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材料离散元模型参数的计算反求及在滚刀破岩中的应用

材料离散元模型参数的计算反求及在滚刀破岩中的应用

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作者：王勇湘潭大学

学位级别：硕士

随着“一带一路”建设和“中国制造2025”战略的推进,隧道工程建设发展迅速。盾构机破岩设备的工作效率和寿命对实际工程施工具有重大意义,开展破岩设备结构优化日益成为一个研究热点。破岩设备工作时直接与花岗岩等硬岩岩体接触,进行... 详细信息

随着“一带一路”建设和“中国制造2025”战略的推进,隧道工程建设发展迅速。盾构机破岩设备的工作效率和寿命对实际工程施工具有重大意义,开展破岩设备结构优化日益成为一个研究热点。破岩设备工作时直接与花岗岩等硬岩岩体接触,进行岩石力学性能和破坏准则的研究对破岩设备结构的研发具有重要的科学意义和实际价值。基于岩石类脆性材料存在不连续性和非均质性等特点,以离散元为代表的数值计算方法在研究其力学性能具有明显的优势。其中,离散元细观参数的确定对离散元数值计算的精度起着决定性作用。目前常采用“试错法”进行细观参数确定,但该方法耗时费力且成本较高。因此,寻找一种快速合理确定离散元模型参数的方法具有重要的实用价值。本文利用计算反求方法和实验对此展开研究,为离散元模型的参数确定提供有效途径。同时,基于计算反求方法确定的离散元模型参数,结合滚刀破岩工程实际,开展盾构机滚刀参数优化。本文开展并完成的主要研究内容如下:1.为建立有效的滚刀破岩离散元模型,发展了一种快速确定岩石类脆性材料离散元模型参数的计算反求方法。首先,基于单轴压缩实验,建立了岩石材料的离散元正问题模型。其次,结合正交试验敏感性分析和径向基近似模型,建立了离散元模型参数识别的反问题模型。并采用隔代遗传算法作为反问题的求解器,从而获取了岩石材料的离散元模型参数。最后,基于反求结果开展了不同形状偏差样本下离散元数值计算,验证了该模型参数反求方法的有效性和可靠性。2.为脆性材料离散元模型参数识别提供丰富的实验数据,开展了多工况下的岩石材料实验研究。选取均质性较好的花岗岩作为实验材料,进行了单轴压缩、巴西劈裂和三点弯曲等一系列实验。通过实验获取了各工况下的材料力学性能及试样破坏形态,为离散元模型参数识别提供了输入数据和验证信息。3.结合岩石材料多工况实验,发展了基于多个实验的材料离散元模型参数计算反求方法。为充分利用实验数据,开展了基于分阶段技术的模型参数反求、基于两个实验的模型参数反求和基于三个实验的模型参数反求。同时,基于实验工况的不同及其测量响应量的不同,将基于多源实验的模型参数识别问题转化为多目标优化问题。计算结果表明,基于三个实验的模型参数反求具有较好的计算精度。4.基于多源实验的模型参数识别结果,结合盾构机滚刀破岩工程实际,开展了盾构机滚刀参数优化。基于敏感性分析和支持向量机近似模型,建立了滚刀参数多目标优化模型,利用粒子群算法获取了滚刀的最优参数。同时,开展了滚刀的刀间距对破岩效率的研究。结果表明,优化后滚刀的参数能有效的提高破岩性能及破岩效率。

关键词：离散元参数识别计算反求方法岩石材料滚刀参数优化

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岩石脆性指标评价和滚刀破岩数值分析

岩石脆性指标评价和滚刀破岩数值分析

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作者：韩明罡中南大学

学位级别：硕士

岩石脆性作为岩体的重要基本特性,对于地下硐室与巷道的围岩稳定、岩爆预测、地下工程破岩以及油气田储层改造等方面具有重要指导意义。岩石在不同影响因素作用下的力学行为以及脆性破坏特征一直是岩石力学和工程破岩领域的重要研究内... 详细信息

岩石脆性作为岩体的重要基本特性,对于地下硐室与巷道的围岩稳定、岩爆预测、地下工程破岩以及油气田储层改造等方面具有重要指导意义。岩石在不同影响因素作用下的力学行为以及脆性破坏特征一直是岩石力学和工程破岩领域的重要研究内容。岩石的脆性指标应能准确描述岩石在不同影响因素作用下脆性变化情况,并能正确描述岩石脆性对破岩效率的影响。鉴于此,本文系统地综述了国内外岩石脆性评价方法,总结并分析了它们衡量岩石脆性的优势及局限性。通过开展动、静荷载试验与不同环境因素(围压、含水率、温度)下的试验数据,研究了不同条件下岩石脆性响应特性变化规律。根据试验结果,建立了基于岩石全应力-应变曲线的脆性指标方法,并验证了其衡量岩石脆性的能力。开展了滚刀破岩数值模拟研究,探究了岩石脆性与最优滚刀参数之间的关系,提出了基于岩石脆性指标的最优滚刀参数估算方法,为滚刀破岩参数优化提供了理论参考。论文主要研究内容包括:(1)归纳了现有岩石脆性指标方法,就其确定方式、适用范围、优缺点展开研究和探讨,发现采用全应力-应变曲线为主要依据评价岩体脆性是有效且合理的。(2)分析了不同岩石在动静荷载作用下以及不同环境因素影响下脆性响应特性变化规律,并对不同脆性指标的适用性进行讨论。研究结果表明由准静态加载变为动态加载后,岩石脆性获得不同程度的增加,增加幅度随着静态下脆性指标值增大而增大,岩石间的相对脆性关系不随加载方式的变化而改变。砂岩的脆性具有明显的应变率效应,砂岩脆性随着应变率的增加而增强,且应变率越大,脆性增强的幅度越大。不同围压下,砂岩脆性随着围压增大而减小;不同含水率下,砂岩脆性随着含水率的增大而减小;不同温度下,砂岩脆性随着温度的增加先增大后减小。(3)基于已有试验结果,总结了岩石在应力应变曲线中表现出的脆性特征,提出了优化后的脆性指标,并利用试验数据验证了脆性指标的正确性。同时,根据新建立的脆性指标,对动静载作用下以及环境影响作用下岩石在应力应变曲线峰前及峰后阶段展现出的脆性特征进行讨论。研究结果表明在单轴压缩试验中,不同岩性岩石脆性特征变化主要体现在岩石的峰前阶段。在较低围压、较低温度、较高含水率时,岩石脆性特征变化主要体现在峰前阶段;在较高围压,较高温度,较低含水率时,主要体现在峰后阶段。(4)通过滚刀破岩数值模拟,研究了不同滚刀参数(滚刀间距、刀刃宽度、刀刃角)下滚刀破岩效果变化情况;开展了滚刀参数优化研究,计算了五种不同类型岩石地层条件下最优滚刀参数;探究了岩石脆性指标BI与最优滚刀参数之间的关系。研究结果表明,随着滚刀间距的增加,切削比能耗先减少后增大,最优滚刀间距与岩石脆性指标存在线性关系,岩石脆性越强,最优滚刀间距越小;随着滚刀刀刃宽度的增大,切削比能耗先缓慢减小后迅速增大。最优刀刃宽度与岩石脆性指标存在线性关系,岩石脆性越强,最优刀刃宽度越大;最优刀刃角与岩石脆性无明显关系。根据上述结论,提出了基于岩石脆性指标的最优滚刀参数估算方法,并通过工程实例验证了其可行性,结果表明该方法可为滚刀破岩参数优化提供理论参考。该文章包含图62幅,表8个,参考文献139篇。

关键词：岩石脆性指标全应力应变曲线 SHPB 数值模拟滚刀参数优化

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