【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及智能分析，具体涉及基于应变率强化效应的三维应力条件锚杆分析方法及系统。
技术介绍
1、当采用隧道穿越硬岩地质条件时，若地应力水平较高，隧道的开挖将会改变岩体原有应力状态，造成岩体应力以及应变能集中，超过一定限度时，围岩中的弹性应变能急剧释放，引发岩石片状剥落或飞出，最终产生岩爆现象。目前对于岩爆问题的研究主要分为两条途径，一是采用模型实体试验的方法进行岩爆发生机制以及防护和治理的研究，针对分析隧道开挖工况以及大尺度模型实验等，二是复杂情况则大多采用数值仿真技术进行分析。
2、工程中针对出现的岩爆问题多采用锚杆的方式进行治理，在各类数值模拟软件中主要由cable单元进行锚杆的模拟。cable单元属于一维线性单元，仅考虑单轴受力情况，然而面对越来越复杂的工程情况，仅采用cable单元进行锚杆模拟无法满足对复杂受力环境(动力条件，三维受力情况)下锚杆的受力破坏分析。
技术实现思路
1、为了至少克服现有技术中的上述不足，本申请的目的在于提供基于应变率强化效应的三维应力条件锚杆分析方法及系统。
2、第一方面，本申请实施例提供了基于应变率强化效应的三维应力条件锚杆分析方法，包括：
3、获取目标锚杆的静态破坏参数；
4、将所述静态破坏参数输入预设的分析模型，并接收所述分析模型输出的第一参数组和第二参数组；
5、根据所述第一参数组构建动力本构方程，并根据所述第二参数组构建极限拉应变方程；所述动力本构方程为以应力作为因变量，以
6、根据所述动力本构方程和所述极限拉应变方程构建拉伸破坏本构模型，并根据所述静态破坏参数构建剪切破坏本构模型；
7、构建包含所述目标锚杆的有限元模型，并以所述拉伸破坏本构模型和剪切破坏本构模型赋予所述有限元模型中的锚杆单元；
8、对所述有限元模型进行力学分析计算分析所述目标锚杆在岩爆情况下的破坏情况。
9、本申请实施例实施时，需要先获取目标锚杆的静态破坏参数，静态破坏参数一般包括弹性模量、破坏过程中的应力应变关系和泊松比等，其可以通过静力加载试验获取。由于每次进行锚杆的动力学分析时，都需要对锚杆进行动力学试验，所以在本申请实施例中，预先训练好分析模型，并由分析模型输出的结果构建本构模型。其中，分析模型的输入数据为静态破坏参数，输出数据为动力本构方程和极限拉应变方程对应的参数，动力本构方程是在考虑了应变速率的前提下对应力和应变进行拟合的模型，极限拉应变方程是在考虑了应力三轴度和应变速率的前提下对极限拉应力进行拟合的模型。
10、在本申请实施例中，对于极限拉应变方程来说，考虑到动力破坏情况下锚杆的破坏强度会随着应变率的改变而变化，无法通过定义极限强度的方法定义破坏准则，所以引入了极限拉应变方程；而考虑到在实际工程中，材料的受力情况一般比较复杂，产生的变形也不只是简单的拉、压、扭转等基本情况，往往是多种变形的组合。当材料的应力状态不同时，材料产生的塑性形变和应力集中程度也不同，材料的破坏情况也会随之发生变化。为了反映锚杆的复杂受力状态，引入了应力三轴度γ作为应力状态参数，具体表达式如下：式中：σh为平均压力(静水压力)，σ为von mises等效应力；σ1,σ2,σ3表示三个主应力。应力三轴度γ是一个无量纲参数，拉伸状态为正，压缩状态为负。纯剪切时，γ＝0；单轴拉伸时，γ＝1/3；单轴压缩时，γ＝-1/3；应力三轴度与失效应变的关系采用上述静力加载试验确定。
11、在本申请实施例中，通过构建完成的动力本构方程和极限拉应变方程可以构建出拉伸破坏本构模型，用以表征出在拉伸状态下锚杆单元实际的破坏情况。而三维应力单元不仅存在拉伸破坏还存在剪切破坏的情况，数值模拟软件中的现有锚杆单元不具备剪切破坏的功能，为了体现锚杆实际破坏需要对本构方程进行修正，需要构建剪切破坏本构模型，其中，剪切破坏本构模型需要根据上述静态试验获取的静态破坏参数构建，一般用到的参数需要包括剪切破坏极限荷载、横截面积、剪切模量和剪切应变等。
12、在本申请实施例中，在本构模型完成构建后，可以构建有限元模型进行目标锚杆的相关计算，计算时需要将拉伸破坏本构模型和剪切破坏本构模型赋予相应的锚杆单元，应当理解的是，锚杆单元表征的是目标锚杆在有限元模型中位置。通过对上述有限元模型进行计算分析，即可分析出目标锚杆在岩爆情况下的破坏过程。本申请通过上述技术方案，一方面通过预先训练的分析模型对锚杆相关本构参数进行初始生成，有效提高了锚杆分析效率，另一方面通过将静力学参数转变为动力学本构的方式，可以更准确的反应出锚杆的失效情况，提高在数值计算中锚杆分析的准确度。
13、在一种可能的实现方式中，所述分析模型构建包括：
14、构建第一待拟合函数和第二待拟合函数，并将所述第一待拟合函数中的待拟合参数作为所述第一参数组，将所述第二待拟合函数中的待拟合参数作为所述第二参数组；
15、通过静力试验获取不同材料的锚杆的静力学参数作为输入样本，并调整加载速率获取不同材料的锚杆随加载速率变化的应变率强化参数作为参考样本；所述应变率强化参数包括不同加载速率下的应力和应变的对应关系，以及根据所述加载速率计算的应变速率；
16、根据所述参考样本对所述第一待拟合函数和所述第二待拟合函数分别进行拟合，生成对应不同输入样本的所述第一参数组和所述第二参数组；
17、将所述第一参数组和所述第二参数组作为输出样本；
18、以所述输入样本作为输入，以所述输出样本作为输出训练神经网络模型，生成所述分析模型。
19、在一种可能的实现方式中，所述第一待拟合函数为：
20、
21、所述第二待拟合函数为：
22、εs＝[a2-b2 exp(c2γ)](1-d2lnε′)
23、式中，σ为单元应力，ε为单元应变，ε′为应变速率，ε′0为参考应变速率，εs为极限拉应变，γ为应力三轴度，a1、b1、c1和d1为所述第一参数组，a2、b2、c2和d2为所述第二参数组。
24、在一种可能的实现方式中，根据所述静态破坏参数构建剪切破坏本构模型包括：
25、根据下式构建所述剪切破坏本构模型：
26、
27、式中，fsmax为锚杆剪切破坏极限载荷；a为横截面积；g为剪切模量；γ1为剪切应变，fs为剪应力。
28、在一种可能的实现方式中，根据所述动力本构方程和所述极限拉应变方程构建拉伸破坏本构模型包括：
29、当应变比例小于等于1时，以所述动力本构方程作为所述拉伸破坏本构模型；
30、当所述应变比例大于1时，单元应力为0；所述应变比例为所述有限元模型中所述锚杆单元每一步计算出的单元塑形应变与所述极限拉应变方程输出的极限拉应变的比例。
31、第二方面本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于应变率强化效应的三维应力条件锚杆分析方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的基于应变率强化效应的三维应力条件锚杆分析方法，其特征在于，所述分析模型构建包括：
3.根据权利要求2所述的基于应变率强化效应的三维应力条件锚杆分析方法，其特征在于，所述第一待拟合函数为：
4.根据权利要求1所述的基于应变率强化效应的三维应力条件锚杆分析方法，其特征在于，根据所述静态破坏参数构建剪切破坏本构模型包括：
5.根据权利要求1所述的基于应变率强化效应的三维应力条件锚杆分析方法，其特征在于，根据所述动力本构方程和所述极限拉应变方程构建拉伸破坏本构模型包括：
6.基于应变率强化效应的三维应力条件锚杆分析系统，其特征在于，包括：
7.根据权利要求6所述的基于应变率强化效应的三维应力条件锚杆分析系统，其特征在于，所述分析模型构建包括：
8.根据权利要求7所述的基于应变率强化效应的三维应力条件锚杆分析系统，其特征在于，所述第一待拟合函数为：
9.根据权利要求6所述的基于应变率强化效应的三维应力条
10.根据权利要求6所述的基于应变率强化效应的三维应力条件锚杆分析系统，其特征在于，所述本构单元还被配置为：
...【技术特征摘要】
1.基于应变率强化效应的三维应力条件锚杆分析方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的基于应变率强化效应的三维应力条件锚杆分析方法，其特征在于，所述分析模型构建包括：
3.根据权利要求2所述的基于应变率强化效应的三维应力条件锚杆分析方法，其特征在于，所述第一待拟合函数为：
4.根据权利要求1所述的基于应变率强化效应的三维应力条件锚杆分析方法，其特征在于，根据所述静态破坏参数构建剪切破坏本构模型包括：
5.根据权利要求1所述的基于应变率强化效应的三维应力条件锚杆分析方法，其特征在于，根据所述动力本构方程和所述极限拉应变方程构...
【专利技术属性】
技术研发人员：高筠涵，刘建华，郭志华，时鹏程，肖乾东，李龙飞，高杰，李玉川，汪波，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：
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