一种小煤柱三维立体力-固耦合模型及其构建方法、系统技术方案

本发明专利技术属于岩石力学技术领域，公开了一种小煤柱三维立体力

【技术实现步骤摘要】
一种小煤柱三维立体力
‑
固耦合模型及其构建方法、系统


[0001]本专利技术属于岩石力学
，尤其涉及一种小煤柱三维立体力
‑
固耦合模型及其构建方法、系统。

技术介绍

[0002]目前，煤样在单轴压缩过程中，随着载荷的增加，煤样内部产生裂纹并以弹性波的形式对外释放能量，同时产生声发射现象，声发射现象是材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象。用声发射换能器采集弹性波并进行转换、分析研究，就可以反演材料内部的细微变化。由于声发射仪器检测到的能量来自于被测物体内部，这种被动检测技术有其明显的优势，它可以记录裂纹的萌发和扩展过程，而其它无损检测只能在裂纹产生后才能探测到。声发射技术在机械制造与加工、煤炭、冶金、电力、航空航天和交通运输等领域均有广泛的应用。但是，现有技术中关于小煤柱三维立体力
‑
固耦合模型构建方法的相关技术方案尚未见报道。因此，亟需一种小煤柱三维立体力
‑
固耦合模型及其构建方法、系统，以弥补现有技术空白。
[0003]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术中关于小煤柱三维立体力
‑
固耦合模型构建方法的相关技术方案尚未见报道。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种小煤柱三维立体力
‑
固耦合模型及其构建方法、系统。
[0005]本专利技术是这样实现的，一种小煤柱三维立体力
‑
固耦合模型的构建系统，所述小煤柱三维立体力
‑
固耦合模型的构建系统包括：
[0006]数据获取模块，与中央控制模块连接，用于通过煤样单轴压缩全过程试验装置进行煤柱样品力
‑
固实验，并获取小煤柱样品的力学信号数据；
[0007]数据预处理模块，与中央控制模块连接，用于通过数据预处理程序对获取的力学信号数据进行预处理，获得预处理后的力学信号数据；
[0008]无线通信模块，与中央控制模块连接，用于通过无线通信装置将预处理后的力学信号数据发送至中央处理器进行相应处理，包括：
[0009]通过无线通信模块将预处理后的力学信号数据转换为数字量信号，采用复包络模型发送给中央处理器；其中，所述复包络模型为：第i路径的路径长为x
i
，发射系数为a
i
，接收到的带通信号为：
[0010][0011]式中，c为光速，波长λ＝c/fc，提出公因子
[0012]接收信号的复包络表示为：
[0013][0014]接收信号的复包络是衰减、相移和时延都不同的路径成分的总和：
[0015][0016]式中，τ
i
＝x
i
/c为复包络模型；
[0017]中央控制模块，与数据获取模块、数据预处理模块、无线通信模块连接，用于通过中央处理器协调控制所述小煤柱三维立体力
‑
固耦合模型的构建系统各个模块的正常运行。
[0018]进一步，所述小煤柱三维立体力
‑
固耦合模型的构建系统，还包括：
[0019]中央控制模块，与数据集构建模块、耦合模型构建模块、模型训练模块、模型优化模块、数据存储模块、更新显示模块连接，用于通过中央处理器协调控制所述小煤柱三维立体力
‑
固耦合模型的构建系统各个模块的正常运行；
[0020]数据集构建模块，与中央控制模块连接，用于通过数据集构建程序对预处理后的力学信号数据进行融合处理，获得力学信号数据集；
[0021]耦合模型构建模块，与中央控制模块连接，用于通过模型构建程序进行小煤柱三维立体力
‑
固耦合模型的构建；
[0022]模型训练模块，与中央控制模块连接，用于通过模型训练程序利用力学信号数据集对所述小煤柱三维立体力
‑
固耦合模型进行训练处理；
[0023]模型优化模块，与中央控制模块连接，用于通过模型优化程序对训练后的小煤柱三维立体力
‑
固耦合模型进行优化处理，得到最终的小煤柱三维立体力
‑
固耦合模型；
[0024]数据存储模块，与中央控制模块连接，用于通过存储器存储获取的小煤柱样品力学信号数据、预处理后的力学信号数据、力学信号数据集、小煤柱三维立体力
‑
固耦合模型、训练数据以及模型优化处理结果；
[0025]更新显示模块，与中央控制模块连接，用于通过显示器对获取的小煤柱样品力学
信号数据、预处理后的力学信号数据、力学信号数据集、小煤柱三维立体力
‑
固耦合模型、训练数据以及模型优化处理结果的实时数据进行更新显示。
[0026]进一步，数据预处理模块中，所述通过数据预处理程序对获取的力学信号数据进行预处理，包括：
[0027](1)利用改进的GrabCut算法对获取的力学信号数据进行分割；
[0028](2)利用细化算法对分割后的力学信号数据进行细化处理；
[0029](3)采用八邻域搜索算法对细化处理后的力学信号数据进行划分和筛选，获得预处理后的力学信号数据。
[0030]进一步，耦合模型构建模块中，所述通过模型构建程序进行小煤柱三维立体力
‑
固耦合模型的构建，包括：
[0031](1)根据煤样单轴压缩全过程试验装置获取的力学信号数据绘制不同加载速率下的应力
‑
应变和应力
‑
时间信号曲线；
[0032](2)分析应力
‑
应变曲线确定不同加载速率下煤样的抗压强度，统计得到不同加载速率下的声发射撞击数均值和振铃计数均值；
[0033](3)基于不同加载速率下的声发射撞击数均值和振铃计数均值，利用Solidworks三维建模软件进行小煤柱三维立体力
‑
固耦合模型的构建。
[0034]进一步，所述小煤柱三维立体力
‑
固耦合模型为：
[0035][0036]其中，v为加载速率，h
a
为声发射撞击数均值，为煤样单轴抗压强度的预测值，C、y、w为待定参数；
[0037]其中，所述C、y、w为待定参数的确定，包括：
[0038]根据最小二乘法对所述小煤柱三维立体力
‑
固耦合模型的表达式进行求解，获得煤样单轴抗压强度关于加载速率、声发射振铃计数均值的耦合模型中的待定参数C、y、w的值。
[0039]进一步，模型优化模块中，所述通过模型优化程序对训练后的小煤柱三维立体力
‑
固耦合模型进行优化处理，包括：
[0040](1)对所述小煤柱三维立体力
‑
固耦合模型赋予材料属性；
[0041](2)设置初始条件和边界条件；
[0042](3)根据初始条件和边界条件将所述小煤柱三维立体力
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种小煤柱三维立体力
‑
固耦合模型的构建系统，其特征在于，所述小煤柱三维立体力
‑
固耦合模型的构建系统包括：数据获取模块，与中央控制模块连接，用于通过煤样单轴压缩全过程试验装置进行煤柱样品力
‑
固实验，并获取小煤柱样品的力学信号数据；数据预处理模块，与中央控制模块连接，用于通过数据预处理程序对获取的力学信号数据进行预处理，获得预处理后的力学信号数据；无线通信模块，与中央控制模块连接，用于通过无线通信装置将预处理后的力学信号数据发送至中央处理器进行相应处理，包括：通过无线通信模块将预处理后的力学信号数据转换为数字量信号，采用复包络模型发送给中央处理器；其中，所述复包络模型为：第i路径的路径长为x
i
，发射系数为a
i
，接收到的带通信号为：式中，c为光速，波长λ＝c/fc，提出公因子接收信号的复包络表示为：接收信号的复包络是衰减、相移和时延都不同的路径成分的总和：式中，τ
i
＝x
i
/c为复包络模型；中央控制模块，与数据获取模块、数据预处理模块、无线通信模块连接，用于通过中央处理器协调控制所述小煤柱三维立体力
‑
固耦合模型的构建系统各个模块的正常运行。2.如权利要求1所述的小煤柱三维立体力
‑
固耦合模型的构建系统，其特征在于，所述小煤柱三维立体力
‑
固耦合模型的构建系统，还包括：中央控制模块，与数据集构建模块、耦合模型构建模块、模型训练模块、模型优化模块、数据存储模块、更新显示模块连接，用于通过中央处理器协调控制所述小煤柱三维立体力
‑
固耦合模型的构建系统各个模块的正常运行；数据集构建模块，与中央控制模块连接，用于通过数据集构建程序对预处理后的力学
信号数据进行融合处理，获得力学信号数据集；耦合模型构建模块，与中央控制模块连接，用于通过模型构建程序进行小煤柱三维立体力
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固耦合模型的构建；模型训练模块，与中央控制模块连接，用于通过模型训练程序利用力学信号数据集对所述小煤柱三维立体力
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固耦合模型进行训练处理；模型优化模块，与中央控制模块连接，用于通过模型优化程序对训练后的小煤柱三维立体力
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固耦合模型进行优化处理，得到最终的小煤柱三维立体力
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固耦合模型；数据存储模块，与中央控制模块连接，用于通过存储器存储获取的小煤柱样品力学信号数据、预处理后的力学信号数据、力学信号数据集、小煤柱三维立体力
‑
固耦合模型、训练数据以及模型优化处理结果；更新显示模块，与中央控制模块连接，用于通过显示器对获取的小煤柱样品力学信号数据、预处理后的力学信号数据、力学信号数据集、小煤柱三维立体力
‑
固耦合模型、训练数据以及模型优化处理结果的实时数据进行更新显示。3.如权利要求1所述的小煤柱三维立体力
‑
固耦合模型的构建系统，...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑万成，褚廷湘，刘超，陈月霞，杨涛，陈鹏，司俊鸿，
申请(专利权)人：华北科技学院中国煤矿安全技术培训中心，
类型：发明
国别省市：