研究

针对BP人工神经网络具有易陷入局部极小等缺陷,提出了将遗传算法与神经网络结合,同时优化网络结构的权值与阈值的思想,建立了基于遗传算法的锚杆极限承载力预测的遗传神经网络模型。该模型以低应变动测的5个变量作为输入变量来对锚杆极限承载力进行预测,并与BP神经网络预测结果进行比较。数值算例表明,遗传神经网络在锚杆极限承载力预测中具有较高的计算效率和识别精度。     

MODEL TEST AND NUMERICAL SIMULATION OF BEARING CAPACITY OF ARTIFICIAL FROZEN CLAY1)

在天然冻土地区进行工程建设需研究冻土地基承载力。在人工冻结黏土蠕变试验的基础上建立广义开尔文模型,通过改造人工冻土大型冻结试验平台,进行人工冻结黏土地基承载力试验,发现载荷-沉降曲线可以分为3个阶段,基础呈局部剪切破坏。在ANSYS中将考虑相变的温度场转化为温度载荷施加在三维实体模型上,并将广义开尔文模型应用于软件中,采用增量加载方式分级加载。对比数值模拟与模型试验结果,发现地基载荷-沉降曲线规律一致,极限承载力大小基本相等,基础破坏模式相同。结果表明ANSYS软件可以分析复杂边界、初始条件下冻土材料的性质, 且能得到不同载荷下冻土材料的应力、位移、塑性区发展状况。     

Yield criterion and elasto-plastic damage constitutive model for frozen sandy soil

A series of triaxial compression tests was carried out on a frozen sandy soil under confining pressures of 0–18 MPa at −6 °C. The experimental results indicate that, the strength of frozen sandy soil increases versus the increase in the confining pressures when σ₃ ? 3 MPa, but decreases when σ₃ > 3 MPa. This phenomenon is called the strengthening and weakening effects of confining pressures. A yield function, considering both effects, is proposed using the experimental method according to Drucker’s postulate, and the mathematical expression of the hardening parameter, which can describe the softening and hardening phenomenon, is provided. An elasto-plastic constitutive model for frozen sandy soil is developed. Based on the continuum damage theory, the cross anisotropic damage variables are deduced and their change regularities are investigated. Then the elasto-plastic damage constitutive model is proposed by introducing damage variables into elasto-plastic constitutive model. The validity of the model is verified by comparing its modeling results with experimental results obtained from triaxial tests. It is found that, this model can predict the deformation regularity of frozen soil exactly. It can simulate the stress–strain process under high confining pressures when pressure melting phenomena appear especially well.     

冻土单轴动态加载下的力学性能

研究冻土的动态力学性能对于地下工程人工冻结法施工等具有重要意义。本文应用分离式霍普金森压杆(SHPB),研究了冻土单轴动态加载下的力学性能,涉及-3、-8、-13、-17、-23和-28℃共6个负温的冻土,应变率范围350～1200s-1。获得了相应条件下的冻土应力应变关系。冻土的单轴动态应力应变曲线具有脆性特征。发现冻土具有温度和应变率效应,其强度随温度降低和应变率增大而增大,最终应变随应变率增大而增大。冻土温度越低,应变率敏感性越强;加载应变率越高,冻土的温度效应越显著。文中提出的粘弹性损伤型本构模型能够较好的描述6个温度冻土的应力应变关系。     

非饱和土力学理论的研究进展

回顾了非饱和土有效应力的发展,目前普遍认同采用两个应力变量来建立本构模型,且对基质吸力中毛细和粘吸两部分作用进行了阐述。分析了非饱和土强度问题,包括抗剪强度和抗拉强度。讨论了非饱和土的本构模型问题,包括基于净应力和基质吸力的弹塑性模型,基于Bishop有效应力和基质吸力的水力力学耦合弹塑性模型,以及双孔隙结构的模型。最后探讨了热力学方法和多孔介质理论在非饱和土中的应用,基于多孔介质理论在多场耦合条件下土体复杂的行为是当前值得研究的问题。