岩石工程中数值模拟的关键问题及其发展-矿业114网 
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岩石工程中数值模拟的关键问题及其发展
2011-07-25
对数值模拟方法在岩石力学与工程领域的应用所存在的主要问题进行了剖析,指出输入 参数和岩体的本构关系给不准是数值模拟方法的两个瓶颈问题。对数值模拟方法与人工智能相结合提 高输入参数和本构关系准确性方面的发展进行了探讨。
Series No. 276  金 属 矿 山 总 第 276 期   1999年 第 6 期 June 1999 METAL MINE 岩 石 工 程 中 数 值 模 拟 的 关 键 问 题 及 其 发 展 刁 心 宏 马 鞍 山 矿 山 研 究 院 ) 冯 夏 庭杨 成 祥 (东 北 大 学 ) ( 摘 要 对 数 值 模 拟 方 法 在 岩 石 力 学 与 工 程 领 域 的 应 用 所 存 在 的 主 要 问 题 进 行 了 剖 析 ,指 出 输 入 参 数 和 岩 体 的 本 构 关 系 给 不 准 是 数 值 模 拟 方 法 的 两 个 瓶 颈 问 题 。 对 数 值 模 拟 方 法 与 人 工 智 能 相 结 合 提 高 输 入 参 数 和 本 构 关 系 准 确 性 方 面 的 发 展 进 行 了 探 讨 。 关 键 词 岩 石 工 程 数 值 模 拟 人 工 智 能 发 展 Key Problems in Numerical Simulation Application in Rock Engineering and Its Development Diao Xinhong Maanshan Institute of Mining Research) Fang Xiating Yang Chenxiang ( Northeast University)   ( Abstract   The key problems existing in the application of numerical simulation in rock mechanics and en2 gineering are analyzed and the incorrectness of input parameters and constitutive equations are thought to be two bottle2neck problems in its application. Discussion is made on the development in combining the numerical simulation method with artificial intelligence to improve the accuracy of input parameters and constitutive e2 quations. Keywords   Rock engineering ,Numerical simulation ,Artificial intelligence ,Development   用 于 结 构 分 析 的 有 限 单 元 法 和 边 界 单 元 法 1   数 值 模 拟 方 法 的 解 题 思 路 被 引 入 岩 石 力 学 与 工 程 领 域 ,借 助 于 计 算 机 的 性 能 ,用 数 值 模 拟 方 法 对 岩 石 开 挖 工 程 进 行 计 算 分 析 始 于 60、70 年 代 。 随 着 人 们 对 岩 体 的 非 连 续 性 认 识 的 不 断 深 入 ,以 后 又 相 继 推 出 了 离 散 单 元 法 、拉 格 朗 日 元 法 、非 连 续 变 形 分 析 和 流 形 元 法 等 数 值 模 拟 分 析 方 法 ,使 计 算 机 在 岩 石 力 学 和 工 程 领 域 的 应 用 得 到 了 快 速 发 展 。 可 以 说 ,计 算 机 数 值 模 拟 方 法 以 其 成 本 低 廉 、简 便 快 捷 的 优 势 为 岩 石 力 学 及 工 程 的 发 展 ,使 对 岩 石 开 挖 工 程 由 定 性 分 析 到 定 量 分 析 发 挥 了 重 要 作 用 。 但 是 ,由 于 所 研 究 对 象 的 复 杂 多 变 性 ,使 数 值 模 拟 方 法 在 岩 石 力 学 领 域 的 应 用 一 直 存 在 着 诸 多 问 题 。 本 文 旨 在 对 其 中 的 一 些 关 键 问 题 进 行 剖 析 ,并 对 解 决 这 些 问 题 的 一 些 方 法 进 行 探 讨 。 数 值 模 拟 方 法 的 基 本 思 路 是 :a1 将 研 究 对 象 离 散 化 ;b1 按 照 给 定 的 本 构 关 系 ,对 单 元 进 行 力 学 、运 动 学 分 析 ;c1 用 所 有 单 元 的 组 合 表 达 整 体 特 性 ; d1 在 给 定 的 边 界 条 件 下 ,用 显 式 差 分 迭 代 或 解 联 立 方 程 组 ,求 出 变 形 和 应 力 。 表 1 给 出 几 种 数 值 模 拟 方 法 所 依 据 的 基 本 原 理 、求 解 方 式 、离 散 化 方 式 及 适 用 情 况 。 2   岩 石 开 挖 结 构 数 值 模 拟 存 在 的 问 题 虽 然 用 数 值 模 拟 方 法 进 行 的 岩 石 力 学 研 究 使 人 们 对 岩 石 开 挖 结 构 定 性 方 面 的 认 识 更 加 深 入 ,但 在 满 足 工 程 实 际 愈 来 愈 高 的 定 量 化 方 面 刁 心 宏 ,马 鞍 山 矿 山 研 究 院 采 矿 所 ,高 级 工 程 师 ,243004 安 徽 省 马 鞍 山 市 湖 北 路 9 号 。 # 冯 夏 庭 ,东 北 大 学 ,教 授 ,110006 辽 宁 省 沈 阳 市 东 北 大 学 265 信 箱 。 冯 5 冯 总 第 276 期 金 属 矿 山 1999 年 第 6 期 表 1 几 种 数 值 模 拟 方 法 计 算 分 析 。 由 上 所 述 可 知 ,尽 管 用 数 值 模 拟 对 岩 体 结 数 值 模 基 本 拟 方 法 原 理 求 解 方 式 离 散 方 式 适 用 情 况 构 进 行 力 学 分 析 的 方 法 得 到 了 广 泛 的 应 用 ,并 且 取 得 了 许 多 进 步 ,但 是 用 数 值 模 拟 方 法 对 岩 体 力 学 问 题 进 行 正 向 计 算 分 析 需 要 准 确 而 充 分 的 数 据 。 因 此 ,不 敢 断 言 ,这 种 传 统 的 方 法 在 将 来 是 否 会 对 这 样 一 类 问 题 的 研 究 有 新 的 突 破 , 有 限 最 小 势 解 方 全 区 域 单 元 法 能 原 理 程 组 划 分 单 元 连 续 介 质 、小 变 形 , 任 何 不 均 质 材 料 边 界 Betti 互 解 方 边 界 上 单 元 法 等 定 理 程 组 划 分 单 元 均 质 连 续 介 质 、小 变 形 离 散 牛 顿 运 显 式 按 节 理 分 布 单 元 法 动 定 理 差 分 特 征 划 分 不 连 续 介 质 、大 变 形 ,低 应 力 水 平 拉 格 朗 牛 顿 运 显 式 全 区 域 日 元 法 动 定 理 差 分 划 分 单 元 连 续 介 质 、大 变 形 不 连 续 介 质 、大 变 形 不 连 续 介 质 、大 变 形 至 少 目 前 还 不 可 能 将 这 一 类 问 题 的 研 究 提 高 到 [1 ] 非 连 续 最 小 势 解 方 按 节 理 切 割 变 形 法 能 原 理 程 组 实 际 情 况 一 个 全 新 的 高 度 。 3 数 值 模 拟 方 法 的 发 展 由 于 岩 体 的 复 杂 性 ,导 致 人 们 对 岩 体 的 本 数 值 最 小 势 解 方 按 区 域 和 节 流 形 法 能 原 理 程 组 理 切 割 情 况 [ 1 ] ,数 值 模 拟 计 算 结 果 常 常 与 实 际 还 显 得 不 足 构 关 系 和 变 形 破 坏 机 理 弄 不 清 楚 ,数 值 模 拟 所 需 数 据 给 不 准 ,并 最 终 导 致 数 值 模 拟 计 算 分 析 给 出 的 定 量 结 果 的 正 确 性 受 到 质 疑 。 这 就 要 求 人 们 改 变 单 一 的 确 定 性 正 向 分 析 方 法 ,适 应 岩 体 的 非 确 定 性 特 征 ,将 数 值 模 拟 方 法 与 反 分 析 方 法 、随 机 方 法 、模 糊 方 法 、人 工 智 能 等 结 合 起 来 ,目 前 这 也 许 是 数 值 模 拟 方 法 的 一 个 正 确 发 展 方 向 。 出 入 很 大 。 这 主 要 是 由 于 我 们 所 研 究 的 岩 体 是 比 迄 今 为 止 人 们 所 熟 知 的 任 何 工 程 材 料 都 要 复 杂 得 多 的 地 质 体 ,其 性 质 在 时 间 和 空 间 上 几 乎 是 到 处 都 在 变 化 着 。 它 既 非 连 续 介 质 ,又 非 松 散 介 质 ;既 非 弹 性 体 ,又 非 塑 性 、粘 性 体 。 对 开 挖 结 构 来 说 ,它 是 一 种 性 质 极 其 复 杂 的 混 合 材 料 ,其 本 构 关 系 和 变 形 破 坏 特 征 极 其 复 杂 ,而 且 多 半 是 高 度 非 线 性 的 ,从 而 导 致 : 随 机 方 法 、模 糊 方 法 、基 于 位 移 实 测 的 传 统 分 析 方 法 与 数 值 模 拟 方 法 相 结 合 的 研 究 方 法 , 国 内 外 学 者 已 有 诸 多 研 究 ,在 此 不 予 赘 述 。 以 下 仅 就 数 值 模 拟 方 法 与 人 工 智 能 相 结 合 ,用 于 解 决 数 值 模 拟 的 两 个 瓶 颈 问 题 ——— 输 入 参 数 给 不 准 和 岩 体 本 构 关 系 不 清 楚 ,进 行 一 些 探 讨 。 ( 1) 输 入 参 数 给 不 准 。 输 入 参 数 包 括 岩 体 力 学 参 数 、初 始 地 应 力 场 等 。 对 于 介 质 环 境 的 岩 石 参 数 ,一 般 通 过 取 样 试 验 得 到 ,或 根 据 有 限 的 现 场 试 验 确 定 。 前 者 为 了 考 虑 节 理 裂 隙 弱 面 的 影 响 ,通 常 对 试 验 结 果 进 行 弱 化 处 理 。 且 不 说 处 理 后 数 据 的 可 靠 性 如 何 ,至 少 这 种 处 理 缺 乏 令 人 信 服 的 客 观 标 准 。 对 于 载 荷 环 境 的 初 始 地 应 力 场 ,或 根 据 工 程 所 处 环 境 主 观 假 设 ,或 根 据 极 有 限 的 实 测 资 料 而 推 及 全 域 。 3 11   数 值 模 拟 与 神 经 网 络 结 合 进 行 岩 性 参 数 及 初 始 地 应 力 估 计 人 工 神 经 网 络 是 从 人 脑 的 自 然 生 理 结 构 出 发 研 究 人 的 智 能 行 为 ,模 拟 人 脑 的 信 息 处 理 功 ( 2) 岩 体 的 本 构 关 系 不 清 。 由 于 岩 体 的 复 [2 ] 能 ,具 有 人 脑 的 许 多 基 本 特 征 。 人 工 神 经 网 杂 性 ,人 们 至 今 对 岩 体 的 本 构 关 系 还 知 之 甚 少 。 已 有 的 模 型 只 是 从 不 同 的 侧 面 、不 同 的 角 度 表 达 了 岩 体 的 部 分 特 性 ,而 非 全 部 特 性 。 70 年 代 发 展 起 来 的 反 演 分 析 法 ,开 辟 了 岩 体 力 学 参 数 和 初 始 地 应 力 研 究 的 新 途 径 ,大 大 提 高 了 分 析 结 果 的 可 靠 性 ,但 参 数 反 演 并 未 解 决 如 何 辩 识 络 具 有 极 强 的 学 习 功 能 和 非 线 性 表 达 能 力 ,正 好 符 合 岩 石 力 学 中 许 多 问 题 描 述 不 完 善 和 非 线 性 特 点 。 与 数 值 模 拟 方 法 相 结 合 ,可 以 通 过 简 单 易 测 的 信 息 来 推 知 不 易 获 得 的 信 息 。 数 值 模 拟 方 法 与 神 经 网 络 结 合 用 于 进 行 岩 性 参 数 及 初 始 地 应 力 估 计 的 思 路 如 图 1 所 示 。 [ 1 ] 与 确 定 合 理 的 模 型 的 问 题 。 所 以 在 确 定 岩 首 先 ,用 数 值 模 拟 计 算 给 出 计 算 参 数 ( E , μ , C ,φ ,σ 0 ⋯ ⋯ ) 条 件 下 的 计 算 结 果 (σ , u , 体 的 本 构 关 系 时 ,常 常 不 得 不 在 特 定 的 条 件 下 进 行 假 设 ,从 有 限 的 现 有 模 型 中 挑 选 一 个 进 行 ⋯ ⋯ ) ,由 这 两 者 组 成 样 本 用 于 训 练 神 经 网 络 , 冯 6 冯   刁 心 宏 等 :岩 石 工 程 中 数 值 模 拟 的 关 键 问 题 及 其 发 展 1999 年 第 6 期 [ 4、5 ] 。 获 得 计 算 参 数 与 计 算 结 果 之 间 的 非 线 性 关 系 的 神 经 网 络 表 达 ; 然 后 把 测 得 的 实 际 位 移 ( u 3 ) 输 入 给 所 获 得 的 神 经 网 络 。神 经 网 络 模 型 则 输 本 构 模 型 自 适 应 识 别 的 基 本 思 路 给 出 初 始 值 群 体 出 相 应 岩 体 的 力 学 参 数 ( E 3 ,μ 3 , C 3 ,φ 3 数 值 模 拟 计 算 位 移 、应 力 , ⋯ ⋯ ) 和 初 始 地 应 力 (σ 0 3 ) ; 最 后 , 根 据 求 得 的 根 据 实 测 值 与 计 算 值 之 差 计 算 适 应 值 执 行 遗 传 迭 代 计 算 参 数 再 用 同 一 数 值 模 拟 方 法 进 行 变 形 和 应 力 等 量 的 计 算 。 N 数 值 模 拟 计 算 产 生 训 练 样 本 ( E ,μ , C ,φ ,σ 0 ⋯ ⋯ ) → (σ , u , ⋯ ⋯ ) 是 否 满 足 停 止 准 则 ? Y ↓ 指 定 结 果 训 练 神 经 网 络 ↓ 结 束   由 神 经 网 络 求 参 数 ( σ 3 , u 3 , ⋯ ⋯ ) → ( E 3 ,μ 3 , C 3 ,φ 3 , ⋯ ⋯ ) 图 2 与 遗 传 算 法 结 合 的 思 路 框 图 ↓ 正 向 数 值 模 拟 计 算 给 出 结 果 其 做 法 是 :先 给 出 一 个 初 始 的 神 经 网 络 材 料 模 型 ,进 行 数 值 计 算 ,得 出 样 本 内 部 的 应 力 、 应 变 值 和 测 点 处 的 位 移 值 ,通 过 宏 观 上 的 位 移 值 的 误 差 ,获 得 神 经 网 络 学 习 所 需 的 微 观 上 的 近 似 的 应 力 2应 变 信 息 。 通 过 学 习 ,修 改 神 经 网 络 材 料 本 构 模 型 ,用 修 改 后 的 网 络 模 型 进 行 新 的 迭 代 计 算 ,得 到 新 的 但 应 该 是 有 所 改 善 的 应 力 2应 变 学 习 样 本 对 。 这 一 迭 代 过 程 在 每 一 离 散 的 载 荷 步 上 继 续 下 去 ,直 到 数 值 计 算 与 实 测 值 相 吻 合 。 图 1 与 神 经 网 络 结 合 的 思 路 根 据 实 测 的 位 移 反 求 未 知 参 数 ,其 结 果 一 般 来 讲 不 是 唯 一 的 。 这 一 步 若 用 遗 传 算 法 来 改 进 ,可 望 求 得 更 符 合 实 际 的 结 果 。 3 12   数 值 模 拟 与 遗 传 算 法 结 合 进 行 岩 性 参 数 及 初 始 地 应 力 估 计 遗 传 算 法 是 一 种 新 型 的 优 化 技 术 。 它 模 拟 生 物 界 遗 传 与 进 化 的 机 制 ,按 照 优 胜 劣 汰 、适 者 生 存 的 原 则 ,通 过 迭 代 技 术 得 出 全 局 最 优 解 。 它 不 需 建 立 精 确 的 因 果 关 系 ,只 需 有 明 显 的 输 入 输 出 结 果 即 可 得 出 结 论 ,因 此 特 别 适 用 于 研 参 考 文 献 [ 3 ] 1   孙 钧 1 世 纪 之 交 岩 石 力 学 研 究 的 若 干 进 展 1 岩 石 力 学 数 值 分 析 与 解 析 方 法 1 广 东 :广 东 科 技 出 版 社 ,1998 究 因 果 不 明 确 、机 理 不 清 楚 的 复 杂 问 题 。 图 2 表 示 了 数 值 模 拟 与 遗 传 算 法 结 合 进 行 岩 性 参 2 谭 章 禄 ,熊 国 华 ,李 祥 仪 1 基 于 神 经 网 络 的 矿 业 因 素 分 析 方 法 与 应 用 1 金 属 矿 山 ,1996(12) :3~ 数 和 初 始 地 应 力 估 计 的 大 致 过 程 。 5 在 这 种 情 况 下 ,如 果 给 定 的 本 构 模 型 能 更 好 地 反 映 岩 体 的 真 实 力 学 行 为 ,无 论 对 参 数 反 演 的 结 果 还 是 在 参 数 反 演 的 基 础 上 作 正 演 分 析 ,都 会 具 有 更 好 的 结 果 。 3   云 庆 夏 ,毋 建 宏 ,王 战 权 1 矿 石 品 位 优 化 的 遗 传 算 法 1 金 属 矿 山 ,1997(5) :13~ 16 4 冯 夏 庭 ,杨 成 祥 1 智 能 岩 石 力 学 迎 接 21 世 纪 岩 石 工 程 的 挑 战 1 岩 土 工 程 青 年 论 坛 ,1998 5 杨 成 祥 1 材 料 本 构 模 型 自 适 应 识 别 的 初 步 研 究 1[ 学 位 论 文 ]1 沈 阳 :东 北 大 学 ,1998 313   数 值 模 拟 与 神 经 网 络 结 合 进 行 岩 体 材 料 本 构 关 系 的 自 适 应 识 别 6   冯 夏 庭 ,王 氵永 嘉 1 采 矿 工 程 智 能 系 统 1 北 京 :冶 金 工 业 出 版 社 ,1994 上 述 参 数 的 智 能 化 分 析 ,只 是 有 助 于 解 决 数 值 模 拟 输 入 参 数 的 准 确 性 问 题 ,并 未 涉 及 到 岩 体 本 构 模 型 识 别 的 合 理 性 问 题 。 为 了 实 现 这 一 点 ,杨 成 祥 首 先 进 行 了 这 方 面 的 研 究 ,提 出 了 ( 收 稿 日 期 1999201210) 冯 7 冯
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