不确定条件下脆性材料离散元模型参量的计算反求方法研究

With the wider use of brittle materials in civil and military engineering applications, it is more and more important to study the failure of brittle materials. Discrete element method (DEM), one of the valuable tools for the research on the failure of brittle materials, is useful for the study of failure mechanism of brittle materials. The available parameters of DEM model are very important and necessary for the successful use of DEM. The computational inverse method can provide an effective means for the determination of model parameters which can not be identified directly. In the engineering practice, the uncertainty is widely existed. It is of great scientific and practical important to reasonably estimate the influence of the uncertainty for model parameters identification. In this project, considering comprehensively the difficulties about modeling with DEM, uncertainty and the solution of inverse problem, the computational inverse techniques for the determination of DEM model parameters of brittle materials with uncertainty will be investigated and developed. Firstly, the effective DEM model for brittle material will be constructed though orthogonal experimental design method. Secondly, to construct the inverse analysis model of parameters identification, the uncertainty will be described based on interval and global sensitivity analysis method will be developed. Finally, considering the level of uncertainty, the high efficient algorithm for uncertain parameters based on interval will be developed, which can realize the speedily solving for parameters identification. The completion of this project can provide more compelling interval estimate for model parameters and provide the technological support for the engineering application of the discrete element method.

脆性材料在民用和军用工程中的广泛应用，脆性材料破坏问题的研究显得尤其重要。离散元法作为脆性材料破坏问题研究的有效工具，对破坏机理研究具有重要意义。离散元模型参量的获取是离散元法成功应用的重要前提。计算反求方法为难以直接获取的模型参量提供了一种有效的获取途径。考虑工程实际中不确定性广泛存在，合理评估不确定性对模型参量识别的影响具有重要的科学意义和应用价值。本项目拟综合考虑离散元建模，不确定性、反问题求解等难点，研究不确定性脆性材料离散元模型参量识别的计算反求技术。首先，基于正交试验设计法建立合理的脆性材料离散元模型；其次，基于区间度量不确定性，开发全局敏感性分析技术，实现参量识别反问题模型的建立；最后，考虑不确定性水平，开发基于区间的不确定性参量高效识别算法，实现参量识别的快速求解。本项目的完成将为脆性材料破坏问题的研究提供更为合理的模型参量区间估计，为离散元方法的工程应用提供技术支撑。

准确获取离散元模型参量是离散元法成功应用的重要前提，对研究脆性材料特性及其破坏机理研究具有重要意义。传统的模型参量反求方法一般局限于确定性反求，而模型参数反求过程中不可避免地存在不确定性。合理评估不确定性因素对模型参量反求结果影响，具有重要的学术价值和工程实际意义。为此，本项目研究了基于区间分析的不确定性脆性材料离散元模型参量反求理论与方法，主要包括材料力学特性实验研究、材料离散元模型建模技术及参数反求技术、不确定性下材料离散元模型参量反求建模与识别方法、模型参量反求应用等。项目组紧紧围绕研究目标和研究内容，按照研究计划有序系统地展开研究，完成了项目预定的各项研究内容，取得的主要研究进展包括：（1）开展了岩石材料的力学特性准静态实验研究，为建立材料离散元模型提供初始条件和边界条件，并为模型参数的识别精度提供验证数据；（2）为建立有效可靠的离散元数值模型，发展了基于正交试验设计的脆性材料离散元模型建模技术。（3）为了快速获取较难确定的模型参数，发展了基于Sobol全局敏感性分析的岩石脆性材料离散元模型参数的计算反求技术；（4）为充分利用实验数据，发展了基于分阶段技术的岩石脆性材料离散元模型参数反求技术和基于多源实验的岩石脆性材料离散元模型参数反求技术。（5）针对不确定性因素对模型参数反求的影响，考虑不确定性变量水平较小情况下，发展了基于区间分析的不确定性脆性材料离散元模型参数反求技术；（6）针对不确定性变量水平较大时，发展了子区间分析的不确定性岩石材料离散元模型参数反求技术。（7）基于岩石材料离散元模型参数反求结果，开展了盾构机滚刀参数优化研究，并探讨了滚刀刀间距对破岩效率的影响。所发展的不确定性条件下脆性材料离散元模型参量反求方法，有效解决了考虑不确定性因素对模型参量反求的影响，为离散元数值模拟提供了模型参量的区间，促进了离散元法的工程实际应用。