隨著“一帶一路”建設(shè)和“中國制造2025”戰(zhàn)略的推進(jìn),隧道工程建設(shè)發(fā)展迅速。盾構(gòu)機破巖設(shè)備的工作效率和壽命對實際工程施工具有重大意義,開展破巖設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化日益成為一個研究熱點。破巖設(shè)備工作時直接與花崗巖等硬巖巖體接觸,進(jìn)行巖石力學(xué)性能和破壞準(zhǔn)則的研究對破巖設(shè)備結(jié)構(gòu)的研發(fā)具有重要的科學(xué)意義和實際價值�；趲r石類脆性材料存在不連續(xù)性和非均質(zhì)性等特點,以離散元為代表的數(shù)值計算方法在研究其力學(xué)性能具有明顯的優(yōu)勢。其中,離散元細(xì)觀參數(shù)的確定對離散元數(shù)值計算的精度起著決定性作用。目前常采用“試錯法”進(jìn)行細(xì)觀參數(shù)確定,但該方法耗時費力且成本較高。因此,尋找一種快速合理確定離散元模型參數(shù)的方法具有重要的實用價值。本文利用計算反求方法和實驗對此展開研究,為離散元模型的參數(shù)確定提供有效途徑。同時,基于計算反求方法確定的離散元模型參數(shù),結(jié)合滾刀破巖工程實際,開展盾構(gòu)機滾刀參數(shù)優(yōu)化。本文開展并完成的主要研究內(nèi)容如下:1.為建立有效的滾刀破巖離散元模型,發(fā)展了一種快速確定巖石類脆性材料離散元模型參數(shù)的計算反求方法。首先,基于單軸壓縮實驗,建立了巖石材料的離散元正問題模型。其次,結(jié)合正交試驗敏感性分析和徑向基近似模型,建立了離散元模型參數(shù)識別的反問題模型。并采用隔代遺傳算法作為反問題的求解器,從而獲取了巖石材料的離散元模型參數(shù)。最后,基于反求結(jié)果開展了不同形狀偏差樣本下離散元數(shù)值計算,驗證了該模型參數(shù)反求方法的有效性和可靠性。2.為脆性材料離散元模型參數(shù)識別提供豐富的實驗數(shù)據(jù),開展了多工況下的巖石材料實驗研究。選取均質(zhì)性較好的花崗巖作為實驗材料,進(jìn)行了單軸壓縮、巴西劈裂和三點彎曲等一系列實驗。通過實驗獲取了各工況下的材料力學(xué)性能及試樣破壞形態(tài),為離散元模型參數(shù)識別提供了輸入數(shù)據(jù)和驗證信息。3.結(jié)合巖石材料多工況實驗,發(fā)展了基于多個實驗的材料離散元模型參數(shù)計算反求方法。為充分利用實驗數(shù)據(jù),開展了基于分階段技術(shù)的模型參數(shù)反求、基于兩個實驗的模型參數(shù)反求和基于三個實驗的模型參數(shù)反求。同時,基于實驗工況的不同及其測量響應(yīng)量的不同,將基于多源實驗的模型參數(shù)識別問題轉(zhuǎn)化為多目標(biāo)優(yōu)化問題。計算結(jié)果表明,基于三個實驗的模型參數(shù)反求具有較好的計算精度。4.基于多源實驗的模型參數(shù)識別結(jié)果,結(jié)合盾構(gòu)機滾刀破巖工程實際,開展了盾構(gòu)機滾刀參數(shù)優(yōu)化。基于敏感性分析和支持向量機近似模型,建立了滾刀參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化模型,利用粒子群算法獲取了滾刀的最優(yōu)參數(shù)。同時,開展了滾刀的刀間距對破巖效率的研究。結(jié)果表明,優(yōu)化后滾刀的參數(shù)能有效的提高破巖性能及破巖效率。
【學(xué)位單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：U455.39
【部分圖文】：

徐金明[33]利用理論公式分析研究了細(xì)觀參數(shù)和宏觀特性之間之間的顯式函數(shù)式。李海波[34]研究了材料細(xì)觀參數(shù)對宏觀力觀之間對應(yīng)關(guān)系，且考慮了顆粒大小形狀和預(yù)制裂紋等細(xì)觀[35]基于單軸壓縮和巴西劈裂實驗利用回歸分析法完成了灰?guī)r析了顆粒尺寸、數(shù)量對宏觀特性的影響。在離散元模型參數(shù)識別過程中大部分學(xué)者采用了“試錯法”定的盲目性和隨機性，且耗時費力。因此，尋找一種快速合的方法具有重要的實用價值。性參數(shù)計算反求研究現(xiàn)狀著反問題研究的日益深入，采用逆向思維方法研究材料力學(xué)，反問題分析如圖 1.1 所示，它包括系統(tǒng)輸入，系統(tǒng)及系統(tǒng)心組成部分可分為兩大類，分別為系統(tǒng)辨識問題和輸入識別散元模型參數(shù)識別，此類問題應(yīng)劃分為第一類反問題，即為反求。

圖 1.2 反問題分類手段對脆性材料進(jìn)行少量測試，然后基于計算反求技術(shù)獲取 D決這類問題的一種有效的途徑。關(guān)于計算反求方法獲取材料特學(xué)者進(jìn)行了大量的工作。37]基于三軸壓縮試驗應(yīng)用優(yōu)化算法完成了花崗巖離散元模型參巖石動態(tài)力學(xué)行為研究。Milani[38]應(yīng)用加權(quán)多目標(biāo)技術(shù)完成了數(shù)反求。Park[39]基于響應(yīng)面法反求了隧道巖石力學(xué)模型參數(shù)。B等基于散體材料提出了改進(jìn)的離散元模型參數(shù)反求方法，在本一系列創(chuàng)新。Coetzee[42]總結(jié)了離散元參數(shù)校準(zhǔn)方法，并簡述了型參數(shù)校準(zhǔn)的應(yīng)用。Do[6]采用多目標(biāo)優(yōu)化技術(shù)和非支配遺完成了石英砂離散元模型參數(shù)反求。武力[43-44]結(jié)合三軸壓縮試參數(shù)反求，并給刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計和密封艙壓力值提供了取值范圍應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法完成了柱狀節(jié)理巖體離散元模型參數(shù)反演。陳法結(jié)合靜動態(tài)試驗完成了混凝土力學(xué)模型參數(shù)反求。李德[47-48]

圖 2.1 模型參數(shù)反求的流程圖元模型參數(shù)的計算反求問題模型元幾何模型建立散元方法建立正問題數(shù)值模型，同時反求實驗來源于 Cvitanovi [70]基系列單軸壓縮實驗，其中包括了不同形狀偏差樣本下的壓縮實驗。基，構(gòu)建相對應(yīng)的離散元模型。當(dāng)樣本的平行度偏差角為 0°時，建立了用于正演計算。如圖 2.2 所示，在該數(shù)值模型中，該模型的長度 W，別為 53 mm，126 mm 和 2570 kg / m3。在離散元數(shù)值模擬中，顆粒數(shù)確度非常重要。顆粒數(shù)越多，則離散元模型的計算精度越高。研究[7量超過 6000 時，模型會更準(zhǔn)確。因此，本文建立離散元模型時，顆粒mm，最大與最小半徑之比為 1.66，顆粒數(shù)為 12016 個。

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本文編號：2818688