MLC模拟参数（精选3篇）
MLC模拟参数 篇1
0 引言
相比于传统的统计模型,基于多径电磁计算的射线跟踪(Ray Tracing,RT)信道模型作为一种最常见的确定性模型,能够较准确地预测城市微小区以及室内场景的场强覆盖[1,2]。然而,射线跟踪算法精度严重依赖于算法所需的预设参数。参数校正方法旨在求取适用于特定场景的最佳参数集,从而提高RT预测精度。
在地球物理学和遥感领域,有一类利用雷达回波求取介质电磁参数的方法称作反演。由于雷达回波无法显示地表示为参数的函数,故常采用智能搜索算法来反演参数。反演方法有很多种,包括梯度法、牛顿法、蒙特卡洛法、遗传算法、模拟退火(Simulated Annealing,SA)算法等。文献[3]提出了一种搜索步长自适应的模拟退火反演方法,相较于传统模拟退火具有较高的搜索效率;文献[4]提出一种模拟退火与遗传算法相结合的混合算法,能够在保证全局搜索能力的前提下进一步提高局部搜索能力。
RT参数校正与地球物理学的参数反演问题在数学上具有一致性,归根结底都是一种对多元目标函数的迭代最优化方法,其正向映射关系f一般多为隐式的或较复杂,难以用解析方法直接求解。因此借助较成熟的反演及其改进方法解决RT参数校正问题是可行的。文献[5,6]虽然给出了利用模拟退火算法对室内射线跟踪算法进行参数校正的实例,但并未对搜索算法本身做出改进。此处采用了一种改进的模拟退火方法作为RT参数校正方法,既能够有效避免陷入局部最小值点,又能尽量减少正演算法y=f(X)的迭代次数,提高了算法效率。
1 射线跟踪预测模型概述
作为确定性信道模型的一种,RT模型需要对特定场景进行建模,并利用射线的发射与接收对收发天线进行仿真,以及利用追踪几何路径的方法来模拟电磁波在空间的传播。关于电磁场的计算,主要是根据自由空间传播损耗公式、反射定律、一致绕射理论(UTD)等计算得出接收点的场强或时延、到达角等多径信息[1,2,7]。RT需事先设定材料电磁参数、天线参数或其他一些待定参数。确定参数后,要利用设定好的精度准则对参数进行校正以得到最适用于当前场景的RT参数[8]。
2 模拟退火算法概述
作为最优化方法,模拟退火算法具备较好的全局寻优能力,在组合优化问题和连续空间优化问题上应用广泛。设目标函数为y=f(X),X={x1,x2,x3,…}为参数集,令目标函数表示样本接收点上的实测值与RT预测值的均方误差,则目标函数表达式为:
Ci和Mi分别表示在第i个接收点处的场强计算值和场强实测值。若Xopt表示待求解的最优参数,则Xopt满足f(Xopt)=minf(X)。理想状态下,以Mi表示的实测值可以认为是在真实的参数集Xreal作用下的第i个接收点的真实场强,则有Xopt→Xreal;但实际情况要考虑到设备精度、场景模型精度、噪声等因素,真实参数集Xreal不可测,因此所求的Xopt是对Xreal的似然估计,有时称Xopt为“等效参数”。用模拟退火实现的反演过程实际上是迭代过程,总体上看,迭代总是朝着使目标函数减小的方向进行,但也允许以一定概率接受“较差”的参数集,从而具备一定的跳脱局部极值点的能力。跳变点接收概率用Metroplise准则描述:
算法通过内部最大迭代次数n和外部温度T控制迭代的进行,通过Metroplise准则判断决定迭代是否被接受,文献[5]给出了较为详尽的算法流程。
3 参数校正算法实例
为了验证参数校正算法的可行性,本节将以某室内场景为例,根据该场景实测数据[9],利用改进的模拟退火算法进行参数校正。天线发射2.5GHz窄带信号,采用软件无线电USRP设备在室内一条接收路径上(y=1.8m;x=2.8~10.3m;z=1.5m)进行了实测[9]。场景模型示意图如图1所示。
3.1 参数集的选取
校正参数前,首先需确定参数集,即找出对场强预测结果影响较大的参数。此处采用的RT算法为自主编写射线管射线跟踪方法(C#语言实现),接收球半径作为一个重要参数,用来调整接收点接收路径数量。在电磁参数方面,相关文献通过详实地研究,发现介电常数的影响远高于另外两个———磁导率和电导率[10,11,12]。因此,此处用于校正的参数为:接收球半径R、墙面介电常数ε1、地面介电常数ε2。
3.2 搜索策略
模拟退火算法针对不同的参数应设定不同的搜索范围,搜索范围又称“扰动区间”。若区间过小,则可能忽略全局最优点,导致结果不是最优;若区间过大,则由于迭代次数过多导致收敛速度变慢或降低优化精度。因此这里采用自适应调整搜索步长[3],当“跳跃”没有被接受的次数较多时,扩大“扰动区间”以方便全局搜索。对第i个参数,扰动区间用ξi表示,则采用以下方式设定区间大小:
式中,δi表示扰动区间初始范围阈值,n为内部循环总次数,na为内部循环“跳变”没有被接受的总次数,5.0为多次试验得到的经验常数。对于本例的三个参数,初始搜索区间分别为R:0.01m~0.1m;ε1、ε2:1~15。
3.3 参数校正结果及分析
针对室内场景,初始解根据经验值设定。完整的参数校正过程较耗时,共用时4h22min(调用420次射线跟踪计算,降温28次,内部循环15次)。与固定步长相比,采用自适应搜索步长的策略,在初始区间足够宽裕时,可以有效缩小搜索区间,从而在一定程度上提高搜索精度。若采用枚举法令参数+/-固定常数以遍历参数,例如R以+0.0025从0.01递增至0.1,ε1、ε2以+1从3递增至15,则共需调用18×13×13=3042次RT计算模块,运算过于耗时且搜索精度不及SA算法。参数校正结果如表1所示。
4 结束语
本文借鉴了地球物理学中较为成熟的参数反演思想,采用了自适应搜索步长的模拟退火算法作为射线跟踪的参数校正方法。通过一个室内场景实例,对2.5GHz窄带信号进行实测和仿真,根据某一路径上的少量实测数值反推出3D射线跟踪的最优参数,成功地实现了参数校正过程,且校正后的预测结果能较好地与测量值吻合。
参考文献
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MLC模拟参数 篇2
许厂煤矿4302轨道巷沿小屯西背斜轴部掘进且布置方向分布有孙氏店支2-3断层和孙氏店支2断层, 受背斜构造应力集中及断层地质结构影响, 巷道围岩破碎, 变形难以控制。由于巷道顶板砂岩含水层富水性中等且裂隙发育, 巷道掘进时会有淋水, 应对3下煤层顶板砂岩含水层进行疏放。许厂煤矿4302轨道巷顶、底板岩性特征如下表。
许厂煤矿4302轨道巷之前选用130采区巷道的支护方案, 但430采区的巷道围岩条件与130采区大不相同。430采区开采的3下煤层不仅埋深较大, 平均达400m, 地应力大且应力分布复杂。而且430采区煤层层理、裂隙较发育, 煤质松软, 坚固性系数较小, 仅有2~3, 不稳定层厚度约1.5m。复杂的地质条件导致许厂煤矿4302轨道巷在掘进过程中出现顶煤冒落、顶板“网兜”下坠、螺帽脱扣等现象, 施工难度极大且存在严重的安全隐患。
2 巷道支护数值模拟及分析
2.1 数值模型建立
许厂煤矿4302轨道巷宽4.2m, 高2.9m。根据许厂煤矿4302轨道巷地质采矿条件、掘进方案和支护模拟分析要点, 考虑各方面因素, 模型尺寸 (长×宽×高) 确定为:150m×100m×63m。由于煤层埋深400m左右, 则在模型上部施加向下10Mpa的均布载荷。各岩层力学参数根据实验室岩体物理力学试验而定, 得到的物理力学参数如下。
2.2 模拟方案
本次数值模拟3种不同的支护方式对巷道围岩变形及应力的影响, 其中方案1为原4302轨道巷支护方式, 方案2、3为改进后备选的支护方案, 方案3和方案2中锚网支护参数一致, 锚索布置方式不同。具体支护材料及支护参数见表3。
2.3 不同支护方式下巷道围岩稳定性分析
由表4可知, 巷道表面位移在掘进初期增加很快, 达到一定时期即进入稳定期, 基本保持不变。最大变形量为顶板下沉量, 最大仅为33mm。巷道的表面位移以回采期间为主。巷道的顶板下沉量、底鼓量、两帮位移量从掘进阶段到回采阶段均有数倍的增大。因此要重点控制回采期间4302轨道巷的围岩变形, 预防事故发生。但随着支护强度的增加, 巷道表面位移逐渐减小, 相比方案1, 方案2和方案3均能很好地控制巷道表面位移, 顶板下沉量相对减小30、40mm, 两帮变形量相对下降30、50 mm, 支护效果明显。
巷道开掘后原岩应力重新分布, 巷道围岩内出现应力集中, 产生塑性变形, 出现塑性区。加大支护强度有利于控制塑性区范围, 从方案1至方案3, 巷道塑性区从距巷道表面5 m范围内降至4 m范围内, 应力集中系数从4降至3.5。
不论采用何种支护方式, 由于掘进和开采影响导致巷道围岩应力重新分布, 巷道顶板岩层均会出现离层, 但加大巷道支护强度, 离层程度会不断降低。从方案1至方案3, 顶煤和直接顶之间的离层值分别从20mm减小到约10mm, 再减小到约8mm。
通过上述分析, 方案2和方案3在控制巷道表面变形, 减小巷道塑性区范围等方面明显优于方案1, 方案3又优于方案2, 且方案3支护施工成本仅略高于方案2, 综合考虑选择方案3。
3 现场工程实践
巷道为矩形断面, 宽4.2 m, 高2.9m, 采用综掘机沿3下煤层底板掘进。巷道顶板:每排采用5根Φ20×2400mm的左旋高性能螺纹钢锚杆, 用3支MSCK2350中速药卷加长锚固。锚杆排距为900mm, 误差应控制在-50~+50mm范围内。两侧锚杆向顶板倾斜30°施工, 中间3根锚杆垂直顶板施工, 钻孔倾斜度控制在-5°~+5°范围内。
巷道两帮:每排选用3根Φ18×1800mm的全螺纹高强度螺纹钢锚杆, 用2支MSCK2350中速树脂药卷锚固, 锚杆间距为900mm, 排距为900mm。锚杆螺母上紧后的外露长度应小于50mm。
金属网:顶板采用长4200 mm宽1100 mm规格的菱形金属网, 搭接长度为150mm。两帮网仍采用矿上所用钢板网。
T型、异型钢带:顶板每四排 (每隔三排) 使用一条长4000mm、厚9mm的T型钢带。每条钢带均匀布置十个长50mm、宽25mm的小孔, 两孔中心距900mm, 端头与边孔距离为150mm。顶板其余钢带使用长4000mm、宽60mm的异型钢带, 每条钢带均匀布置十个长50mm、宽25mm的小孔, 两孔中心距900mm, 端头与边孔的中心距离为150mm。
两帮使用长×宽=2600×60mm的异型钢带, 每条钢带布置三对六孔, 每个小孔长50mm、宽25mm。靠上部两对孔之间的距离为中—中900mm, 下部两对孔之间的距离为中—中1100mm, 两端头与边孔的中心距离为250mm, 每排每帮一条。
锚索加强支护:每隔4排锚杆布置两条由Φ15.24mm低松弛预应力左旋钢绞线制作且截割长度为5000mm的锚索, 布置在T型钢带专用孔内, 钢绞线与顶板垂直线成15°向巷道两帮方向倾斜布置。用三块MSCK2350树脂药卷将钢绞线锚入顶板硬岩石1000mm以上。每条钢铰线使用一个与钢绞线配套的QLM锁具固定。锚固力必须达到100 k N以上。
4 支护效果分析
图1是巷道顶板孔内各测点位移随时间推移的增加状态。巷道掘出后短期内顶板浅、深部围岩变形迅速, 7d后围岩变形基本停止, 变形量不再增加。总体来看, 巷道深部围岩变形远远小于巷道浅部围岩变形。
7d内巷道围岩变形量显著增加, 其中两帮移近量和顶底板移近量平均增加速度为4mm/d, 大于顶板和底板围岩变形速度。7d内两帮和顶底板移近量约为28mm, 相比顶板下沉量和底鼓量较大。随着时间推移, 轨道支护作用逐渐显现, 4302轨道巷围岩变形量不断增加, 但围岩变形速度较前期减缓, 呈时增时减趋势。12d以后, 巷道围岩变形速度近似为零, 至此, 两帮总移近量和顶底板移近量为36mm, 顶板下沉26mm, 底鼓8mm。
顶板离层值随巷道开掘后时间的增加而逐步增加, 在第5天有6mm增量, 此后趋于稳定。但到第13天时, 又有所增加, 此后再次趋于稳定, 总的顶板离层值为10mm。
5结论
数值模拟了三种不同支护条件下许厂煤矿4302轨道巷道的围岩表面变形情况和围岩应力分布情况, 分析评价了三种支护条件下巷道围岩稳定性的差异。评价结果证明, 锚网基础支护、顶板预应力锚索加强支护的支护方式能够很好地改善巷道围岩应力分布情况, 较明显地控制巷道围岩表面和深部变形。实测表明, 相比原锚网支护, 采用此种支护方式后, 巷道两帮和顶底板变形均大大减小, 取得了很好的技术效果和经济效益。
摘要：采用数值模拟方法模拟了3种不同支护方式下许厂煤矿4302轨道巷围岩变形及应力分布情况, 并择优选择了锚网基础支护、预应力锚索加强支护的支护方式。经现场工程实践验证, 此种支护方式能够有效地控制巷道围岩变形, 改善巷道顶底板及底角受力状态。
参数化编程实现预应力精确模拟 篇3
1 空间预应力混凝土结构模拟方法
1)等效荷载法。对于比较简单的直线布筋的预应力混凝土结构,可以在混凝土结构预应力作用的位置施加等效荷载,代替预应力的作用。这种方法不必建立预应力筋的模型,因此建模方便,计算分析方法与一般的结构分析无异,只是将预应力作为附加的外荷载施加在结构之上。这种方法有明显的不足,只适用于比较规则的预应力布置情况,不能模拟结构内部不同位置混凝土与预应力之间的相互作用的变化,不能模拟预应力损失,不能考察在外力作用下预应力的变化。2)整体式方法。整体式方法是将力筋和混凝土结构划分为共节点的单元,通过给力筋单元施加预应力,模拟结构的力学行为。这种方法要将土体分割,使得每一个力筋所在的线都是体的交线,这样在分别对体和线划分单元以后,混凝土体单元和力筋单元就是共节点的。这种方法考虑每一根力筋的位置,力筋和混凝土之间的相互作用通过节点力的传递精确模拟,同时可以模拟预应力损失,能够考察在外力作用下预应力的变化。主要缺点是建模不便,对于力筋较多或者曲线布筋的情况,就更为困难。3)体线耦合法。体线耦合法是在整体式方法的基础上进行改进的一种方法。具体做法是将混凝土体和力筋分别划分单元,选择力筋上节点A1,查找与A1节点最近的体单元上的节点B1,将A1,B1两节点X,Y,Z三方向的自由度耦合;依次类推,便利查找每一个力筋上节点An以及与之最近的体单元上的节点Bn,依次将An,Bn两节点X,Y,Z三方向的自由度耦合。这一循环过程可以通过APDL编程实现。这样,力筋上施加预应力以后,力筋和混凝土之间相互作用力可以通过相互耦合的节点对来传递。
2 预应力的实现
对于等效荷载法,是通过直接施加等效荷载模拟预应力的作用。
对于后面两种方法可以通过力筋单元降温或者设置初始应变来实现预应力的模拟。
降温法是将温度荷载施加到力筋单元上,通过力筋单元收缩模拟预应力效应。降温幅度t主要与有效预应力值σpe,弹性模量Ep,线膨胀系数α有关:
因此:
初始应变法是将预应力换算成初始应变,通过在单元实常数中定义初始应变模拟预应力效应。
3 预应力损失
由于材料特性以及张拉锚固工艺等原因,均会导致预应力损失。对于预应力混凝土结构,预应力损失的精确计算是保证计算结果精度的关键。
由于模型计算是对结构理想状态的模拟,为合理简化计算,除混凝土的弹性压缩损失σl4以外的部分,即与施工过程相关的孔道摩阻损失σl1,锚具变形损失σl2,温差损失σl3以及与时间效应相关的预应力钢筋的应力松弛损失σl5,混凝土的收缩徐变损失σl6一般在计算中不予考虑,因此,计算中施加的预应力值σpe应该是考虑了以上五种损失的有效预应力,即:
σpe=σcon-σl1-σl2-σl3-σl5-σl6。
4 计算实例
某斜拉桥主塔为混凝土塔,由于斜拉索锚索力作用,主塔锚固区外壁在索导管周围会产生较大的拉应力,为了平衡这种作用,主塔锚固区沿塔壁设置了纵向和横向的预应力粗钢筋。由于索力由下至上逐渐增大,根据受力的需要,力筋由下至上逐渐加密,结构受力复杂。为了考察在索力和纵横向预应力共同作用下结构的力学性能,特采用体线耦合法建立该预应力混凝土结构的空间模型,进行精确的有限元分析。主塔立剖面、1/2预应力布置及1/2主塔模型见图1～图3。
具体做法是,通过APDL参数化编程在ANSYS中建立主塔混凝土体和预应力粗钢筋模型,并分别划分Solid单元和Link单元,通过程序循环将Link单元上节点与Solid单元节点自由度耦合,给Link单元施加温度荷载模拟预应力效应。主塔底部固结,在斜拉索锚面上施加索力荷载。
计算得到塔壁横向、纵向应力如图4,图5所示。
在索力作用下,塔壁短边外侧在索导管的周围,横向拉应力最大为1.6 MPa,压应力最大值为-13 MPa。塔壁长边纵向应力均为压应力,最大值-6.5 MPa,最小值-2.5 MPa。
根据以上有限元仿真计算,可以得出以下结论:1)在布置纵横向预应力后,塔壁短边的拉压应力满足要求,塔壁长边全截面受压,且应力水平不高,计算结果满足结构受力需要。2)通过APDL参数化编程,利用体线耦合法,可以很好地完成复杂预应力混凝土结构的空间有限元模拟。
5 结语
文中提出的三种空间预应力混凝土结构的模拟方法,各有其适用性。对于相对复杂的预应力混凝土结构,通过APDL参数化编程,采用体线耦合法建模,利用施加温度荷载或者设置材料的初始应变模拟预应力效应,可以系统完成预应力混凝土结构的空间有限元模拟。经过对某斜拉桥主塔锚固区的精确分析,验证了这一方法的适用性,对于在建筑、桥梁、水利工程等领域的广泛应用具有借鉴意义。
参考文献
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