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岩石蠕变本构模型的辨识及应用

刘文彬  
【摘要】:本文在已有研究成果的基础上,对岩石粘弹性、粘塑性本构模型的辨识方法进行了研究,成功将改进的粒子群优化算法(HPSO)与有限元程序相结合,探索出一种可靠、高效的岩石蠕变模型辨识方法,并据此用Fortran语言分别编制了粘弹性、粘塑性模型辨识程序。以实际工程为例,介绍了岩石蠕变模型辨识过程及其结果在工程中的应用,并用实测数据对辨识、计算结果进行了验证。 为了探讨岩石蠕变本构模型参数的时效性,用FISH语言编制了基于HPSO算法的优化计算程序,通过分析计算确定了能准确描述岩石蠕变行为的最佳模型及时变参数与时间的关系式,同时验证了在岩石蠕变模型中考虑参数时效性的必要性和正确性。利用FLAC~(3D)软件提供的二次开发平台,在VC++环境下实现了FLAC~(3D)中岩石非定常蠕变本构模型的添加,用单轴压缩蠕变实验算例验证了FLAC~(3D)二次开发的正确性。本文完成的主要工作有: 1、在掌握系统辨识基本知识、原理、方法和内容的基础上,探讨了岩石蠕变本构模型的辨识方法及辨识步骤。 2、通过在粒子速度进化公式中引入惯性权重系数及邻域最优值,弥补了粒子群算法收敛速度慢、易陷入局部最优的缺陷,提出了兼顾收敛速度和优化精度的HPSO算法。 3将HPSO算法与FEM相结合,提出了岩石粘弹性、粘塑性模型辨识的有效方法并编制了相应的辨识程序,最后用实例验证了辨识新方法及程序的可靠性、正确性。 4、利用本文提出的岩石蠕变模型辨识方法,对辨识结果在隧道变形超前预测方面的应用展开了研究,结合工程实例介绍了辨识方法在工程中的应用过程,同时验证了辨识方法及程序的正确性。 5、用FISH语言开发辨识程序,根据蠕变实验结果辨识岩石蠕变模型,进而分析辨识模型中蠕变参数与时间的关系,确定时变参数的个数及其与时间的函数关系式,最后确定非定常本构模型的表达式。对比岩石定常本构模型、非定常本构模型计算结果对实验量测结果的拟合度,验证引入时变蠕变参数的必要性及合理性。 6、在VC++开发环境中实现了FLAC~(3D)的二次开发,成功添加了含有时变参数的广义开尔文模型,实现了非定常本构模型的工程应用,为岩石非定常本构的实际应用探索出一条新途径。通过具体算例验证了蠕变模型及开发程序的正确性。


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