CN110378030B - 一种在块体离散元中确定柱状节理岩石节理刚度的方法 - Google Patents

一种在块体离散元中确定柱状节理岩石节理刚度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种在块体离散元中确定柱状节理岩石节理刚度的方法，包括如下步骤：编写基于优化算法的参数修正程序，设置初始参数和目标函数；调用反分析启动文件；调用参数修正程序，根据初始参数生成包含数值参数的初始命令流文件；调用初始命令流文件对数值模型进行当前参数下的数值计算，获取数值模型的监测结果；调用参数修正程序结合当前监测结果修正数值参数，并更新命令流文件；根据更新后的命令流文件中是否包含递归算法返回继续计算或终止计算。该方法使用递归算法实现了模型的循环计算，通过在循环计算过程中调用所开发的基于优化算法的参数修正程序实现了对数值参数的修正，从而在块体离散元中实现了参数反分析。

Description

一种在块体离散元中确定柱状节理岩石节理刚度的方法
技术领域
本发明涉及一种在块体离散元中确定柱状节理岩石节理刚度的方法，属于岩石力学领域。
背景技术
数值计算中使用的参数是否合理是决定计算结果准确性的重要因素之一。数值参数选取的主要依据是原位实验或室内实验等物理实验的实测数据。由于实验误差以及试样的随机性，实验获得的参数难以直接应用，并且有时部分参数难以通过实验获得。因此，为提高数值计算的准确性，使数值计算的结果能够正确反映现实中的现象，需要对数值参数进行校核。
反分析方法是乏信息条件下确定模型参数的强力工具，广泛应用于数值计算的参数标定中。块体离散单元法通过考虑块体之间的接触以及块体变形，能够模拟出模型破坏时出现的滑移、分离、转动、塑性变形和挤出等，在研究由结构面控制的模型以及非连续模型的力学响应中广泛使用，常用软件有3DEC和UDEC。在使用块体离散单元软件进行数值计算时，不仅需要给定块体的参数，还需给定节理的参数。由于节理的力学参数难以准确获得，传统人工手动校核的方式重复且繁琐，使用反分析方法对该参数进行自动化校核将有效解决块体离散元软件中参数难以准确标定的问题。
反分析方法通过对模型进行大量不同参数下的循环正向计算，进而确定最优的模型参数，因此实现反分析的两个前提为：1、模型的循环计算；2、参数的自动修正。如何解决这两个前提成为在块体离散元软件中实现参数反分析的关键。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种在块体离散元中确定柱状节理岩石节理刚度的方法。
技术方案：本发明所述的一种在块体离散元中确定柱状节理岩石节理刚度的方法，包括如下步骤：
(1)编写基于粒子群优化算法的参数修正程序，设置该参数修正程序的初始参数和目标函数；采用块体离散元软件建立的柱状节理岩石数值模型；
参数修正程序的初始参数包括需反分析的节理刚度参数数值范围、参数修正程序最大运行次数以及参数修正程序所用优化算法的初始参数；所述节理刚度参数包括柱状节理岩石的峰值强度、峰值应变和弹性模量；
参数修正程序的目标函数为：
Figure GDA0002851024090000021
式中，σphy p为物理实验的峰值强度，εphy p为物理实验中峰值强度对应的应变，σnum p为数值实验的峰值强度，εnum p为数值实验中峰值强度对应的应变，Ephy为物理实验获得的模型弹性模量，Enum为数值实验获得的模型弹性模量；
(2)调用反分析启动文件；
(3)调用参数修正程序，根据初始参数生成包含数值参数的初始命令流文件；
(4)调用初始命令流文件对柱状节理岩石数值模型进行当前节理刚度参数下的数值计算，获取柱状节理岩石数值模型的监测结果；
(5)调用参数修正程序结合当前监测结果修正节理刚度参数，并以递归算法或非递归算法的格式更新命令流文件；
(6)调用更新后的命令流文件对柱状节理岩石数值模型进行当前节理刚度参数下的数值计算，获取柱状节理岩石数值模型的监测结果；
(7)根据更新后的命令流文件中是否包含递归算法返回步骤(5)继续执行或终止计算；终止计算时的当前节理刚度参数即为柱状节理岩石的节理刚度。
上述步骤(1)中，参数修正程序的初始参数包括需反分析的数值参数的名称及其变化的数值范围、参数修正程序最大运行次数以及参数修正程序所用优化算法的初始参数。
具体的，步骤(1)中，根据下述功能要求编写参数修正程序：
①将运行过程中使用的变量以文件的形式进行保存；
②对保存的变量进行读取，在本次运行中恢复上一次运行时使用的变量；
③判断参数修正程序是否满足终止条件；
④读取柱状节理岩石数值模型的监测结果；
⑤对目标函数进行计算，并利用粒子群优化算法对柱状节理岩石数值模型的节理刚度参数进行修正；
⑥对命令流文件进行更新；
⑦当程序首次运行时，利用初始参数生成初始命令流文件。
其中，①、②中所述的变量包括当前循环次数、当前目标函数值、当前数值模型参数以及优化算法使用的变量。
较优的，步骤(2)中，反分析启动文件中包含下述内容：
①调用参数修正程序的命令语句；
②调用参数修正程序所生成的命令流文件的命令语句。
步骤(3)中，初始命令流文件中优选包含下述内容：
①重置柱状节理岩石数值模型的命令语句；
②柱状节理岩石数值模型的初始参数；
③监测测点布置文件，用以布置计算目标函数所用数据的测点；
④测点数据导出文件，该文件将监测的数据导出到监测结果文件中；
⑤迭代计算文件，用以对柱状节理岩石数值模型进行计算；
⑥调用参数修正程序以及当前命令流文件的命令。
具体的，步骤(5)中，更新命令流文件的方式为：当参数修正程序未满足终止条件时，参数修正程序读取数值模型当前的监测结果文件，根据监测结果计算目标函数值并使用粒子群优化算法更新柱状节理岩石数值模型的节理刚度参数，然后以递归算法的格式更新命令流文件；当满足终止条件时，将当前最优节理刚度参数写入命令流文件，不以递归算法的格式更新命令流文件。
更新后的命令流文件中包含下述内容：
①监测结果文件的删除命令语句，用以将上一循环中使用的监测结果文件删除；
②重置柱状节理岩石数值模型的命令语句；
③修正后的节理刚度参数；
④监测测点布置文件，用以布置计算目标函数所用数据的测点；
⑤测点数据导出文件，该文件将监测的数据导出到监测结果文件中；
⑥迭代计算文件，用以对数值模型进行计算。
进一步的，对于以递归算法的格式更新的命令流文件，其中还包括⑦调用参数修正程序以及当前命令流文件的命令。
上述②重置柱状节理岩石数值模型的命令语句包括以下两种方式：
(a)在更新的命令流文件开头部分使用“new”或“model new”命令对块体离散元软件进行重置，并重建数值模型；
(b)使用“restore”命令在块体离散元软件中载入初始模型。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的在块体离散元中确定柱状节理岩石节理刚度的方法，使用递归算法实现了模型的循环计算，通过在循环计算过程中对所开发的参数修正程序进行调用实现了对数值参数的修正，使得数值计算的结果逐步向期望值靠近，在块体离散元中实现了参数反分析，有效解决了块体离散元软件中参数难以准确标定的问题；并且本方法不需要设计正交试验，只需在本方法的基础上结合各种优化算法对参数修正程序进行开发即可对反分析的效果进行优化，为进一步在块体离散元软件中应用参数反分析提供了新思路。
附图说明
图1为本发明的在块体离散元中确定柱状节理岩石节理刚度的方法流程图；
图2为参数修正程序的运行流程图；
图3为实施例中使用的数值模型；
图4为实施例中需循环调用的当前命令流文件中包含的命令；
图5为实施例中使用的引导文件中包含的命令；
图6为实施例中的数值模型计算获得的应力应变曲线与实际物理实验获得应力应变曲线的拟合情况；
图7为实施例中柱状节理岩石实际物理模型破坏情况与数值模型的破坏情况对比。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1，本发明的一种在块体离散元中确定柱状节理岩石节理刚度的方法，包括如下步骤：
(1)编写基于粒子群优化算法的参数修正程序，设置该参数修正程序的初始参数和目标函数；采用块体离散元软件建立的柱状节理岩石数值模型；
参数修正程序的初始参数包括需反分析的节理刚度参数数值范围、参数修正程序最大运行次数以及参数修正程序所用优化算法的初始参数；所述节理刚度参数包括柱状节理岩石的峰值强度、峰值应变和弹性模量；
参数修正程序的目标函数为：
Figure GDA0002851024090000051
式中，σphy p为物理实验的峰值强度，εphy p为物理实验中峰值强度对应的应变，σnum p为数值实验的峰值强度，εnum p为数值实验中峰值强度对应的应变，Ephy为物理实验获得的模型弹性模量，Enum为数值实验获得的模型弹性模量；
编写的参数修正程序需能够实现下述功能：
①将运行过程中使用的变量以文件的形式进行保存；
②对保存的变量进行读取，在本次运行中恢复上一次运行时使用的变量；
③判断参数修正程序是否满足终止条件；
④读取柱状节理岩石数值模型的监测结果；
⑤对目标函数进行计算，并利用粒子群优化算法对柱状节理岩石数值模型的节理刚度参数进行修正；
⑥对命令流文件进行更新；
⑦当程序首次运行时，利用初始参数生成初始命令流文件。
其中，变量包括当前循环次数、当前目标函数值、当前数值模型参数以及优化算法使用的变量。
(2)调用反分析启动文件；
反分析启动文件的运行原理为：该文件通过调用参数修正程序并调用参数修正程序生成的命令流文件执行反分析。该启动文件中包括下述语句：
①调用参数修正程序的命令语句；
②调用参数修正程序所生成的命令流文件的命令语句。
(3)调用参数修正程序，根据初始参数生成包含数值参数的初始命令流文件；
初始命令流文件中包含下述内容：
①重置柱状节理岩石数值模型的命令语句；
②柱状节理岩石数值模型的初始参数；
③监测测点布置文件，用以布置计算目标函数所用数据的测点；
④测点数据导出文件，该文件将监测的数据导出到监测结果文件中；
⑤迭代计算文件，用以对柱状节理岩石数值模型进行计算；
⑥调用参数修正程序以及当前命令流文件的命令。
(4)调用初始命令流文件对数值模型进行当前参数下的数值计算，获取数值模型的监测结果；
(5)调用参数修正程序结合当前监测结果修正数值参数，并以递归算法或非递归算法的格式更新命令流文件；
具体而言，当参数修正程序未满足终止条件时，参数修正程序读取数值模型当前的监测结果文件，根据监测结果计算目标函数值并使用粒子群优化算法更新柱状节理岩石数值模型的节理刚度参数，然后以递归算法的格式更新命令流文件；当满足终止条件时，将当前最优节理刚度参数写入命令流文件，不以递归算法的格式更新命令流文件。
为使块体离散元软件能够在不同的数值模型中使用相同的方法进行反分析，更新后的命令流文件中包含下述内容：
①监测结果文件的删除命令语句，用以将上一循环中使用的监测结果文件删除；比如，在命令流文件的开头添加删除指定文件的命令“System del‘监测结果文件’”。
②重置柱状节理岩石数值模型的命令语句；
由于块体离散元软件在每次循环计算的开始需要使用相同状态的模型，重置柱状节理岩石数值模型的命令语句包括以下两种方式：
(a)在更新的命令流文件开头部分使用“new”或“model new”命令对块体离散元软件中的数值模型进行清空，并重建数值模型；
(b)使用“restore”命令在块体离散元软件中载入初始模型。
③修正后的节理刚度参数；
④监测测点布置文件，用以布置计算目标函数所用数据的测点；
⑤测点数据导出文件，该文件将监测的数据导出到监测结果文件中；
⑥迭代计算文件，用以对数值模型进行计算。
对于以递归算法的格式更新的命令流文件，其中还包括⑦调用参数修正程序以及当前命令流文件的命令。对于不以递归算法的格式更新的命令流文件中则不包括⑦。
实施例
以确定柱状节理岩石模型的节理刚度为例，对本发明的方法进行示例。
1、使用粒子群优化算法对参数修正程序Calbration.exe进行开发，程序的运行流程如2所示，程序中目标函数的计算方式为：
Figure GDA0002851024090000071
式中，σphy p为物理实验的峰值强度，εphy p为物理实验中峰值强度对应的应变，σnum p为数值实验的峰值强度，εnum p为数值实验中峰值强度对应的应变，Ephy为物理实验获得的模型弹性模量，Enum为数值实验获得的模型弹性模量。
2、块体离散元软件建立的柱状节理岩石数值模型，如图3。
3、需循环调用的命令流文件中包含的命令如图4，其中所调用的各个.3ddat文件需要提前编辑完毕。各命令功能如下：
1)System del“监测结果文件”：删除上一循环中计算得到的监测数据；
2)NEW：清空当前模型；
3)CALL模型建立文件.3ddat：建立数值模型，设置边界条件以及重力设置等功能；
4)CALL测点布置文件.3ddat：布置测点；
5)模型参数：参数修正程序根据目标函数的变化情况所修正后的参数；
6)CALL迭代文件.3ddat：实现模型在当前参数下的迭代计算；
7)CALL测点数据导出文件.3ddat：实现将迭代计算后各个测点的监测数据导出到文件中；
8)System Calbration.exe：调用参数修正程序对需循环调用的命令流文件进行更新；
9)CALL Run.3ddat：调用更新后的命令流文件，实现模型的循环计算。
4、使用编写引导文件main.3ddat的方法执行反分析，该文件中包含的命令如图5，其中各命令意义如下：
1)NEW：清空现有模型；
2)System Calbration.exe：调用参数修正程序生成需要循环调用的命令流文件；
3)CALL Run.3ddat：调用初始命令流文件执行参数反分析。
5、除节理刚度参数外，模型的其余参数如下表1。
表1数值模型部分参数
Figure GDA0002851024090000072
Figure GDA0002851024090000081
6、按照上述流程进行操作后，通过反分析，程序停止时得到的JKn＝181GPa，JKs＝80GPa，此时数值模型的应力应变曲线如图6。可以看出数值计算获得的应力应变曲线与物理实验获得的曲线基本吻合。
7、数值模型与物理实验的对比结果如下表2。由表2可知，数值模型的峰值应变、峰值应力以及弹性模量与物理模型实验的误差均小于5％。
表2数值模型与实验结果的对比情况
Figure GDA0002851024090000082
8、数值模型与物理模型破坏情况的对比如图7，其中，左图为物理模型破坏情况图，右图为数值模型破坏情况图，可以看出，数值模型的破坏情况与物理模型类似，均表现为沿45°节理面的滑动破坏。
可见，使用该方法获得的节理刚度大小合理，数值计算与物理实验的结果误差满足要求，并且模型的破坏模式与实验结果相同，这证明了本发明的方法的可行性。

Claims (9)

1.一种在块体离散元中确定柱状节理岩石节理刚度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)编写基于粒子群优化算法的参数修正程序，设置该参数修正程序的初始参数和目标函数；采用块体离散元软件建立的柱状节理岩石数值模型；
所述参数修正程序的初始参数包括需反分析的节理刚度参数数值范围、参数修正程序最大运行次数以及参数修正程序所用优化算法的初始参数；所述节理刚度参数包括柱状节理岩石的峰值强度、峰值应变和弹性模量；
所述参数修正程序的目标函数为：
Figure FDA0002992412440000011
式中，σphy p为物理实验的峰值强度，εphy p为物理实验中峰值强度对应的应变，σnum p为数值实验的峰值强度，εnum p为数值实验中峰值强度对应的应变，Ephy为物理实验获得的模型弹性模量，Enum为数值实验获得的模型弹性模量；
(2)调用反分析启动文件；
(3)调用参数修正程序，根据初始参数生成包含数值参数的初始命令流文件；
(4)调用初始命令流文件对柱状节理岩石数值模型进行当前节理刚度参数下的数值计算，获取柱状节理岩石数值模型的监测结果；
(5)调用参数修正程序结合当前监测结果修正节理刚度参数，并以递归算法或非递归算法的格式更新命令流文件；
(6)调用更新后的命令流文件对柱状节理岩石数值模型进行当前节理刚度参数下的数值计算，获取柱状节理岩石数值模型的监测结果；
(7)根据更新后的命令流文件中是否包含递归算法返回步骤(5)继续执行或终止计算；终止计算时的当前节理刚度参数即为柱状节理岩石的节理刚度。
2.根据权利要求1所述的在块体离散元中确定柱状节理岩石节理刚度的方法，其特征在于，步骤(1)中，根据下述功能要求编写所述参数修正程序：
①将运行过程中使用的变量以文件的形式进行保存；
②对保存的变量进行读取，在本次运行中恢复上一次运行时使用的变量；
③判断参数修正程序是否满足终止条件；
④读取柱状节理岩石数值模型的监测结果；
⑤对目标函数进行计算，并利用粒子群优化算法对柱状节理岩石数值模型的节理刚度参数进行修正；
⑥对命令流文件进行更新；
⑦当程序首次运行时，利用初始参数生成初始命令流文件。
3.根据权利要求2所述的在块体离散元中确定柱状节理岩石节理刚度的方法，其特征在于，所述变量包括当前循环次数、当前目标函数值、当前数值模型参数以及优化算法使用的变量。
4.根据权利要求1所述的在块体离散元中确定柱状节理岩石节理刚度的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述反分析启动文件中包含下述内容：
①调用参数修正程序的命令语句；
②调用参数修正程序所生成的命令流文件的命令语句。
5.根据权利要求1所述的在块体离散元中确定柱状节理岩石节理刚度的方法，其特征在于，步骤(3)中，初始命令流文件中包含下述内容：
①重置柱状节理岩石数值模型的命令语句；
②柱状节理岩石数值模型的初始参数；
③监测测点布置文件，用以布置计算目标函数所用数据的测点；
④测点数据导出文件，该文件将监测的数据导出到监测结果文件中；
⑤迭代计算文件，用以对柱状节理岩石数值模型进行计算；
⑥调用参数修正程序以及当前命令流文件的命令。
6.根据权利要求1所述的在块体离散元中确定柱状节理岩石节理刚度的方法，其特征在于，步骤(5)中，所述更新命令流文件的方式为：当参数修正程序未满足终止条件时，参数修正程序读取数值模型当前的监测结果文件，根据监测结果计算目标函数值并使用粒子群优化算法更新柱状节理岩石数值模型的节理刚度参数，然后以递归算法的格式更新命令流文件；当满足终止条件时，将当前最优节理刚度参数写入命令流文件，不以递归算法的格式更新命令流文件。
7.根据权利要求1所述的在块体离散元中确定柱状节理岩石节理刚度的方法，其特征在于，步骤(5)中，更新后的命令流文件中包含下述内容：
①监测结果文件的删除命令语句，用以将上一循环中使用的监测结果文件删除；
②重置柱状节理岩石数值模型的命令语句；
③修正后的节理刚度数值模型参数；
④监测测点布置文件，用以布置计算目标函数所用数据的测点；
⑤测点数据导出文件，该文件将监测的数据导出到监测结果文件中；
⑥迭代计算文件，用以对数值模型进行计算。
8.根据权利要求7所述的在块体离散元中确定柱状节理岩石节理刚度的方法，其特征在于，以递归算法的格式更新的命令流文件中还包括⑦调用参数修正程序以及当前命令流文件的命令。
9.根据权利要求7所述的在块体离散元中确定柱状节理岩石节理刚度的方法，其特征在于，更新的命令流文件中，②重置柱状节理岩石数值模型的命令语句包括以下两种方式：
(a)在更新的命令流文件开头部分使用“new”或“model new”命令对块体离散元软件进行重置，并重建数值模型；
(b)使用“restore”命令在块体离散元软件中载入初始模型。
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