錨桿無損檢測應(yīng)力波反射法原理

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高松鄭月敏錨桿無損檢測(應(yīng)力波反射法)原理目前一頁\總數(shù)三十三頁\編于十四點目錄1、錨桿圖片模型2、簡單的分類3、利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行錨桿承載力智能預(yù)測4、錨桿無損檢測目前二頁\總數(shù)三十三頁\編于十四點

對綜放回采巷道圍巖變形進行預(yù)測，有利于巷道支護設(shè)計和科學(xué)管理。綜放回采巷道為一復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，其支護方案選擇與其影響因素之間、圍巖變形量與其影響因素之間為復(fù)雜的非線性關(guān)系。對于這類問題，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較高的建模能力，能真實刻畫所求問題與其影響因素之間的非線性關(guān)系。我們希望能夠設(shè)計出一套更優(yōu)的算法，優(yōu)化訓(xùn)練結(jié)果，使預(yù)測更準確。目前三頁\總數(shù)三十三頁\編于十四點模糊邏輯，專家系統(tǒng)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，學(xué)習(xí)控制，還有一些智能優(yōu)化方法，比如遺傳算法，粒子群優(yōu)化算法，蟻群優(yōu)化算法，人工免疫算法，分布估計算法等。目前四頁\總數(shù)三十三頁\編于十四點目前五頁\總數(shù)三十三頁\編于十四點

錨桿支護實質(zhì)上是把錨桿安裝在巷道的圍巖中，使層狀的、軟質(zhì)的巖體以不同的形態(tài)得到加固，形成完整的支護結(jié)構(gòu)，提供一定的支護抗力，共同阻抗其外部圍巖的位移和變形。

分類(1)木錨桿。我國使用的木錨桿有兩種，即普通木錨桿和壓縮木錨桿。

(2)鋼筋或鋼絲繩砂漿錨桿。以水泥砂槳作為錨桿與圍巖的粘結(jié)劑。

(3)倒楔式金屬錨桿。這種錨桿曾經(jīng)是使用最為廣泛的錨桿形式之一。由于它加工簡單，安裝方便，具有一定的錨固力，因此這種錨桿在一定范圍內(nèi)至今還在使用。

(4)管縫式錨桿。是一種全長摩擦錨固式錨桿。這種錨桿具有安裝簡單、錨固可靠、初錨力大、長錨固力隨圍巖移動而增長等特點。

(5)樹脂錨桿。用樹脂作為錨桿的粘結(jié)劑，成本較高。

(6)快硬膨脹水泥錨桿。采用普通硅酸鹽水泥或礦渣硅酸鹽水泥加入外加劑而成，具有速凝、早強、減水、膨脹等特點。

(7)雙快水泥錨桿。是由成品早強水泥和雙快水泥按一定比例混合而成的。具有快硬快凝、早強的特點。目前六頁\總數(shù)三十三頁\編于十四點利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行錨桿承載力智能預(yù)測

目前，在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用中，絕大部分的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是采用BP網(wǎng)絡(luò)和它的變化形式，它也是前向網(wǎng)絡(luò)的核心部分。BP(BackPropagation)網(wǎng)絡(luò)，即誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它是在模式分類器中用的最多的一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。錨桿承受拉力的能力，一方面取決于預(yù)應(yīng)力筋的截面積和抗拉強度，另一方面，則取決于錨固體的抗拔力。錨固體的抗拔力事先不易準確確定，它與許多因素有關(guān)，如錨固體幾何形狀、傳力方式、巖土體的滲透性、灌漿壓力及上覆層厚度等。當(dāng)用一個含有豐富頻率成份的信號作為輸入對錨固系統(tǒng)進行激勵時，由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及其它物理力學(xué)性質(zhì)不同，對各頻率成份的抑制和增強作用發(fā)生改變，輸出信號各頻率成份的能量中，包含著豐富的信息，某種或某幾種頻率成份能量的改變即代表了一種錨固狀態(tài)。因此，在錨固質(zhì)量的應(yīng)力波探測中可用聲時、幅值、波形等聲參數(shù)作為判斷的依據(jù)，若再加上實測到的彈性波的頻譜（振幅譜、相位譜、能量譜等）資料，可以得到比用單純彈性波速反映巖體結(jié)構(gòu)狀態(tài)更有效的資料。目前七頁\總數(shù)三十三頁\編于十四點

錨桿的極限承載力預(yù)測在工程中的應(yīng)用采用低應(yīng)變動測的五個數(shù)據(jù):錨固長度L、錨固體的截面直徑R、阻尼自振基頻f1、錨固波速C0和等效粘滯阻尼系數(shù)β，作為網(wǎng)絡(luò)輸入層五個神經(jīng)元的輸入數(shù)據(jù)β,錨桿的極限承載力Qu作為網(wǎng)絡(luò)輸出層神經(jīng)元的期望輸出，在能達到同樣效果的情況下使網(wǎng)絡(luò)盡量簡單，BP網(wǎng)絡(luò)設(shè)有一個隱層。

圖中，P為輸入向量，R為輸入數(shù)，Q為輸入矢量(樣本)，W1，b1和W2，b2分別為第1層、第2層神經(jīng)元的權(quán)值和閾值，S1，S2分別為第1層、第2層神經(jīng)元數(shù)，al和a2為輸出向量。本例中，R=5，Q=5，S1=7，S2=1。目前八頁\總數(shù)三十三頁\編于十四點

接收波的阻尼自振基頻可通過測量接收波周期的方法來計算，或通過對實測響應(yīng)的離散傅氏變換獲得。地層的等效粘滯阻尼系數(shù)的估計值為(式1)式中，ai，ai+1，為振動響應(yīng)第i個振幅峰與第i+1個振幅峰值。樣本中的極限承載力是通過靜載抗拔試驗獲得的?！皣殷w育總局航海運動學(xué)校經(jīng)營用房及博物館”工程位于青島市南海路6號，選取7根錨桿(圖2)的低應(yīng)變動測及現(xiàn)場拉拔試驗參數(shù)作為數(shù)據(jù)樣本，其中5根(6～10號)，用于訓(xùn)練樣本,2根（1號、5號）作為檢驗樣本，來驗證利用訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測錨桿抗拔力。6～10號共5根錨桿的動測數(shù)據(jù)如表1所示：將樣本集的數(shù)據(jù)代入BP網(wǎng)絡(luò)中，采用Leven-berg-Marquardt優(yōu)化算法，經(jīng)過訓(xùn)練后，網(wǎng)絡(luò)LA、LB、LC層各神經(jīng)元之間的權(quán)值如圖3所示：訓(xùn)練后神經(jīng)元節(jié)點之間的輸入、輸出值。訓(xùn)練后神經(jīng)元節(jié)點之間的輸入、輸出值結(jié)果如圖4。經(jīng)過訓(xùn)練后的BP網(wǎng)絡(luò)就具有聯(lián)想功能，可以對工程錨桿極限承載力進行預(yù)測，輸入需預(yù)測工程錨桿的小應(yīng)變動測參數(shù)；計算LB層各神經(jīng)元激活值；計算LC層神經(jīng)元的激活值。目前九頁\總數(shù)三十三頁\編于十四點什么是最優(yōu)化，可分為幾大類？答：Levenberg-Marquardt算法是最優(yōu)化算法中的一種。最優(yōu)化是尋找使得函數(shù)值最小的參數(shù)向量。它的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，如：經(jīng)濟學(xué)、管理優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)分析、最優(yōu)設(shè)計、機械或電子設(shè)計等等。根據(jù)求導(dǎo)數(shù)的方法，可分為2大類。第一類，若f具有解析函數(shù)形式，知道x后求導(dǎo)數(shù)速度快。第二類，使用數(shù)值差分來求導(dǎo)數(shù)。根據(jù)使用模型不同，分為非約束最優(yōu)化、約束最優(yōu)化、最小二乘最優(yōu)化。什么是Levenberg-Marquardt算法？它是使用最廣泛的非線性最小二乘算法，中文為列文伯格-馬夸爾特法。它是利用梯度求最大（?。┲档乃惴ǎ蜗蟮恼f，屬于“爬山”法的一種。它同時具有梯度法和牛頓法的優(yōu)點。當(dāng)λ很小時，步長等于牛頓法步長，當(dāng)λ很大時，步長約等于梯度下降法的步長。在作者的科研項目中曾經(jīng)使用過多次。圖1顯示了算法從起點，根據(jù)函數(shù)梯度信息，不斷爬升直到最高點（最大值）的迭代過程。共進行了12步。（備注：圖1中綠色線條為迭代過程）。圖1中，算法從山腳開始不斷迭代?？梢钥吹?，它的尋優(yōu)速度是比較快的，在山腰部分直接利用梯度大幅度提升（參見后文例子程序中l(wèi)amda較小時），快到山頂時經(jīng)過幾次嘗試（lamda較大時），最后達到頂峰（最大值點），算法終止。如何快速學(xué)習(xí)LM算法？學(xué)習(xí)該算法的主要困難是入門難。要么國內(nèi)中文教材太艱澀難懂，要么太抽象例子太少。目前，我看到的最好的英文入門教程是K.Madsen等人的《Methodsfornon-linearleastsquaresproblems》本來想把原文翻譯一下，貼到這里。請讓我偷個懶吧。能找到這里的讀者，應(yīng)該都是E文好手，我翻譯得不清不楚，反而事倍功半了。LM算法是介于牛頓法與梯度下降法之間的一種非線性優(yōu)化方法，對于過參數(shù)化問題不敏感，能有效處理冗余參數(shù)問題，使代價函數(shù)陷入局部極小值的機會大大減小，這些特性使得LM算法在計算機視覺等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。算法流程Levenberg-Marquardt在LM算法中，每次迭代是尋找一個合適的阻尼因子λ，當(dāng)λ很小時，算法就變成了GAuss-Newton法的最優(yōu)步長計算式，λ很大時，蛻化為梯度下降法的最優(yōu)步長計算式。目前十頁\總數(shù)三十三頁\編于十四點

錨桿承載力預(yù)測值與現(xiàn)場拉拔試驗所得值相差較小，說明本文所設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和所取的輸入?yún)?shù)是適用的，具有代表性。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測能力與訓(xùn)練樣本集的選擇有密切關(guān)系，樣本集愈大，參數(shù)覆蓋范圍愈寬，則預(yù)測效果愈好。目前十一頁\總數(shù)三十三頁\編于十四點錨桿無損檢測對比試驗研究

錨桿施工屬于隱蔽工程，水利水電工程錨桿多為全長粘結(jié)型錨桿，錨桿長度與錨桿飽滿度是錨桿質(zhì)量重要指標。傳統(tǒng)的錨桿抗拔力檢測對錨桿的錨固力判斷非常準確，但仍有不足之處，一是抗拔力測試方法是一種破壞性檢測。二是抗拔力并不能完全反映錨桿的錨固狀態(tài)。三是錨桿飽滿度對錨固質(zhì)量有較大影響，若注漿對鋼筋的包裹不好，鋼筋會很快腐蝕而失去錨固作用。因此在傳統(tǒng)抗拔力檢測符合要求后，因錨桿飽滿度不足造成崩塌的事故仍時有發(fā)生。另外，傳統(tǒng)的拉拔力檢測也無法測出錨桿的實際長度，而錨桿無損檢測技術(shù)能夠快速準確無損地檢測錨桿長度與錨桿飽滿度。無損檢測技術(shù)近年來快速發(fā)展，柯玉軍等人應(yīng)用聲波透射、散射和反射理論，提出了預(yù)應(yīng)力孔道灌漿密實度檢測的方法;宋克民采用雙排列電阻率法實現(xiàn)對垂直鋪塑防滲工程施工質(zhì)量進行無損檢測，測量結(jié)果表明該方法是有效的;董廷朋等人利用瞬變電磁法地下隱蔽工程質(zhì)量進行檢測。在錨桿無損檢測方面，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量研究并取得豐富成果。郭世明等1995年至1998年在大朝山水電站采用應(yīng)力波法對近千根錨桿進行了質(zhì)量檢測，說明采用應(yīng)力波法對錨桿質(zhì)量進行檢測是可行的。李義等人在實驗室進行了圓桶內(nèi)水泥、樹脂端錨實驗和試塊內(nèi)水泥錨桿模擬夾層及離層實驗，并對應(yīng)力波在不同邊界約束和軸向拉伸荷載作用下錨桿中的傳播規(guī)律進行了研究。在前人的研究基礎(chǔ)上，采用波的時域、頻域分析及瞬態(tài)導(dǎo)納法相結(jié)合的方法來檢測錨桿的錨固質(zhì)量，并且提出了運用有效錨固長度、幅值比、基頻、頻率比、衰減系數(shù)及基頻點的動剛度來衡量錨桿錨固質(zhì)量的優(yōu)劣。我國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、國家能源局均發(fā)布了相關(guān)規(guī)程，但如何準確可靠地開展該檢測仍需大量實驗去積累經(jīng)驗。目前十二頁\總數(shù)三十三頁\編于十四點1錨桿無損檢測(應(yīng)力波反射法)原理

錨桿質(zhì)量無損檢測的內(nèi)容為錨桿長度和錨桿飽滿度。在由錨桿、粘結(jié)劑和圍巖組成的錨固體系中，當(dāng)在錨桿錨固體系中傳播的應(yīng)力波波長λ＞10d(d為錨固體系直徑)且λ<<L(L為錨固體系長度)，可將錨固體系簡化為嵌入圍巖的一維勻質(zhì)變截面桿件。錨桿飽滿度的變化表現(xiàn)為桿件截面面積的變化，錨桿長度表現(xiàn)為材質(zhì)的變化。無論錨桿長度和錨桿飽滿度的改變，均表現(xiàn)為廣義波阻抗的變化。當(dāng)錨桿的幾何尺寸或材料性質(zhì)發(fā)生變化時，其波阻抗將發(fā)生變化，其變化分界面稱為波阻抗界面，桿的缺陷部位(粘結(jié)劑缺失)及桿底端均可視為波阻抗界面。當(dāng)在錨桿端頭作用一激振力時，就會在桿端產(chǎn)生應(yīng)力波，應(yīng)力波沿桿體向桿件底端傳播，遇到波阻抗界面時會產(chǎn)生反射和透射應(yīng)力波，根據(jù)反射波的走時和錨桿中的應(yīng)力波傳播速度可以計算錨桿長度(桿底反射波)和缺陷位置(桿中反射波)。若錨桿中存在注漿不密實段，則復(fù)合桿件的截面面積及波阻抗發(fā)生變化，在波阻抗界面將產(chǎn)生反射應(yīng)力波，桿中反射應(yīng)力波的相對能量強度與錨桿飽滿度差異程度有關(guān);一般錨桿飽滿度越差，反射波的能量越強，衰減越慢;不飽滿區(qū)段越多，則波阻抗界面越多，反射應(yīng)力波越多。目前十三頁\總數(shù)三十三頁\編于十四點2錨桿無損檢測對比試驗2.1試驗流程本次研究包含室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗，參照相關(guān)規(guī)范設(shè)計了操作流程:收集基礎(chǔ)資料、調(diào)試檢測儀器、模型錨桿的施工制作、無損檢測采集數(shù)據(jù)、剖管驗證(室內(nèi)試驗)、檢測數(shù)據(jù)處理及對比分析。2.2模型錨桿設(shè)計與制作室內(nèi)模型錨桿孔采用內(nèi)徑80mm的PVC管，其長度比模擬的錨桿長1m以上;現(xiàn)場試驗選擇具有代表性較強的深圳兩個水利工程，試驗錨桿位置選擇在能代表被檢測工程錨桿條件的部位，并且不影響主體工程施工。本次研究采用直徑20mm熱扎帶肋鋼筋，桿端加工平整，膠結(jié)材料采用水泥砂漿，設(shè)置缺陷空腔部位采用泡沫充填，缺陷模型材料在錨桿設(shè)計位置上固定，編號記錄;先插桿、后注漿、封口，完成后不得振動、敲打及錨桿按齡期養(yǎng)護;錨桿檢測按3d、7d、14d、28d不同齡期進行檢測;檢測時改變激振方式、激振力、儀器參數(shù)等，并取得全部記錄。2.3檢測成果本次檢測資料分析以時域分析為主，輔以頻域分析，并結(jié)合工程地質(zhì)條件、施工工藝、錨固段長度、激振方式、錨桿外露長度、水泥砂漿齡期和波形特征等多重因素進行綜合分析，發(fā)現(xiàn)試驗設(shè)置的與實測的缺陷位置和注漿密實度吻合程度很高，具體見表1和表2。目前十四頁\總數(shù)三十三頁\編于十四點目前十五頁\總數(shù)三十三頁\編于十四點3錨桿無損檢測對比分析3.1錨桿飽滿度分析無缺陷錨桿波形分析：錨桿飽滿無缺陷的模擬錨桿波形特征如圖(1～3)，錨桿飽滿度無缺陷的錨桿波形規(guī)則，除桿底外，沿錨桿方向波阻抗相同，沒有明顯的波阻抗界面，在桿長深度范圍內(nèi)沒有反射波，只在桿底可能產(chǎn)生微弱的反射信號。目前十六頁\總數(shù)三十三頁\編于十四點有缺陷錨桿波形分析錨桿飽滿度有缺陷的模擬錨桿波形特征如圖(4～6)，錨桿飽滿度有缺陷的錨桿波形不規(guī)則，剖管驗證不規(guī)則波形缺陷主要分3種。一是圖4所示，波形局部畸變，剖管驗證發(fā)現(xiàn)局部凈漿不飽滿或者不密實或者輕微離析;二是圖5所示，波形某段嚴重衰減，剖管驗證該段有空漿;三是圖6所示，波形反射某段波振幅時大時小，剖管驗證該段有少量凈漿或者半漿。桿中局部不飽滿時，在桿中存在多個波阻抗界面，每個界面均會產(chǎn)生正相位或負相位的反射波，在桿長范圍內(nèi)有多個反射波信號;當(dāng)桿口空漿而深部密實時，錨桿孔口段將形成多次反射波，入射波的特點是第一次反射波為負相位，第二次反射為正相位，交替出現(xiàn)。目前十七頁\總數(shù)三十三頁\編于十四點3.2桿體波速與桿系波速檢測與統(tǒng)計錨桿桿體波速應(yīng)通過所檢測工程錨桿同樣材質(zhì)、直徑的自由桿測試取得;桿系波速應(yīng)采用錨桿模擬試驗結(jié)果或類似工程錨桿的波速值。試驗表明，一維自由彈線性體的波速和有一定邊界條件的一維彈線性體的波速存在一定的差異，即錨桿桿體的聲波縱波速度與包裹一定厚度砂漿的錨桿桿系的聲波縱波速度是不一樣的，計算砂漿包裹的錨桿桿體長度時應(yīng)采用桿系波速，計算自由桿桿體長度時應(yīng)采用桿體波速。波速差異的因素與聲波波長、錨桿直徑、膠粘物厚度、膠粘物波速及聲波尺度效應(yīng)等有關(guān)，因此錨桿桿長計算時采用的波速平均值應(yīng)考慮密實度的影響。由于桿系平均波速受多方面因素的影響，尚無法準確地確定與密實度的關(guān)系，但在實際檢測工作中應(yīng)考慮由此帶來的檢測桿長誤差。一般錨桿桿體的波速比桿系的波速高，錨桿桿體波速一般為5120m/s，經(jīng)此次研究對錨桿桿體和桿系波速進行多次檢測與統(tǒng)計，得出經(jīng)驗數(shù)據(jù)如表1和表2，室內(nèi)模型錨桿桿系波速范圍3359～4506m/s，平均波速3757m/s，波動范圍約30%;現(xiàn)場模型錨桿桿系波速范圍3687～4374m/s之間，平均波速4018m/s，波動范圍約20%。即使能夠準確測出錨桿桿底的反射波時間，由此計算的錨桿長度的誤差也很大。目前十八頁\總數(shù)三十三頁\編于十四點3.3反射波性質(zhì)的判定反射波信號可能來自桿中或桿底，桿底反射信號計算錨桿長度，桿中反射信號計算缺陷位置，因此判斷反射波信號的性質(zhì)非常重要。本次實驗得出以下經(jīng)驗:(1)與入射波反相位(第一次反射)的反射信號，為桿中反射信號，其反射界面兩側(cè)的密實度是從不密實至密實;(2)與入射波同相位的反射信號，可能為桿底反射信號或桿中反射信號，須結(jié)合其他因素綜合判定;(3)出現(xiàn)多次的同相反射信號為桿底反射信號;(4)桿中同相反射界面兩側(cè)的密實度是從密實至不密實;(5)一般情況下，根據(jù)桿底反射信號計算的桿長與設(shè)計長度相近。目前十九頁\總數(shù)三十三頁\編于十四點3.4影響檢測結(jié)果的因素錨桿錨固質(zhì)量受諸多因素影響，如工程地質(zhì)條件、施工工藝、錨固段長度、錨固介質(zhì)對錨固體的握裹力、錨桿類型等，本次實驗針對桿頭平整度、錘擊方式、錨桿外露長度、水泥砂漿齡期等可能影響因素進行了分析。桿頭平整度的影響：研究發(fā)現(xiàn)，桿頭平整度對檢測結(jié)果有較大影響，平整度越好檢測結(jié)果越準確，平整度不好將產(chǎn)生干擾信息，因此檢測前應(yīng)對桿頭打磨。錘擊方式的影響：針對不同長度錨桿應(yīng)采用不同錘擊方式，錨桿長度較長應(yīng)擊振速度慢，應(yīng)力波頻率較低，波長較長，能量衰減慢，得出較好圖形;錨桿長度短應(yīng)擊振速度快，應(yīng)力波頻率較高，波長較短，可得出多次反射信號，有利于圖形分析。錨桿外露長度的影響：通過對0.1m、0.2m、0.3m、0.5m等4種不同外露長度的錨桿在4種水泥砂漿齡期進行檢測表明，外露長度越長對波速指標影響越大。主要原因是錨桿無損檢測時，外露鋼筋橫向擺動產(chǎn)生的余振影響了初始脈沖的單一性，將掩蓋錨桿上部的缺陷信號，錨桿外露長度越長對初始波的影響越大。外露較長時，特別是直徑較小的，如果不能控制住外露鋼筋的橫向擺動，余振不能衰減，影響到桿底部后，致使桿底信號不能確定，無法得到準確的波速，對整個錨桿的定性分析可能造成誤差。水泥砂漿齡期的影響：通過對29根錨桿3d、7d、14d和28d檢測表明，同一錨桿不同齡期水泥砂漿的桿系波速檢測結(jié)果差異性很小，主要原因是水泥砂漿前期強度增長很快，缺陷位置定型也很快，3d以后的砂漿強度基本上不再會較大幅度增長。目前二十頁\總數(shù)三十三頁\編于十四點4結(jié)語(1)實驗發(fā)現(xiàn)利用反射波信號可判斷錨桿缺陷位置和錨桿飽滿度狀態(tài)。(2)桿頭平整度、錘擊方式、錨桿外露長度對錨桿無損檢測有較大影響，而3d后水泥砂漿齡期影響較小。(3)錨桿無損檢測前應(yīng)做模擬錨桿，利用模擬試驗結(jié)果確定桿系波速，從而更好設(shè)置檢測參數(shù)。(4)現(xiàn)場錨桿與圍巖情況不盡相同，測出波形呈多樣化，因此有必要加強現(xiàn)場模型試驗的數(shù)量，爭取建立更多的模型錨桿圖譜，以提高錨桿無損檢測的準確性。目前二十一頁\總數(shù)三十三頁\編于十四點謝謝目前二十二頁\總數(shù)三十三頁\編于十四點不同沖擊速率下恒阻大變形錨桿動力學(xué)特性分析恒阻大變形錨桿試樣恒阻大變形錨桿由恒阻裝置、具有恒阻體的桿體、盤和螺母組成（圖１）。恒阻裝置包括恒阻套管和恒阻體，恒阻套管內(nèi)表面與桿體外表面均為螺紋結(jié)構(gòu)，恒阻套管材料強度低于恒阻體強度。恒阻大變形錨桿設(shè)計恒阻力為桿體材料屈服強度的80％～90％，在確保恒阻裝置發(fā)揮作用時，桿體不因外部荷載超過屈服強度而發(fā)生塑性變形本次試驗使用編號為ＭＧ15－１的恒阻大變形錨桿，該錨桿恒阻套管長度450ｍｍ，內(nèi)外徑分別為25和33ｍｍ；桿體長度460ｍｍ，桿體直徑（下文稱為桿體內(nèi)徑）25ｍｍ，恒阻體直徑（下文稱為桿體外徑）最大處為28ｍｍ。目前二十三頁\總數(shù)三十三頁\編于十四點

試驗系統(tǒng)恒阻大變形錨桿沖擊拉伸試驗系統(tǒng)（圖２）主要由霍普金森桿動力加載系統(tǒng)、錨桿沖擊拉伸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，以檢驗恒阻大變形錨桿在動力沖擊作用下的拉伸變形特性。圖２恒阻大變形錨桿沖擊拉伸試驗系統(tǒng)恒阻大變形錨桿沖擊拉伸試驗系統(tǒng)工作原理如下：將錨桿的桿體端部固定，通過動力加載系統(tǒng)發(fā)出一定初速度的子彈撞擊沖擊鋼管，沖擊鋼管再次撞擊托盤（裝有力與位移傳感器，此過程可看作圍巖瞬時沖擊托盤），托盤和恒阻套管聯(lián)動，使套管和桿體相互作用后套管產(chǎn)生軸向和徑向位移，最后通過與傳感器相連的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)的受力與位移情況。沖擊拉伸試驗系統(tǒng)工作原理如圖３所示。目前二十四頁\總數(shù)三十三頁\編于十四點試驗方法１）進行預(yù)試驗，考察加載系統(tǒng)氣源強度、子彈速度和恒阻套管速度間的關(guān)系，如圖４所示。２）設(shè)定對相應(yīng)的氣源強度進行沖擊試驗，使試驗時恒阻套管滿足１、２、３、５、10m/s的初始速度（每組速度試驗10次）。３）試驗結(jié)束后，考察各次試驗錨桿的受力和變形情況，繪制錨桿所受沖擊力、錨桿軸向位移和徑向變形關(guān)系曲線。目前二十五頁\總數(shù)三十三頁\編于十四點試驗結(jié)果１）受力情況分析。在單根錨桿試驗過程中，讀取單次沖擊后錨桿數(shù)據(jù)并繪制沖擊力－時間曲線。ＭＧ－15－１錨桿試樣在氣源壓強２０ＭＰａ、套管速度１０m/s下的沖擊力－時間曲線如圖５所示。從各套管速率沖擊下對應(yīng)的沖擊力峰值關(guān)系可知，沖擊拉伸試驗中，沖擊時恒阻套管速率（隨氣源強度的增加）和錨桿所承受的沖擊力峰值呈明顯的正比關(guān)系。目前二十六頁\總數(shù)三十三頁\編于十四點２）變形情況分析。單根錨桿試驗過程中，單次沖擊后測量恒阻大變形錨桿恒阻套管軸向位移數(shù)值，并在套管的軸向位移終止位置測量套管的徑向變形情況。因數(shù)據(jù)眾多，將試驗數(shù)據(jù)匯總生成沖擊次數(shù)與恒阻套管軸向位移和徑向變形關(guān)系曲線，如圖６所示。從圖６可知：①沖擊拉伸試驗中，當(dāng)恒阻套管所受初始速度小于２m/s時（即沖擊力較?。?，套管與桿體幾乎沒有相對位移；②當(dāng)套管速度達到２m/s時，套管因沖擊力的積累產(chǎn)生明顯的徑向變形；③當(dāng)套管速度超過3m/s時，單次沖擊力足以迫使套管與桿體發(fā)生相對位移，且沖擊力幅值與軸向位移呈明顯的正比關(guān)系，此過程中套管的徑向位移最大為14ｍｍ。整個沖擊過程宏觀表現(xiàn)為恒阻大變形錨桿（套管＋桿體）伸長、（套管）變粗的現(xiàn)象（產(chǎn)生負泊松比效應(yīng)）。目前二十七頁\總數(shù)三十三頁\編于十四點

數(shù)值模型的建立在諸如航天、車輛和船舶的現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計中，多采用ＣＡＤ／ＣＡＥ軟件集成分析方法對產(chǎn)品進行分析。筆者采用Solidworks(三維機械設(shè)計軟件)數(shù)值模擬軟件進行分析，有限元分析流程如圖７所示。目前二十八頁\總數(shù)三十三頁\編于十四點SolidWorks是個三維機械設(shè)計軟件。SolidWorks本身含義是固體制作的意思。SolidWorks2008的基本理念是幫助工程師設(shè)計偉大的產(chǎn)品。配合3DLib插件，直接調(diào)用幾十萬模型庫，更方便快捷完成設(shè)計。具體體現(xiàn)在以下方面：1.提升客戶體驗：改進三維顯示效果。SolidWorks2008提供了一種快速預(yù)覽三維輕量化模型的技術(shù)，使得大裝配模型的顯示速度進一步提高。同時，支持在設(shè)計界面下的真三維顯示效果，達到了以往專門的三維渲染軟件的顯示效果。方便地編輯大裝配件?？梢员憬莸貜拇笱b配件中選取一部分零部件進行顯示、編輯，進行運動仿真。強化了SWIFT技術(shù)。在SolidWorks2007已經(jīng)推出的SketchExpert、MateExpert和FeatureExpert的基礎(chǔ)上，又推出了CornerExpert（在復(fù)雜的拓撲結(jié)構(gòu)中自動生成合理的圓角）、ToleranceExpert（合理分配公差）和LargeAssemblyExpert（檢查大裝配是否正確），幫助客戶更加簡便地生產(chǎn)零件和裝配結(jié)構(gòu)。最大限度地減少客戶的重復(fù)操作，使用戶在使用過程中，更加專注于設(shè)計本身。2.幫助客戶設(shè)計更好的產(chǎn)品：SolidWorks以往的版本中已經(jīng)加入了CosmosXpress，讓工程師在設(shè)計過程中可以體驗仿真分析的效果。而SolidWorks2008中將提供CosmosMotionXpress（運動仿真分析）、CosmosFloXpress和DFMXpress（可制造性的分析）等模塊，使得工程師能夠更好地進行設(shè)計驗證。目前二十九頁\總數(shù)三十三頁\編于十四點１）模型簡化。由試驗系統(tǒng)的工作原理可知，恒阻大變形錨桿的受沖變形過程主要表現(xiàn)為恒阻套管和桿體的相互運動，且整個系統(tǒng)是軸對稱的。因此在數(shù)值模擬中，將桿體視作剛體并約束一側(cè)，對恒阻套管設(shè)定反方向瞬時初速度模擬錨桿受沖過程。簡化后的系統(tǒng)模型參數(shù)和1/4模型網(wǎng)格分別見表１和圖８。２）加載定義。①約束設(shè)置：對桿體左側(cè)端部全約束。②荷載設(shè)置：對恒阻套管定義其每隔20ms分別以1、2、3、5和10ｍ/s的軸向初速度沖擊５次。③接觸設(shè)置：對恒阻裝置和桿體接觸面設(shè)定自動面接觸。④摩擦設(shè)置：拉伸模具表面和板料接觸面之間的動摩擦因數(shù)一般為0.18，筆者將恒阻裝置與桿體間的動摩擦因數(shù)也設(shè)定成相同數(shù)值。目前三十頁\總數(shù)三十三頁\編于十四點１）受力分析。由恒阻套管的Von-MisesStress云圖（桿體視作剛體故應(yīng)力為0）可知：恒阻套管受沖擊時內(nèi)螺紋處所受應(yīng)力最大；由于單元間相互作用，沖擊未結(jié)束前恒阻套管各單元仍有殘余應(yīng)力存在，表明沖擊時未接觸桿體的恒阻套管部分也可以分擔(dān)部分沖擊力。５次沖擊速率下恒阻套管整體受力如圖９所示，從圖９可知：當(dāng)恒阻套管分別以1、2、3、5和10m/s的軸向初速度運動時，恒阻套管承受的沖擊力峰值依次為134.6、184.2、268.6、467.3、748.2ｋＮ。這與室內(nèi)沖擊拉伸試驗的結(jié)果吻合度較高。目前三十一頁\總數(shù)三十三頁\編于十四點關(guān)于vonMisesStress（馮米斯應(yīng)力）vonMises（馮米斯應(yīng)力，應(yīng)力云紋）。馮米斯應(yīng)力圖用于評價應(yīng)力分布情況.catia自動生成的調(diào)色板，顏色從藍到紅，表示應(yīng)力逐漸變大。當(dāng)鼠標指向節(jié)點時，顯示此節(jié)點的馮米斯應(yīng)力值。vonMises屈服準則是vonMises于1913年提出了一個屈服準則。它的內(nèi)容是：當(dāng)點應(yīng)力狀態(tài)的等效應(yīng)力達到某一與應(yīng)力狀態(tài)無關(guān)的定值時，材料就屈服；或者說材料處于塑性狀態(tài)時，等效應(yīng)力始終是一不變的定值。等效σ=(1/2(σ1-σ2)^2+(σ2-σ3)^2+(σ3-σ1)^2)^(1/2)vonmises應(yīng)力就是一種當(dāng)量應(yīng)力，它是根據(jù)第四強度理論得到的當(dāng)量應(yīng)力。vonmisesstress是綜合的概念，考慮了第一第二第三主應(yīng)力，可以用來對疲勞，破壞等的評價。YIELDINGcriterion（材料屈服標準）有基于stressanalysis也有基于strainanalysis的。vonmisesstress（VMS）其實是一個STRESSyieldingcriterion.我們認為對于某一材料來說，它都有一個yieldingstress,這個yieldingstress對應(yīng)于相應(yīng)的屈服點(yieldingpoint).當(dāng)材料受到外力刺激，如果其內(nèi)部某處應(yīng)力(VMS)大于這個yieldingstress,那么我們認為材料在此處有可能發(fā)生屈服。在FEA中，VMS的計算是基于principalstress的。VonMises應(yīng)力與VonMIses屈服準則，用在各向同性材料中較常見，來自于應(yīng)力張量第一不變量。如果生物力學(xué)計算中缺乏材料數(shù)據(jù)，以近似材料參數(shù)代替，這種情況下似乎用VON應(yīng)力也是可以的。vms是材料力學(xué)中的第四屈服理論，主要是對塑性材料的，考慮的主要是疲勞效應(yīng)。最大應(yīng)力，最大應(yīng)變主要是針對脆性材料的。我印象中是這樣的，可以看看材料力學(xué)中的四大強度理論。屈服準則的概念屈服準則A.受力物體內(nèi)質(zhì)點處于單向應(yīng)力狀態(tài)時，只要單向應(yīng)力大到材料的屈服點時，則該質(zhì)點開始由彈性狀態(tài)進入塑性狀態(tài)，即處于屈服。B.受力物