分形煤岩胶结体动态力学性能及数值模拟研究

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作者 朱昌星 霍嘉鑫 吴大志 《河南理工大学学报(自然科学版)》 北大核心 2025年第4期112-123,共12页

目的为研究颗粒破碎程度对煤岩胶结体的动态力学性能影响,方法基于松散介质固体颗粒分布规律理论,以分形维数分别为1.4,1.7,2.0,2.3,2.6配制不同破碎程度的松散煤体,按比例将胶凝材料与煤体拌合,经养护后制成标准块,对其进行分离式霍普... 目的为研究颗粒破碎程度对煤岩胶结体的动态力学性能影响,方法基于松散介质固体颗粒分布规律理论,以分形维数分别为1.4,1.7,2.0,2.3,2.6配制不同破碎程度的松散煤体,按比例将胶凝材料与煤体拌合,经养护后制成标准块,对其进行分离式霍普金森压杆冲击试验,并利用有限元软件LS-DYNA对SHPB试验过程进行数值模拟和对比分析。结果结果表明,分形维数D=1.7时,抗压强度最低、分形维数D=2.6时,抗压强度最高;煤岩破碎程度对试样的动态力学性能影响较大;水泥基体内能远大于4种粒径煤体内能之和;数值模拟的峰值应力、应变终值和破坏模式与室内试验结果吻合较好。粒径为0~20 mm时,0~5 mm的小颗粒质量占比越多,试样整体强度越高;胶结体动态抗压强度随着分形维数增大先减小后增大;动态压缩下试块耗散能也呈先减后增趋势;分形维数D=1.7的煤体级配不利于发挥胶结体试块的力学性能;水泥基体为主要的储能介质,承担主要的能量吸收与耗散;HJC参数的合理选取可以使数值模拟较好地反映胶结体试块的动态力学特性。结论研究结果可为后续煤岩注浆提供一定的技术支持。 展开更多

关键词 煤体破碎程度 胶结体 分离式霍普金森压杆 动态抗压强度 数值模拟

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碳纤维增韧注浆体试块宏细观力学性能研究

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作者 朱昌星 齐忠华 吴大志 《河南理工大学学报(自然科学版)》 北大核心 2025年第5期161-170,共10页

目的为研究碳纤维(carbon fiber,CF)在注浆固结体试块(grouting consolidation body,GCB)内的增韧阻裂作用,开展碳纤维增韧注浆体试块宏细观力学性能研究。方法结合室内试验和数值模拟试验,分别对0%,0.5%,1.0%,1.5%CF掺量的GCB进行三点... 目的为研究碳纤维(carbon fiber,CF)在注浆固结体试块(grouting consolidation body,GCB)内的增韧阻裂作用,开展碳纤维增韧注浆体试块宏细观力学性能研究。方法结合室内试验和数值模拟试验,分别对0%,0.5%,1.0%,1.5%CF掺量的GCB进行三点弯曲试验,并结合电镜扫描试验(SEM)探究CF的增韧阻裂性能;通过0%CF,1.0%CF掺量的GCB三点弯曲数值模拟试验,多尺度(细观-宏观)、多角度研究GCB中CF增韧阻裂机理。结果CF掺量与抗拉强度呈先增后减的变化趋势,1.0%CF-GCB抗拉强度、韧性指数及断裂韧性性能更优;CF在基体内失效模式为脱黏破坏、拉伸破坏及剪切破坏,拉伸破坏面光滑平整,剪切破坏面为45°斜截面。GCB室内试验与模拟试验的破坏模式、应力-应变曲线基本一致;1.0%CF-GCB抗拉强度高达5.54 MPa,较0%CF提高18%;依据PFC2D模拟结果将裂纹数量和抗拉强度曲线分为裂纹萌生阶段、裂纹继续发展阶段和峰后阶段,得出模型底部CF受力大于中上部的,随机分布的CF和砂砾影响裂纹扩展路径,裂纹沿水泥颗粒间粘结薄弱的地方扩展。结论研究成果可为后续深入研究CF增韧阻裂机理提供参考依据。 展开更多

关键词 碳纤维 注浆固结体 增韧阻裂 数值模拟

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基于CT扫描受压注浆体试块三维孔裂隙结构参数表征 被引量：1

3

作者 朱昌星 吴大志 +1 位作者 王凤娥 孙家鑫 《河南理工大学学报（自然科学版）》 CAS 北大核心 2024年第3期42-49,共8页

目的为研究注浆体试块单轴压缩过程中孔裂隙结构演化特征,方法以级配砂砾注浆体试块为研究对象,对其单轴压缩过程分阶段进行工业CT扫描,并采用AVIZO对CT切片进行分析,重构孔裂隙结构三维模型,定量表征孔裂隙与孔喉特征参数。结果结果表... 目的为研究注浆体试块单轴压缩过程中孔裂隙结构演化特征,方法以级配砂砾注浆体试块为研究对象,对其单轴压缩过程分阶段进行工业CT扫描,并采用AVIZO对CT切片进行分析,重构孔裂隙结构三维模型,定量表征孔裂隙与孔喉特征参数。结果结果表明:单轴压缩下,试块依次经历孔裂隙萌生、发育、扩展与贯通阶段,孔裂隙演化特征比较明显,萌生阶段孔隙数增幅为14.41%,无明显贯通;发育阶段孔隙数增加326.91%,伴有一定数目孔隙贯通;扩展阶段孔隙数减少了57.79%,孔隙等效直径最大值增幅为223.45%,大部分孔隙贯通为裂隙;贯通阶段孔裂隙数目几乎不变,孔隙等效直径最大值增幅为92.83%,裂隙贯通后形成多个破裂面。峰值后试块出现连通孔隙,该阶段注浆体孔隙与喉道发育完全,试块破坏。结论研究结果可为后续破碎岩石注浆工程实践提供参考。 展开更多

关键词 CT扫描 注浆体 三维重构 孔裂隙结构 孔喉模型

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基于正交试验的煤岩相似材料最优配比研究 被引量：3

4

作者 朱昌星 刘旭 赵伟浩 《河南理工大学学报（自然科学版）》 CAS 北大核心 2024年第2期34-40,共7页

目的为了探寻煤岩相似材料最优配比,方法以赵固一矿煤样的自然视密度、单轴抗压强度、弹性模量为模拟指标,采用正交设计法开展相似材料配比试验。选用碳酸钙、水泥、细河砂、煤粉、蒸馏水为原料,以骨料与胶结剂质量比、胶结剂成分间质... 目的为了探寻煤岩相似材料最优配比,方法以赵固一矿煤样的自然视密度、单轴抗压强度、弹性模量为模拟指标,采用正交设计法开展相似材料配比试验。选用碳酸钙、水泥、细河砂、煤粉、蒸馏水为原料,以骨料与胶结剂质量比、胶结剂成分间质量比、骨料成分间质量比和掺水率为控制因素,按照4因素3水平正交配比方案制备了9组相似材料。结果试验结果表明:不同配比下相似材料物理力学参数变化较大,各因素对模拟指标影响规律性强,且骨胶比对相似材料各模拟指标起控制作用,自然视密度、单轴抗压强度、弹性模量均随骨胶比增加而显著下降。通过多元线性回归分析得到相似材料最优配比为碳酸钙∶水泥∶河砂∶煤粉∶水=1∶4∶0.9∶5.8∶3.3,经验证,使用该配比制作的试样在物理力学参数、单轴压缩曲线和破坏形态上能够很好地模拟原煤。结论该研究采用理论与试验相结合的方法寻找最优配比有效可行,可为煤岩相似材料领域研究提供一定借鉴。 展开更多

关键词 相似材料 正交试验 敏感性分析 多元线性回归

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岩石非线性蠕变损伤模型的研究 被引量：40

5

作者 朱昌星 阮怀宁 +1 位作者 朱珍德 罗润林 《岩土工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2008年第10期1510-1513,共4页

在非线性黏弹塑性流变模型的基础上,根据时效损伤和损伤加速门槛值的特点,建立了非线性蠕变损伤模型,并通过对锦屏二级水电站深埋长大引水隧洞板岩剪切流变试验验证了模型的正确性。研究表明,这种非线性蠕变损伤模型,不但能很好地反映... 在非线性黏弹塑性流变模型的基础上,根据时效损伤和损伤加速门槛值的特点,建立了非线性蠕变损伤模型,并通过对锦屏二级水电站深埋长大引水隧洞板岩剪切流变试验验证了模型的正确性。研究表明,这种非线性蠕变损伤模型,不但能很好地反映岩石蠕变全过程,而且,也能合理地描述不同应力下板岩的初始蠕变损伤、稳态蠕变损伤和加速蠕变损伤。 展开更多

关键词 时效损伤 损伤加速门槛值 加速蠕变损伤

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一种新的非线性粘弹塑性流变模型 被引量：8

6

作者 朱昌星 阮怀宁 +2 位作者 朱珍德 罗润林 王凤娥 《长江科学院院报》 CSCD 北大核心 2008年第4期53-55,共3页

根据岩石蠕变条件下裂纹扩展特性,在前人研究的基础上建立了一个能反映加速蠕变阶段的非线性粘弹塑性流变模型,该模型能描述蠕变变形的3个阶段,即初始蠕变、稳态蠕变和加速蠕变。结合锦屏二级水电站深埋长大引水隧洞板岩剪切流变试验结... 根据岩石蠕变条件下裂纹扩展特性,在前人研究的基础上建立了一个能反映加速蠕变阶段的非线性粘弹塑性流变模型,该模型能描述蠕变变形的3个阶段,即初始蠕变、稳态蠕变和加速蠕变。结合锦屏二级水电站深埋长大引水隧洞板岩剪切流变试验结果,通过编写变尺度法(DFP)算法,辨识流变模型参数,结果表明作者提出的非线性粘弹塑性流变模型是正确的。 展开更多

关键词 非线性粘弹塑性模型 加速蠕变 剪切流变 变尺度法 参数辨识

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基于三轴蠕变试验砂岩非线性蠕变模型研究 被引量：4

7

作者 朱昌星 黄增慧 韩宪军 《河南理工大学学报（自然科学版）》 CAS 北大核心 2015年第4期468-471,共4页

针对观音堂煤矿2506工作面顶板坚硬砂岩三轴蠕变试验结果,引入能反映蠕变加速阶段的多项式元件,通过其与鲍埃丁模型串联,建立了新的坚硬砂岩非线性黏弹塑性蠕变模型,它能用统一数学表达式描述轴向、横向蠕变全过程。利用砂岩15 MPa围压... 针对观音堂煤矿2506工作面顶板坚硬砂岩三轴蠕变试验结果,引入能反映蠕变加速阶段的多项式元件,通过其与鲍埃丁模型串联,建立了新的坚硬砂岩非线性黏弹塑性蠕变模型,它能用统一数学表达式描述轴向、横向蠕变全过程。利用砂岩15 MPa围压下轴向分级加载蠕变试验数据,对建立的蠕变模型进行参数反演,获得了该模型蠕变参数。通过对砂岩三轴蠕变试验曲线拟合,验证了本文提出非线性蠕变模型的正确性及合理性。 展开更多

关键词 砂岩 蠕变 多项式元件 非线性蠕变模型 参数反演

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T形截面钢管混凝土异形柱承载机理数值分析 被引量：4

8

作者 朱昌星 林栋 《河南理工大学学报（自然科学版）》 CAS 北大核心 2016年第3期430-435,共6页

基于混凝土的塑性损伤模型和钢材的应变硬化模型,对普通T形截面钢管混凝土异形柱(CCFTTS)和双钢管焊接T形截面混凝土异形柱(DCFTTS)在轴向荷载作用下的力学性能进行了数值分析。模拟分析结果表明这两种构件都有类似的失效模式,即钢管都... 基于混凝土的塑性损伤模型和钢材的应变硬化模型,对普通T形截面钢管混凝土异形柱(CCFTTS)和双钢管焊接T形截面混凝土异形柱(DCFTTS)在轴向荷载作用下的力学性能进行了数值分析。模拟分析结果表明这两种构件都有类似的失效模式,即钢管都向外发生了屈曲变形。研究发现DCFTTS相比于CCFTTS有着较高的力学性能,因为DCFTTS对混凝土提供更高的侧向约束力。参数分析进一步表明钢管的壁厚、混凝土强度、钢管和混凝土接触面之间的摩擦系数对构件承载力的影响。 展开更多

关键词 轴向性能 钢管混凝土 T形截面 约束效应

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基于CT扫描单轴压缩下注浆体试块裂隙动态演化过程试验研究 被引量：13

9

作者 朱昌星 孙家鑫 王彦伟 《岩土力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第9期2493-2503,共11页

为了研究注浆体在荷载作用下裂隙动态演化过程,以级配砂砾注浆试块为研究对象,利用CT扫描系统对其单轴压缩破坏过程进行阶段性扫描。通过图像重构技术实现注浆体试块内部裂隙结构空间可视化,定量表征裂隙数目和体积等结构特征参数;采用P... 为了研究注浆体在荷载作用下裂隙动态演化过程,以级配砂砾注浆试块为研究对象,利用CT扫描系统对其单轴压缩破坏过程进行阶段性扫描。通过图像重构技术实现注浆体试块内部裂隙结构空间可视化,定量表征裂隙数目和体积等结构特征参数;采用Python编程对CT切片的灰度值和分形维数进行计算,分析试块不同阶段的细观损伤程度。结果表明:整个压缩阶段,注浆体试块内部裂隙体积呈现缓慢上升-缓慢下降-缓慢上升-急速上升趋势,裂隙数目呈现先增大后减小的趋势;裂隙扩展遇到砂砾时,多为绕砾扩展,少数情况出现穿砾扩展,裂隙分叉扩展多发生在水泥基体与砂砾的界面处;按试块内部裂隙演化过程可将破坏分为4个阶段:初始缺陷扩张阶段、压密阶段、裂隙加速扩展阶段和裂隙贯通阶段;试块同一阶段同层切片的损伤变量与分形维数在数值上呈现一定的正相关性,与其裂隙体积演化趋势相似。研究成果可为深入研究注浆体失效过程及裂隙演化规律提供参考依据。 展开更多

关键词 CT扫描 注浆体 数字重构 裂隙演化 量化表征

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岩体初始地应力场的粒子群优化反演及在FLAC^(3D)中的实现 被引量：21

10

作者 罗润林 阮怀宁 +1 位作者 黄亚哲 朱昌星 《长江科学院院报》 CSCD 北大核心 2008年第4期73-76,80,共5页

岩体初始地应力对于地下工程的稳定性和仿真计算都十分重要,了解工程区域中的岩体初始地应力大小和分布情况通常采用现场测量和反演计算相结合来实现。粒子群优化算法是一种很好的优化反演方法,具有算法简单、收敛较快、容易实现等特点;... 岩体初始地应力对于地下工程的稳定性和仿真计算都十分重要,了解工程区域中的岩体初始地应力大小和分布情况通常采用现场测量和反演计算相结合来实现。粒子群优化算法是一种很好的优化反演方法,具有算法简单、收敛较快、容易实现等特点;而FLAC3D适用于大多数工程力学问题,并得到了国内外广泛认可和应用,而且内嵌有FISH语言,容易进行二次开发。因此,在研究粒子群算法原理以及地应力反演方法的基础上,利用FISH语言研制了基于粒子群算法的岩体初始地应力反演程序,并对锦屏二级水电站岩体初始地应力进行反演研究。工程实例表明,在FLAC3D中运用粒子群算法对岩体地应力反演简单易行而且精度较高,反演结果可靠。 展开更多

关键词 FLAC3D 粒子群算法 初始地应力 反演 二次开发

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下伏采空区隧道变形稳定性与治理数值分析 被引量：11

11

作者 韩宪军 朱昌星 +1 位作者 孟小欢 王钦亭 《广西大学学报（自然科学版）》 CAS 北大核心 2016年第1期219-227,共9页

在采空区上方修建铁路隧道时,隧道围岩的稳定性与地下采空区必然产生相互影响。针对某铁路隧道下伏采空区的实际情况,采用FLAC3D数值分析平台,对隧道围岩变形和采空区治理措施进行模拟分析。模拟结果表明,与无下伏采空区情况相比,下伏... 在采空区上方修建铁路隧道时,隧道围岩的稳定性与地下采空区必然产生相互影响。针对某铁路隧道下伏采空区的实际情况,采用FLAC3D数值分析平台,对隧道围岩变形和采空区治理措施进行模拟分析。模拟结果表明,与无下伏采空区情况相比,下伏采空区的存在对隧道拱顶部位围岩沉降量及水平应力影响较大,大小分别由18.00 mm、3.50 MPa增大到30.75 mm和4.00 MPa,增幅分别约为71%和15%,模拟得到的结果与工程中实际存在的情况基本吻合;同时提出的采空区隧道综合治理方案是可行的,可以取得良好的治理效果,位移沉降量降幅达到了40%,可为类似工程提供参考。 展开更多

关键词 采空区 隧道 FLAC3D 变形稳定性 治理 数值分析

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基于塑性强化和粘性弱化的岩石蠕变模型 被引量：10

12

作者 罗润林 阮怀宁 朱昌星 《西南交通大学学报》 EI CSCD 北大核心 2008年第3期346-351,共6页

为更好地描述岩石蠕变行为,特别是第2和第3期蠕变过程,基于岩石蠕变机理,在粘塑性元件中引入塑性强化函数和粘性弱化函数,建立了岩石的非线性蠕变模型.对圆柱形砂岩试样进行的单轴压缩蠕变试验表明,所建立的模型对试验数据的拟合程度较... 为更好地描述岩石蠕变行为,特别是第2和第3期蠕变过程,基于岩石蠕变机理,在粘塑性元件中引入塑性强化函数和粘性弱化函数,建立了岩石的非线性蠕变模型.对圆柱形砂岩试样进行的单轴压缩蠕变试验表明,所建立的模型对试验数据的拟合程度较高(相关系数达0.98),能较好地描述岩石蠕变的全过程. 展开更多

关键词 蠕变机理 塑性强化 粘弹塑性模型 非线性蠕变模型

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基于粒子群-最小二乘法的岩石流变模型参数反演 被引量：11

13

作者 罗润林 阮怀宁 朱昌星 《辽宁工程技术大学学报（自然科学版）》 CAS 北大核心 2009年第5期750-753,共4页

为解决参数数量随加载级数增加而成倍增加,对参数反演带来困难这一问题,在分级加载蠕变模型中,根据粒子群算法和最小二乘法对参数反演的特点,先采用粒子群算法(PSO)对模型参数进行反演得到一个全局次优粒子,再将其作为初始值对模型参数... 为解决参数数量随加载级数增加而成倍增加,对参数反演带来困难这一问题,在分级加载蠕变模型中,根据粒子群算法和最小二乘法对参数反演的特点,先采用粒子群算法(PSO)对模型参数进行反演得到一个全局次优粒子,再将其作为初始值对模型参数进行最小二乘法反演。工程实例表明,粒子群-最小二乘法反演可以很好地应用于分级加载蠕变模型的参数反演。 展开更多

关键词 粒子群算法 最小二乘法 参数反演 蠕变模型

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一种非定常参数的岩石蠕变本构模型 被引量：23

14

作者 罗润林 阮怀宁 +1 位作者 孙运强 朱昌星 《桂林工学院学报》 北大核心 2007年第2期200-203,共4页

在前人的研究基础上提出了一种新的非定常参数的岩石蠕变模型,该模型由一个牛顿体和一个类似于开关的SO元件并联后与一个广义Kelvin体串联,通过SO元件的作用,新模型可以在Burgers模型与广义Kelvin模型之间切换,并将Burgers模型中牛顿体... 在前人的研究基础上提出了一种新的非定常参数的岩石蠕变模型,该模型由一个牛顿体和一个类似于开关的SO元件并联后与一个广义Kelvin体串联,通过SO元件的作用,新模型可以在Burgers模型与广义Kelvin模型之间切换,并将Burgers模型中牛顿体的粘滞系数η1看成与时间有关的非定常参数,使得模型不仅可以反映稳态蠕变过程也可以反映加速蠕变过程. 展开更多

关键词 非定常参数 蠕变 本构模型 BURGERS模型 KELVIN模型

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碳纤维增强聚合物水泥注浆材料力学性能及其微观机理 被引量：17

15

作者 胡春红 王彦伟 朱昌星 《硅酸盐通报》 CAS 北大核心 2022年第1期20-26,50,共8页

针对松散破碎巷道控制问题,普通水泥注浆存在诸多缺陷,且水泥颗粒不能注入半径小于0.2 mm的孔隙或者裂隙中。本文采用碳纤维、聚合物以及超细水泥制备试块,通过单轴压缩试验及巴西劈裂试验确定注浆材料的最佳配合比。试验结果表明,当碳... 针对松散破碎巷道控制问题,普通水泥注浆存在诸多缺陷,且水泥颗粒不能注入半径小于0.2 mm的孔隙或者裂隙中。本文采用碳纤维、聚合物以及超细水泥制备试块,通过单轴压缩试验及巴西劈裂试验确定注浆材料的最佳配合比。试验结果表明,当碳纤维掺量为水泥掺量的1.0%(质量分数)时,水泥砂浆试块性能最佳。采用电子扫描显微镜(SEM)确定试块微观结构,结合聚合物成膜的Ohama模型和Konietzko模型,分析其微观结构形成过程及碳纤维失效模式,揭示碳纤维增强聚合物水泥注浆材料微观增强机理。本文为降低深部破碎煤岩巷道维护成本,实现深部开采可持续发展提供了技术支撑。 展开更多

关键词 注浆 碳纤维 聚合物 力学性能 微观结构 失效模式

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真三轴条件下Q_3原状黄土的力学特性 被引量：3

16

作者 方瑾瑾 冯以鑫 朱昌星 《岩土力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第5期1699-1708,共10页

为了模拟实际工程中黄土在不排水条件下的破坏,在控制含水率不变条件下,利用非饱和土真三轴仪对不同初始吸力非饱和原状黄土进行了等向固结试验和不同中主应力参数b值的剪切试验,研究了非饱和原状黄土的力学特性。研究结果表明:真三轴... 为了模拟实际工程中黄土在不排水条件下的破坏,在控制含水率不变条件下,利用非饱和土真三轴仪对不同初始吸力非饱和原状黄土进行了等向固结试验和不同中主应力参数b值的剪切试验,研究了非饱和原状黄土的力学特性。研究结果表明:真三轴等向压缩屈服应力随着初始吸力的增大而增大,吸力随着净平均应力的增大而减小,净平均应力对吸力的影响程度随着初始吸力的增大而增大。不同b值条件下,广义剪应力和净平均应力破坏状态线近似呈平行直线关系,广义剪应力和有效净平均球应力试验点可归一为饱和土的排水剪切破坏状态线;剪切破坏时吸力随着b值的增大基本呈线性增大趋势;孔隙比和净平均应力对数临界状态线近似呈线性平行关系,其斜率比饱和土大,且大于等向压缩屈服前的斜率;非饱和土孔隙比和有效净平均球应力对数临界状态线与饱和土的临界状态线近似呈线性平行关系;不同净围压条件下,不同b值非饱和土与饱和土的破坏状态孔隙比的比值与气体饱和度的试验点分布于1.0～1.2的直线带内,但同一净有效球应力条件下可以归一为一条非线性曲线。 展开更多

关键词 非饱和原状黄土 非饱和土真三轴仪 吸力 孔隙比

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一种用于可靠指标计算的SCE-RI算法

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作者 韩宪军 朱昌星 王钦亭 《河南理工大学学报（自然科学版）》 CAS 北大核心 2016年第1期118-123,共6页

为了研究工程中可靠指标计算方法,提出了基于结构可靠度概念和最优化理论中的罚函数法,将结构可靠指标(RI)的求解问题转化成相应的无约束最优化问题,利用SCE算法良好的全局搜索能力,对相应的优化问题进行求解。利用Matlab平台设计了求... 为了研究工程中可靠指标计算方法,提出了基于结构可靠度概念和最优化理论中的罚函数法,将结构可靠指标(RI)的求解问题转化成相应的无约束最优化问题,利用SCE算法良好的全局搜索能力,对相应的优化问题进行求解。利用Matlab平台设计了求解结构可靠指标的专用计算程序SCE-RI和MC-RI,并应用于某圆形隧道的可靠指标计算问题。通过与其他方法计算结果的比较表明:SCE-RI算法不仅能够避免功能函数求导运算困难,而且精度和效率都很高;用SCE-RI算法进行结构可靠指标计算是可行的,对其他类似工程有一定的推广应用价值。 展开更多

关键词 罚函数法 SCE算法 功能函数导数 可靠指标

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