神经网络模型特性研究

神经网络模型特性研究（精选11篇）

神经网络模型特性研究 篇1

1 神经网络的背景与发展

生物学家与神经学家经过长期不懈的努力, 致力于对人脑的观察、分析与探索, 得出结论。他们认为人脑的智能活动离不开脑的物质基础, 包括它的实体结构和其中所发生的各种生物、化学、电学作用, 并因此建立了神经元网络理论和神经系统结构理论这两个非常重要的理论, 而神经元理论又是此后神经传导理论和大脑功能学说的基础。科学家们认为, 可以从仿制人脑神经系统的结构和功能出发, 研究人类智能活动和认识现象。心理学家W.S.Mc Culloch和数理逻辑学家W.Pitts于1943年, 建立了称为MP的神经网络和数学模型。他们开创了人工神经网络研究的时代, 他们通过MP模型提出了神经元的形式化数学描述和网络结构方法, 证明了单个神经元能执行特定的逻辑功能。之后又提出了适应谐自组织映射、振理论 (ART网) 、认知机网络, 连续时间Hopfield神经网络模型, 波耳兹曼模型等。60年代, 人工神经网络的到了进一步发展, 更完善的神经网络模型被提出, 其中包括感知器和自适应线性元件等。在此期间, 一些人工神经网络的研究者仍然致力于这一研究, 提出了适应谐振理论 (ART网) 、自组织映射、认知机网络, 同时进行了神经网络数学理论的研究。以上研究为神经网络的研究和发展奠定了基础。1982年, 美国加州工学院物理学家J.J.Hopfield提出了Hopfield神经网格模型, 引入了“计算能量”概念, 给出了网络稳定性判断。1985年, 又有学者提出了波耳兹曼模型, 在学习中采用统计热力学模拟退火技术, 保证整个系统趋于全局稳定点。1986年进行认知微观结构地研究, 提出了并行分布处理的理论。人工神经网络的研究受到了各个发达国家的重视, 美国国会通过决议将1990年1月5日开始的十年定为“脑的十年”, 国际研究组织号召它的成员国将“脑的十年”变为全球行为。然而, 客观世界是如此的纷繁复杂, 非线性情况随处可见, 人脑神经系统更是如此。复杂性和非线性是连接在一起的, 因此, 对非线性科学的研究也是我们认识复杂系统的关键。为了更好地认识客观世界, 我们必须对非线性科学进行研究。人工神经网络作为一种非线性的、与大脑智能相似的网络模型, 就这样应运而生了。所以, 人工神经网络的创立不是偶然的, 而是20世纪初科学技术充分发展的产物。人工神经网络特有的非线性适应性信息处理能力, 克服了传统人工智能方法对于直觉, 如模式、语音识别、非结构化信息处理方面的缺陷, 使之在神经专家系统、模式识别、智能控制、组合优化、预测等领域得到成功应用。

2 神经元在神经网络中的作用

(1) 细胞体细胞体是由很多分子形成的综合体, 内部含有一个细胞核、核糖体、原生质网状结构等, 它是神经元活动的能量供应地, 在这里进行新陈代谢等各种生化过程。神经元也即是整个细胞, 整个细胞的最外层称为细胞膜。

(2) 树突细胞体的伸延部分产生的分枝称为树突, 树突是接受从其它神经元传人的信息的入口。

(3) 轴突细胞体突起的最长的外伸管状纤维称为轴突。轴突最长可达1米以上。轴突是把神经元兴奋的信息传出到其它神经元的出口。突触, 是一个神经元与另一个神经元之间相联系并进行信息传送的结构。它由突触前成分, 突触间隙和突触后成分组成。突触前成分是一个神经元的轴突末梢。突触间隙是突触前成分与后成分之间的距离空间, 间隙一般为200—300Å。突触后成分可以是细胞体, 树突或轴突。突触的存在说明:两个神经元的细胞质并不直接连通, 两者彼此联系是通过突触这种结构接口的。有时.也把突触看作是神经元之间的连接。目前, 人工神经网络的研究仅仅是对神经元的第一种行为和突触的第一种行为进行模拟, 其它行为尚未考虑。所以, 神经网络的研究只是处于起步的初级阶段, 后边还有大量的工作等人们去探讨和研究。目前, 神经网络的研究已向人们展示了其美好的前景;只要按阶段不断取得进展, 神经元和突触的其它行为是完全可以实现人工模拟的。

3 人工神经网络具有四个基本特征

(1) 非线性。非线性关系是自然界的普遍特性。大脑的智慧就是一种非线性现象。人工神经元处于激活或抑制二种不同的状态, 这种行为在数学上表现为一种非线性关系。具有阈值的神经元构成的网络具有更好的性能, 可以提高容错性和存储容量。

(2) 非局限性。一个神经网络通常由多个神经元广泛连接而成。一个系统的整体行为不仅取决于单个神经元的特征, 而且可能主要由单元之间的相互作用、相互连接所决定。通过单元之间的大量连接模拟大脑的非局限性。联想记忆是非局限性的典型例子。

(3) 非常定性。人工神经网络具有自适应、自组织、自学习能力。神经网络不但处理的信息可以有各种变化, 而且在处理信息的同时, 非线性动力系统本身也在不断变化。经常采用迭代过程描写动力系统的演化过程。

(4) 非凸性。一个系统的演化方向, 在一定条件下将取决于某个特定的状态函数。例如能量函数, 它的极值相应于系统比较稳定的状态。非凸性是指这种函数有多个极值, 故系统具有多个较稳定的平衡态, 这将导致系统演化的多样性。

摘要：神经网络有自组织、自学习和联想记忆功能, 具有分布式、并行式和高度鲁棒性等特点。神经网络以其独特的结构和处理方法在理论上可以实现任意函数的逼近, 它克服了模型必须是基本观测数据的线性和非线性组合的局限性。本文就神经网络的特性进行了介绍。

关键词：神经网络,模型

参考文献

[1]刘长安.人工神经网络的研究方法及应用, 1997.[1]刘长安.人工神经网络的研究方法及应用, 1997.

[2]王强, 余岳峰, 张浩炯.利用人工神经网络实现函数逼近.上海交通大学能源工程系, 上海, 200240) .[2]王强, 余岳峰, 张浩炯.利用人工神经网络实现函数逼近.上海交通大学能源工程系, 上海, 200240) .

[3]刘浩, 白振兴.BP网络的Matlab实现及应用研究, 1998.[3]刘浩, 白振兴.BP网络的Matlab实现及应用研究, 1998.

神经网络模型特性研究 篇2

基于自组织临界性的理论框架,针对处于周期区与混沌区之间状态的灾害系统,研究其可预测性及预测方法.通过均匀和非均匀沙堆对比实验,发现两类沙堆模型表现出两种动力学行为--自组织临界性和准周期性.采用时序分析、功率谱分析和R/S分析等多种方法分析了两类系统的演化行为,反映了灾害系统的.可预测特征;进一步提出了灾害预测的几个研究方向及方法.最后以极值统计法为例,介绍了其在两类灾害预测中的应用.

作 者：何越磊 姚令侃 苏凤环 李仕雄 HE Yue-lei YAO Ling-kan SU Feng-huan LI Shi-xiong 作者单位：何越磊,HE Yue-lei(西南交通大学,土木工程学院,四川,成都,610031;兰州交通大学,土木工程学院,甘肃,兰州,730070)

姚令侃,苏凤环,李仕雄,YAO Ling-kan,SU Feng-huan,LI Shi-xiong(西南交通大学,土木工程学院,四川,成都,610031)

神经网络模型特性研究 篇3

【关键词】软土；群桩基础；横向受荷

一、项目背景

软土在沿海地区分布很广，是一种软塑到流塑状态的粘性土，具有孔隙比大、天然含水量高、压缩性高、渗透性小、承载能力低的特性。在以这类土质为地基的桥梁工程中主要采用群桩基础。在水平荷载作用下桩的受力性状是一个非常复杂的桩土相互作用过程。地基系数m法是国内比较盛行的计算横向受桩桩身水平位移和内力的方法。但众多的实践经验表明，m法对软土地区横向受荷群桩基础进行设计并不能达到预期的效果。本项目以沪通高铁为工程依托，作为“软土地区群桩基础侧向抗力m值取值研究”的主要内容之一，针对典型的深厚软土，开展横向受荷桩的大比例三维地质模型试验。

二、研究目的

本项目以沪通高铁为依托：①针对典型的深厚软土，开展横向受荷桩的大比例三维地质模型试验，研究桩长、桩径、桩的刚度、群桩效应、荷载大小等因素对横向受荷桩的荷载传递及桩土变形的影响规律；②在室内土工试验和地质力学模型试验的基础上，采用数值模拟和理论分析等方法，建立适用于软土地区的桩-土相互作用力学模型，研究桩土水平荷载传递规律。导出典型软土的m值与横向受荷桩主要影响参数之间的关系式，最终得到用来计算水平推力桩的m值，为工程设计提供依据，还可以降低经济成本、提高施工效率和安全度，并用于指导其它类似工程实践。

三、研究内容

1.搜集资料，进行理论分析。

2.开展横向受荷桩的大比例三维地质模型试验：

1）通过室内土工试验得到相关物理力学参数。

2）进行多组大比例三维地质模型试验：

a、改变桩数，讨论群桩效应对群桩基础水平受荷特性的影响；

b、根据不同的加载大小，研究水平荷载大小与群桩基础水平受荷特性之间的关系。

3.对比模型试验和理论计算得出的桩身弯矩、水平位移。并将模型试验结果与理论计算的结果相互比较，得出荷载-位移曲线，分析水平荷载-水平变位的关系，研究得出横向受荷群桩内力、变形规律。

研究方法：

1.收集现场地质水文资料并进行整理，分析软土地区群桩基础主动受荷下受力 的特性。

2.根据国内工程所采用群桩基础的埋深、承台几何尺寸及桩土体应力影响范围的关系，考虑边界效应，根据试验本身可行性确定试验域，从而确定试验槽的尺寸。

3.通过室内土工试验获得相关物理力学参数，根据相似理论和实验室现有设备条件以及试验的可实现性，确定几何相似比。

4.按照刚度相似的控制条件确定采用有机玻璃管制作模型桩，混凝土制作承台，再根据用π定理计算出的几何相似比确定桩长、桩径，并确定群桩布桩形式为最简单的2*2。土体材料采用原型土。

5.模型试验水平加载沿线路纵向施加荷载，采用单向多循环加、卸载方法，加载时的最大荷载约为竖向设计荷载的80%，并取预估水平极限承载力的1/10～1/15作为每级加载增量。

6.采用沿桩身每隔10-15厘米对称布设电阻应变片的方法来测试水平荷载作用下桩身曲率变化。实际测量时所有应变片均采用半桥连接式，应变片的温度补偿采用一一对应式的同类材料补偿。采用两块大量程百分表测量桩的水平位移，并依靠两块百分表的的度数差和表间距计算出桩顶的转角。采用拉力传感器测试水平荷载的大小。

7.根据处理模型试验所得数据绘制水平荷载-水平位移关系曲线、水平荷载-承台转角关系曲线、荷载-桩身弯矩关系曲线，还可以根据各级水平荷载和相应的水平位移反算m值，最后分析群桩效应、荷载大小等因素与横向受荷桩的荷载传递及桩土变形之间的关系

四、试验结果

根据桩顶水平位移与水平力的关系曲线可得单桩临界荷载Hcr为10N，极限荷载Hw为17.5N；群桩临界荷载Hcr为60N，极限荷载Hw为100N由单桩和群桩两组曲线不难得出：

⑴同一荷载作用下，桩身水平位移随桩身深度的增加而减小；

⑵相同桩身位置，桩身水平位移随荷载增加而增加；且在相同位置，相同荷载作用下，单桩的桩身水平位移大于群桩的桩身位移；

⑶群桩由于群桩效应，在较小荷载作用下，桩身水平位移变化不大，且均小于单桩。

根据试捡所测得的桩身各测试断面测点处的拉应变εr和压应变εc后，即可由该断面的弯曲应变△ε=εr-εc来计算相应截面的弯矩：

⑴同一荷载作用下，桩身弯矩在0cm-7cm范围内为负，且随深度增加而减小，7cm-20cm范围内随着深度增加而增加，20cm-50cm范围内随着深度增加而减小，当深度大于50cm后，弯矩约为0；

⑵同一深度，桩身弯矩随荷载增加而增大；在20cm处，弯矩变化程度最大。

⑶对比群桩与单桩的桩身弯矩图可得：相同大小荷载作用下，同一深度的单桩桩身弯矩大于群桩的桩身弯矩。

将理论计算所得的结果与试验结果相比较，分析如下：⑴在同样大小荷载作用下，试验所得的地面水平位移均小于理论计算结果。初步分析是由于试验土体为软土，具有泌水性，地表淤积较多水分，使得试验所用土体较工程实地土体更软，在相同荷载作用下，会产生更大的水平位移；⑵理论计算所得结果表明相同荷载相同深度的桩身水平位移，群桩小于单桩，这与试验结果一致。

五、结论

光伏电池模型特性研究 篇4

对光伏电池进行建模和电气特性的分析，建立准确的光伏电池模块模型，研究在不同辐射强度和温度下光伏模块的特征曲线，分析光伏阵列输出特性与外界气候条件变化，如输出受日照强度、模块温度和负载情况的影响，是光伏发电系统研究的基础，对提高发电效能有着重要的作用。

1 光伏模块的单二极管等效电路模型

硅材料的光伏电池等效电路模型主要有理想等效电路模型、单二极管等效电路模型和双二极管等效电路模型等[4,5]。图1为单光伏电池的理想等效电路模型，其结构很简单，分析起来较为容易，但是精度有限。用U和J分别表示光伏电池的端电压和负载电流密度，由量子力学和半导体材料特性推导可知，光伏电池单元的电流密度J可以用式(1)表示。

在实际中，常采用能满足工程需要的单二极管等效电路模型。由一组光伏电池串、并联构成光伏模块。理想情况下，认为光伏电池具有相同的参数，结合实际测得的光伏电池终端特性，为了达到工程要求精度，需要增加参数Rs、Rsh，图2为单二极管模型光伏模块的等效电路。

图2中输出电压U和电流I的关系如式(2)。

式(2)中，Ns和Np分别为串联和并联的单光伏电池数。

2 光伏模块的电气特性

单二极管模型还是太过于复杂，考虑到光伏模块的串联电阻Rs通常小于1Ω，而旁路电阻Rs h在几百欧姆以上[6]，在满足工程应用的前提下，可以忽略Rs和Rs h对光伏电池输出特性的影响，在此假设基础上推到功率模块数学模型。输出电流可用式(3)表达。

式(3)中，C1和C1分别为修正系数，即

式中，Im和Um分别为最大功率点电流和电压，Isc为短路电流，Uoc为开路电压。

模块短路电流为

模块开路电压为

式(5)中，温度电流系数Ci=0.002 5 A/℃，温度电压系数Cv=0.002 88 V/℃，功率密度为b。

3 仿真结果分析

为了验证所提出的模型的有效性，在Matlab/simulink中搭建仿真模型。simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。图3在Matlab/simulink中搭建光伏模块的仿真模型。

在实际运行的光伏系统中，应该尽量通过负载匹配使整个系统运行在最大功率点附近，以最大限度地提高运行效率，在同样的辐照强度和模块温度下，最大功率点电压Um通常是在开路电压Uoc的0.8～0.9倍。由于在电压-电流曲线上(Um,Im)点左侧光伏模块输出电流值受模块端口电压的影响小，基本保持不变，称这一段为恒流源区，而右侧光伏模块端口电压值受输出电流的影响较小，变化范围小，称这一段为恒压区。

通过光伏模块的模型上输入的辐照强度和模块温度，来测试模型的输出效果，校验其动态特性。

图4和图5分别为模块温度为298 K时，设置辐照强度分别为0.4 kW/m[2]、0.6 kW/m[2]、0.8 k W/m[2]、1 k W/m[2]时的电压-功率曲线和电压-电流曲线。在图中，有三个特殊点:输出短路点(0,Isc)，这里Isc为对应输出电压为零时的短路电流;输出开路点(Uoc,0),Uoc为对应输出电流为零时的开路电压;最大功率输出点(Um,Im)，该点满足d P/d U=0，输出功率为Pm=UmIm是光伏模块对应伏安特性上所能获得的最大输出功率。观察光伏模块随辐照度的变化可以发现，随着辐照强度的升高，光伏模块的短路电流变大，开路电压也升高，最大输出功率也变大，图4中在15～20 V区间出现最大功率点，图5中随着电压的升高电流呈下降趋势。

图6和图7分别为辐照强度为1 kW/m[2]时，设置光伏模块温度分别为298 K、308 K、318 K、328 K时的电压-功率曲线和电压-电流曲线。观察光伏模块随辐照度的变化可以发现光伏模块的输出特性和环境温度密切相关，模块温度对输出特性的影响与辐照强度有相似之处，随着温度的升高，光伏模块的短路电流变大，但开路电压也降低，在光辐照度恒定的条件下，模块温度越高，最大输出功率越小。

4 结语

在分析光伏电池原理基础上，建立了实用化的光伏电池模块模型，在Matlab/simulink平台上实现了光伏电池模块模型仿真，仿真结果表明温度恒定时，随着辐照强度的升高，光伏模块的短路电流变大，开路电压也升高，最大输出功率也变大;在光辐照度恒定时，随着温度的升高，光伏模块的短路电流变大，但开路电压也降低。验证了所提出光伏电池模块模型的正确性和的有效性，为光伏发电最大功率点跟踪和大型光伏发电系统研究提供了重要参考。

参考文献

[1]由世俊,杨洪兴,娄承芝,等.建筑物用光伏集成系统在中国应用的前景.太阳能学报,2000;21(4):434—438

[2]王飞,余世杰,苏建徽,等.光伏并网发电系统的研究及实现.太阳能学报,2005;26(5):605—608

[3] Fukuda S,Yoda T.A novel current-tracking method for active filtersbased on a sinusoidal internal model.IEEE Trans on Industry Appli-cations,2001;37(3):888—895

[4] Bull S R.Renewable energy today and tomorrow.Proceedings of the IEEE,2001;89(8):1216—1226

[5]张承慧,叶颖,陈阿莲,等.基于输出电流控制的光伏并网逆变电源.电工技术学报,2007;22(8):41—45

人工神经网络水质预测模型研究 篇5

水质预测物理模型在水环境保护中起着十分重要的`作用,然而由于模型的参数识别问题,使其应用受到很大局限.对人工神经网络(Artificial Neural Network,简称ANN)水质预测建模作了初步研究.用试错法,以训练时间和测试误差两项指标为依据,对比分析三层、四层网络结构,认为ANN模型适应于水质预测建模,并提出了适合的模型结构、学习速率、传递函数.

作 者：张志 ZHANG Zhi  作者单位：内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院,呼和浩特,010018 刊 名：内蒙古大学学报（自然科学版）  ISTIC PKU英文刊名：ACTA SCIENTIARUM NATURALIUM UNIVERSITATIS NEIMONGOL 年，卷(期)：2006 37(6) 分类号：X522 关键词：水质预测   人工神经网络   建模  

再制造物流网络优化模型研究 篇6

关键词：再制造、逆向物流、物流网络、再制造物流

一、再制造的概念和特征

1、再制造的概念

再制造是一个将旧产品恢复到“新”状态的过程，在这个过程里，旧产品被清洗、拆卸和检测，有再利用价值的部件被再处理，然后进入库存。将库存中经过再制造的零部件（或者加入适当新的零部件）重新装配成“新”产品，使其具有和原产品一样的使用性能和寿命。

2、再制造特征

再制造作为一项较为复杂的过程，具有自己的特点，再制造的主要特点有：

（1）回收产品到达的时间和数量不确定。回收产品到达的时间和数量不确定，要求解决的一个主要问题，就是对回收产品到达的时间和数量做出预计，将预计能回收的旧产品数量与预测需求和实有需求相比，看数量上是否合适。

（2）平衡回收与需求的困难性。为了得到最大化利润，再制造工厂就必须考虑，把回收产品的数量与对再制造产品的需求平衡起来。当然，这就给库存管理带来了较大困难。

（3）再制造物流网络的复杂性。

二、再制造物流网络

1、再制造物流

再制造物流是指以再制造生产为目的，为重新获取产品的价值，产品从其消费地至再制造加工点并重新回到销售市场的流动过程。再制造过程中的物流，既包括产品从消费者到再制造生产商的逆向物流，还有产品经再制造后又回到销售市场的正向物流，二者形成了一个闭环物流系统。

2、再制造物流网络构成

再制造物流网络的布局如上图所示，该网络可分为三部分：左边部分负责从各地将废旧产品收集起来运往再制造设施，呈收敛状；中间部分完成从废旧产品到再制造产品的增值处理过程，呈多级结构；右边部分负责将再制造产品运往各地进行销售，呈发散状。

三、再制造物流网络优化模型

本文所建立的模型，是基于再制造和制造混合基础上的。模型中不仅考虑了再制造品的物流分配，同时还考虑了新产品的物流分配，新产品由制造厂生产；而再制造品也通过原来的制造厂生产。

1、本文模型的再制造物流网络结构

在这个再制造/制造系统集成物流网络的结构中，新产品由原制造厂进行，再制造同样也由原制造厂进行，再生品和新产品共用分销网络，即传统的制造设施及分销网络。在此情况下，我们需需研究的是再制造中关键基础设施即检测中心的选址及其物流分配。

2、模型假设

（1）企业只生产、回收一种产品，废旧产品回收量、各种设施的处理能力以及投资和运营成本、各项设施间的距离、新产品和再制造品在各项设施间的单位运输成本都是已知的，不考虑折扣等因素。

（2）不考虑回收处理过程中的材料损耗，即经检测中心检验合格的回收产品全部用于再制造。

（3）仅在一些地理位置已知的备选地点中考虑新建检测中心

（4）消费区域划分已知，每个消费区域既是废品收集源，又是新产品，再生品的市场，用表示消费区域的集合。

（5）用表示制造/再制造厂的集合，制造厂既是新产品的生产厂，同时又是再制造品的生产商，因此我们称为制造/再制造厂

（6）检测中心的可选场址及服务能力已知，用表示待建检测中心的集合。

（7）焚烧填埋中心的数量、位置已知，服务能力不限，用表示焚烧填埋中心的集合。

（8）再制造品和新产品通过批发商传递到各消费区域，批发商的数目、服务范围和服务能力已知，用表示批发商的集合。

3、模型目标函数及约束条件

其中（1）是目标函数，表示各种设施的运输成本、运营成本、投资成本及新产品和再制造品成本等成本的之和最小。（2）、（3）、（4）式表示制造厂和再制造厂生产的新产品与再制造品的产量与消费区域内消费者对产品的需求量要相等。（5）式表示从消费区域回收并运送到检测中心的的废旧产品量等于消费区域内可回收的产品数量。（6）式表明在检测中心的废旧产品量，应等于从该检测中心运往制造厂和再制造厂的具有可利用价值的废旧产品量与从该检测中心运往焚烧填埋中心的没有利用价值的废旧产品量之和。（7）、（8）、（9）、（10）式表明检测中心、批发商、制造厂和再制造厂的服务能力限制。（11）表示检测中心的建立与否，是个0—1变量，（12）表示要建立的检测中心的数量限制。

4、模型变量说明

（1）决策变量

Z_kl——由消费区域运送到检测中心的废旧物品量

Q_li——由检测中心运到制造厂/再制造厂的可利用并经过处理的废旧物品量

S_lm——由检测中心运送到废弃处理场所的废弃物品量

5、模型的特点

本文建立的模型，是在以往学者建立的混合整数规划模型的基础上，结合再制造和制造两种生产活动，以及新产品和再制造品两种产品的正向物流分配建立的，更适合企业的实际：

（1）再制造活动可以通过对原制造厂进行扩建，增加再制造职能，从而可以由原制造厂来进行，这样做投资低，而且还可以较好地利用原有的正向物流网络。本文的模型正是在这种基础上建立的。

（2）本文建立的模型既考虑了再制造品和新产品在再制造物流网络中的物流分配，又考虑了二者在生产成本、存储成本、运输费用、运营成本、管理费用等各方面成本和费用的不同。

（3）而在本文建立的模型考虑了消费者的需求，并把它分为对再制造品的需求和对新产品的需求两个方面纳入到了模型中。

作者单位：潍坊学院计算机与通讯工程学院

（编辑 雨露）

参考文献：

[1] 马祖军,张殿业等.再制造逆向物流网络优化设计模型研究[J].交通运输工程与信息学报，2004.2.

[2] 赵昱卿,夏守长等.产品再制造特征的研究[J].新技术新工艺，2003.1.

基于驾驶特性的超车模型研究 篇7

超车是驾驶过程中常见的一个驾驶行为,直接影响驾驶的安全性,据统计[1],2012年由于违法超车而导致的事故多达4804起,占事故总数的2.35%,这导致了大量的人员伤亡和财产的损失,所以建立准确的超车模型,不但可以分析驾驶人的驾驶行为并评价驾驶人的驾驶安全意识,也有利于管理交通安全。国外关于超车模型的研究较早,20世纪30年代末,Nomann[2]在维吉尼亚等州进行了超车的实验,采集了2万多组超车数据分析了超车的过程;到七十年代,出现了较多的公路仿真软件,比如美国中西部研究所的TWOPAS;到如今,对于超车模型的研究更加的深入和细化,Ghods A H[3]考虑多种物理和行为变量的频谱,建立了一个新的超车间隙接受模型来对超车行为进行研究,Tang T Q[4]考虑车辆加速度、加速度和换道的反应延迟时间及跟车和超车的安全距离,对超车所用时间、超过过程中损失的时间以及车辆运动的空间-时间演变过程进行了数值模拟。

国内对于超车模型的研究开始的较晚,研究内容也主要集中在对理论的研究上。早期,交通部公路科学研究所[5]联合东南大学等单位对于《公路交通能力研究》这个课题进行了一定程度的探索,并完成了超车行为的计算机模拟;北京工业大学的刘江[6]提出了可回车车头时距和可超车车头时距这两个概念来研究超车行为,并进行了超车实验;陈小龙[7]将超车过程划分为完整的五个阶段,并结合传统的交通流理论和概率论等相关理论,建立了适于双车道公路的超车模型;柏伟[8]等将超车分为换道、超越、并道三个阶段,为每一个车道添加了限速条件,并考虑了车辆跟驰过程中的间距对超车行为进行了分析。

回顾以上的文献资料,发现由于地域性的差异,国外的超车模型具有一定的局限性,不能完全的适用于国内的交通情况,且国内外的模型大多建立在理论的基础上,一些试验数据由于考虑试验的安全性并非为实际交通状况,而是在试验场或封闭路段进行试验后得到的数据,并不能真实的反应驾驶人的驾驶特性,与实际状况具有一定的差距。本文在以往研究的基础上,主要从驾驶人驾驶特性的角度对超车行为进行分析,选取一段典型的高速公路进行实车试验,使用车载传感器、毫米波雷达、视频监控系统等采集试验的相关数据后,对数据进行分析处理,建立超车模型,最后在prescan软件中进行仿真,验证所建模型的适用性。

1、实车试验及模型建立

本文拟对高速公路超车行为进行研究,因此建立合适的超车模型显得十分必要,选取G25高速公路上青山入口至长兴出口的一段双向四车道道路作为试验路段,该路段全程长40.5km,限速110km/h;试验选取30名男性驾驶人,年龄分布在25～47岁,驾龄为4-30年,试验驾驶人信息统计见表1。

本文利用安装在试验车上的毫米波雷达测取试验车和目标车辆的位置、距离及相对速度等信息,采用CAN总线的通讯方式实现毫米波雷达、摄像机、车载传感器等部件与系统控制单元的信息通讯,并将采集到的试验数据记录下来。对超车行为的相关数据进行统计,见表2:

驾驶人文通过观察前车与本车之间的距离判断前车的驾驶状态,并操控车辆与前车保持合适的距离以保证安全驾驶,这个距离称为期望间距。对以上数据进行分析,我们可以发现,由于本车车速的不同,在本车被超车后,超车车辆并入本车道时,驾驶人的期望间距也是不同的。随着本车车速的增加,被超车后,其期望间距也增加了,这是因为随着车速的增加,距离过小会导致驾驶人心理上的恐慌与不适。本文主要分析后车超过本车并入本车道阶段,本车车速与期望间距的关系特性,从而建立一个新的超车模型。

目前研究期望间距与车速关系的文献多采用回归模型的建立,较为常见的是多项式回归和幂函数模型。由于三次多项式的拟合度较好,故本文主要采用三次多项式回归拟合,由于最小跟车间距拟合的三次项系数过小,故采用二次多项式回归拟合,拟合结果和拟合后的回归模型如图1和表3所示:

对本车车速与驾驶人的期望跟车间距进行分析,建立了超车模型,如表3:

其中v为本车车速,Dmax为最大跟车间距,D均值为跟车间距均值,Dmin为最小跟车间距。

2、Prescan软件及仿真场景建立

Prescan是TNO公司所开发的一款仿真软件,能够建立多种虚拟场景,与carsim、Matlab/simulink等软件也有良好的接口,可以进行联合使用。prescan主要用来进行先进驾驶辅助系统和主动安全系统的开发和验证。目前,国内高校仅有上海交通大学、同济大学、长安大学等少数大学使用此软件进行主动安全系统的开发与研究。

2.1 建立场景

Prescan用户界面提供多种建立场景的元素,包括道路、车辆、行人、路标、房屋等,可通过图形拖曳快速建立场景,还可设定每个路段上车辆行驶路径及行驶速度。

本次仿真场景设定为:在双向四车道高速公路上,试验车以100km/h的速度行驶在左车道上,超车车辆在右车道上以79km/h的速度超过本车并入本车道。仿真场景如图所示:

2.2 添加传感器

车辆主动安全技术主要基于传感器,prescan的库中有摄像头、GPS、激光雷达、无线通信装置等传感器,与实际传感器功能一致,可以任意选择合适的传感器,实现真实的模拟效果。

在此仿真中我们添加了prescan自带的一种可扫描车辆间距的传感器TIS,检测与前车的距离。

2.3 建立控制模型

建立仿真场景并添加传感器之后,连接到simulink中,添加所需模块,完成车辆的控制。

此次仿真主要对本车进行控制,在超车车辆并入本车道时,如果跟车间距小于期望间距范围,依据上述模型,试验车减速。

2.4 运行仿真

点击播放,在VisViewer中播放所建仿真场景,并观察仿真结果。

3、仿真结果及分析

通过实车试验建立了基于驾驶特性的超车模型,依据所建模型控制本车不同速度时超车车辆并入本车道时本车的跟车间距。通过对仿真后本车车速、跟车间距及制动压力的分析,验证所建超车模型的适用性。建立仿真场景后,运行仿真,得到以下结果:

从(b)图中可以明显看出,在2s处,跟车间距由0瞬间增加至57m,这是因为本次仿真中采用的分别为长射程和短射程的两个主动扫描间距的传感器,其扫描角度分别为9°和80°,扫描射程分别为150m和30m,当后方车辆超过本车却并未并入本车道时,传感器未扫描到超车车辆,跟车间距故为0m,当超过本车要并入本车道时,超车车辆进入传感器扫描射程,这表明t=2s时超车车辆开始并入本车道。

(a)图中,我们可以看到,超车车辆要并入本车道时,驾驶员并未立刻采取急剧的减速行为,这符合驾驶员的实际操作习惯,实际操作中,驾驶员会在被超车时,先判断前车是否与本车有足够的期望间距,再决定是否进行制动减速,并且决定采取制动操作时,驾驶员有一定的反应时间,所以超车车辆要并入本车道时,经过判断及一定的反应时间,驾驶员采取制动操作。(b)图中的跟车间距先减小后增大,但在一定的范围内变化,上下浮动并不大,结合(a)图和(c)图,可看出t=2.7s时,驾驶员踩下制动踏板,制动压力瞬间增大,而本车车速发生了明显下降趋势,但并未发生过大的幅度变化,这是因为有车辆超过本车并入本车道时,驾驶人降低一定的车速与前车保持一定的安全间距,即期望间距。仿真结果表明我们建立的超车模型的跟车速度及跟车间距调整幅度都较小,在跟车过程中表现的更为稳定。

4、结论

在实际交通状况中,实时采集车速、跟车间距等换道相关数据,对所采数据进行拟合分析所建立的超车模型,能真实的反映驾驶人的操作特性。仿真结果表明,本文中建立的超车模型,更符合驾驶人的驾驶习惯,在车辆驾驶的安全性和稳定性方面也表现的十分突出,这为以后对超车行为的研究提供了可靠的理论依据。

参考文献

[1]公安部交通管理局,2012年道路交通事故统计年报,2013.

[2]JENKINS J M,RILETT L RlClassifying Passing Maneuvers:A Behavioral Approach[C]PP In Transport ation Research Record:Journal of the Transportation Research Board,No 14031Washington,DC:TRB,National Research Council,20051.

[3]Ghods A H.Microscopic Overtaking Model to Simulate Two-lane Highway Traffic Operation and Safety Performance[J].2013.

[4]Tang T Q,Huang H J,Wong S C,A new overtaking model and numerical tests[J].Physica A:Statistical Mechanics and its Applications,2007,376:649-657.

[5]交通部公路科学研究所,一般公路通行能力研究分报告[R],北京:交通部公路科学研究所,2001.

[6]刘江.山区双车道公路通行能力研究[D].北京工业大学博士论文,2006.

[7]陈小龙.基于山区公路交通流随机干扰因素的超车模型研究[D].华南理工大学,2012.

神经网络模型特性研究 篇8

关键词：平板,湍流模型,y+,边界层

1 引言

舰船摩擦阻力[1]是舰船一种主要的阻力成分之一, 模型试验中舰船摩擦阻力[2~3]很难采用试验的方法进行单独测量, 傅汝德提出的船舶阻力换算的方法是舰船阻力模型试验的基础, 其摩擦阻力采用相当平板假定处理。随着计算流体力学的迅速发展, 采用数值模拟计算舰船阻力已经成为一种流行的方法。由于湍流理论尚不完备, 理论方程中需要补充一些半经验的方程以达到理论求解湍流方程的目的, 其中摩擦阻力的计算引入了壁面函数进行求解。但对于不同的湍流模型[4~5], 求解的结果不同, 而且计算网格对计算结果有较大的影响。由于数值结果均需要依靠试验结果[6~8]或拟合公式进行检验, 因此本文以拟合公式为依据, 分析不同的湍流模型和近壁面网格对计算精度的影响, 并给出在工程计算中近壁面网格的参考值。

2 计算模型及控制方程

2.1 控制方程

早期船舶摩擦阻力均按照傅汝德的观点进行计算, 相当平板的摩擦阻力采用经验公式进行计算。随着计算机的迅速发展, 采用数值算法求解平板摩擦阻力被广大船舶设计者接受。工程上应用最多的是基于Reynold方程的方法。依据确定湍流粘性系数的微分方程数目的多少, 有零方程模型、一方程模型和两方程模型, 其中标准k-ε模型是目前使用最为广泛的湍流模型。标准k-ε模型是典型的两方程模型, 是在一方程模型的基础上, 新引入一个关于湍流耗散率ε的方程后形成的。本文中使用不同的湍流模型分析平板的流动特性。

2.2 计算模型及边界条件

选取长2.75m的平板, 平板前方取0.25m的水域, 平板上方取1.5m, 即计算域是一个矩形区域。平板计算模型见图1。

对计算模型进行网格划分, 并设置边界条件。入口边界条件设置为速度入口 (velocity-inlet) , 出口边界条件设置为压力出口 (pressure-outlet) , 平板边界条件设置为壁面 (wall) , 平板前边界的边界条件设置为对称面1 (symmetry) , 平板垂向1.5米处边界的边界条件设置为对称面2 (symmetry) , 具体位置如图2所示。

2.3 数值离散及求解过程

采用有限体积法对湍流控制方程进行数值离散, 数值求解上采用SIMPLE二维单精度 (2d) 求解器, 定义压力基隐式求解, 不考虑热量交换, 计算中不考虑重力对流场的影响。采用液态水为流体介质, 速度入口来流方向平行于平板, 速度大小为2m/s, 近壁面采用无滑移壁面条件。离散格式统一采用二阶迎风格式, 残差收敛精度为0.00001。来流速度:U=2m/s, 特征长度:L=2.75m, 运动粘性系数:;

雷诺数: 。

y+作为一个网格化的无量纲度量值, 决定了近壁层被限定的范围, 它的值无论对壁面函数法还是近壁模型法都有着重要的指导意义。由边界层理论, 内层变量定义式为:

式中, τw为壁面剪切应力, u为平均流向速度, u+为无量纲平均流向速度, y为离壁面的垂直距离, y+为无量纲法向壁面距离, u*为壁面摩擦速度。

由上式可以看出, y+与离壁面的垂直距离y有关, 不同的y+值表明在边界层中的不同区域, 只有选择合适的第一层网格y+, 才能较好地捕捉到边界层, 划分好边界层网格。由y+的定义式不能求出y+值, 因为式中包含了壁面剪切应力τw。在根据y+确定网格尺寸时, 使用的是下面这个公式[9]:

为了消除网格对计算精度的影响, 采用标准k-ε模型在几种不同分辨率的网格下进行数值计算, 网格划分如表1所示。

为了比较不同湍流模式对计算结果的影响, 根据网格参数变化计算结果, 选取网格5, 比较了七种不同的湍流模型, 即单方程Spalart-Allmaras (S-A) 模型、双方程标准k-ε模型、RNG k-ε模型、Realizable k-ε模型、标准k-ω模型、SST k-ω模型和雷诺应力模型 (RSM) , 分别对平板湍流计算模型进行数值模拟, 并将得到的结果与理论值进行比较分析。

3 计算结果及分析

3.1 计算结果

平板摩擦阻力Cd和摩擦系数Cf的半经验计算公式有如下几种:

指数定律式:

对数定律:

桑海公式:

普朗特—施里希汀公式:

Spalding壁面定律式:

尾流定律式:

将由9组不同的网格进行数值模拟计算得到的摩擦阻力系数与理论公式得到的摩擦阻力系数做比较, 结果如表2所示。

以网格5为例, 将由七种不同的湍流模型进行数值模拟计算得到的摩擦阻力系数与理论公式得到的摩擦阻力系数做比较, 结果如表3所示。

3.2 结果分析

由表2可以看出, 9组不同的网格其它区域的网格高度和网格总数相当, 主要的区别在于边界层网格参数的选择, 因为数值计算结果的差别是由于边界层网格引起的, 即是由y+引起的边界层网格第一层网格高度和网格层数不同造成的。

由计算结果, 从9组网格数值计算得到的Cd和Cf与理论公式计算值的比较中可以看出, 网格4、5、6的计算结果无论Cd还是Cf都符合较好, 对应的y+为20、30、50;网格7、8、9计算的C d与理论值也符合较好, 但在雷诺数较小的进流段, Cf与理论值差别较大, 且计算得到的Cf曲线也不太光顺, 结果不理想, 这三组网格对应的y+为80、100、150;网格1、2、3计算得到的无论Cd还是Cf与理论值差别都很大, 结算结果都偏大, 误差超过20%, 甚至超过了50%, 这三组网格完全不适合用于计算Cd和Cf的数值模拟, 对应的y+为1、5、10。

可见, 进行数值模拟时, 边界层网格的划分并不是网格越小越好, 当选取的边界层网格y+接近30时计算得到的Cd、Cf可靠性较好, 与理论值接近。

由表3计算结果可以看出, 对于平板湍流数值分析模型而言, 标准k-ε模型、RNG k-ε模型、Realizable k-ε模型、标准k-ω模型、SST k-ω模型和雷诺应力模型 (RSM) 的计算结果都比较好, 尤其是标准k-ε模型和SST k-ω模型, 计算结果误差值很小, 可靠性很高。而七种湍流模型中, 计算精度最差的是S-A模型, Cd的计算值比理论值低了20%。

4 结论和展望

平板边界层数值模拟是舰船流场分析的基础, 在进行舰船流场分析时, 边界层网格没有必要过密。根据平板边界层分析的结果, y+在30左右即可满足工程要求, 过低的y+反而导致计算结果不理想。

湍流模型对计算结果的影响, 不同文献得出的结论不同, 本文经过多方案比较标准k-ε模型和S S T k-ω模型, 计算结果误差值很小, 可靠性很高。

有关三维曲面对摩擦阻力的影响还需要进一步讨论。

参考文献

[1]盛振邦, 刘应忠.船舶原理 (上册) .上海:上海交通大学出版社, 2009.6

[2]Spalart P R.Strategies for turbulence modelling and simulations.International Journal of Heat and Fluid Flow, 2000, 21:252-263

[3]尹协远.高Reynolds数下湍流边界层的尺度律.力学进展, 2009, 39 (4) :426-439

片岩三轴蠕变特性及蠕变模型研究 篇9

关键词：岩体力学,片岩,蠕变特性,长期强度,蠕变方程

近几十年来,由于中国大型、巨型工程的建设,为了研究和保证岩土工程的长期稳定性和安全性,人们对岩石的流变特性,尤其是软岩流变特性的相关研究越来越多,也取得了许多重要的成果。通过岩石流变性能的研究,可以分析岩土工程的长期稳定性问题及地质学中的许多重要问题。田洪铭等［1］通过研究高地应力软岩隧道中围岩蠕变损伤特性,建立了蠕变损伤模型。范庆忠等［2］重点研究了低围压条件下,围压对含油泥岩蠕变参数的影响。王登科等［3］通过一系列含瓦斯煤岩三轴蠕变试验,建立了能反映稳态蠕变速率、蠕变载荷、围压和瓦斯压力之间关系的数学方程。刘传孝等［4］通过对轴向和径向蠕变分别进行H-K模型和M-K模型拟合对比,得到其黏滞系数。韩立军等［5］通过泥质砂岩单轴压缩蠕变试验建立了泥质砂岩的非线性蠕变模型。张向东等［6］采用MATLAB软件非线性回归分析对紫色泥岩进行H/M体模型参数拟合,证明H/M模型能较好地描述紫色泥岩的蠕变特性。

在西南地区的澜沧江两岸,普遍存在倾倒变形体。由于澜沧江水域水利工程较多,而倾倒变形体对水的响应明显,对水电工程造成巨大的潜在危害。澜沧江流域的倾倒变形体体现为软硬岩互层的结构,其中,软岩对倾倒变形体的发育起着关键作用。岩体的流变特性是描述岩体长期受力条件下的变形特性的重要因素。张治亮等［7］通过对挤压破碎带砂岩的研究提出了六元件非线性黏弹塑性蠕变模型,陈文玲等［8，9］从力学特征、微观结构、蠕变本构方程等方面对云母石英片岩的流变特性进行了一系列的研究。鉴于此,现对澜沧江流域云龙县的片岩进行蠕变实验的基础上,得到此岩体的长期强度,并分析力学特征和变形特征,进而提出能准确描述此岩体蠕变特性的蠕变模型,通过软件拟合求出其蠕变参数,为进一步研究倾倒变形体长期演化机制奠定了基础。

岩石流变实验时间教长,蠕变实验数据对误差响应敏感。因此实验采用的是国产YSJ-01-00 岩石三轴蠕变实验机( 图1) ,荷载精度≥0. 5% F· S,轴向荷载和围压稳定时间长,满足实验要求。本次实验历时1 296 h。通过实验获得片岩蠕变全过程数据,采用Burgers模型可以准确描述该片岩的蠕变特性,同时实验得出该片岩的长期强度为瞬时强度71% ,这些结论对进一步研究倾倒变形体长期演化机制具有重大意义,为防治工程提供了有效的物理参数。

1 片岩的基本力学特性

为了合理设计蠕变实验的加载参数,在实验之前,首先对片岩进行常规力学实验,包括常规三轴压缩实验和单轴压缩实验。为减少实验误差,常规三轴压缩实验和蠕变实验均在同一台试验机上进行。

单轴与三轴实验的试样尺寸为 φ50 mm × 100mm。轴向应变与偏应力关系如图2 所示。从图中可以看出应力-应变曲线可分为4 个阶段: 第一阶段为压密阶段,该段曲线微向上弯曲,主要为细微裂隙受压闭合; 第二阶段为弹性工作阶段,该段很接近于直线; 第三阶段塑性性状阶段,该阶段岩石发生不可恢复变形,主要是由于平行于荷载轴的方向内开始强烈地形成新的微裂缝造成的; 第四阶段为破坏阶段,岩石迅速破坏,应力下降到残余强度。随着围压的增加,破坏强度随之增加,弹性模量也不断增大。

取(σ1-σ3)关系曲线的峰值点作为破坏点,绘制直角坐标系,横坐标为轴向应力σ,纵坐标为剪应力τ。在坐标系中以破坏时的σ1+σ3/2为圆心,以σ1-σ3/2为半径,分别绘制3组不同围压下摩尔应力圆,并求出摩尔应力圆的公切线,从而得到岩石常规三轴实验的抗剪强度包络线。包络线与纵坐标的截距即为土的黏聚力c;与水平轴的夹角即为土的内摩擦角φ,最终得出片岩的摩尔-库伦强度指标:c=6.1 MPa,φ=46.4°。

2 蠕变实验及其分析

2. 1 实验方法

为提高实验效率,试验采用陈宗基提出的关于简单求解岩石长期强度的实验方案,并结合本实验的具体情况做调整。具体方案为: 首先加载至预定围压并保持恒定,蠕变实验的围压与三轴实验的围压一致; 轴压加载采用分级加载方式,取三轴实验所获得的瞬时破坏强度的80% 作为预定蠕变破坏荷载,将拟施加的最大载荷分成8 级,然后相同围压下的试件上由小到大逐级施加荷载,各级荷载的大小和所持续时间根据试件的应变速率或应力速率变化情况予以适当调整。每级轴向荷载加载速率按国际岩石力学标准取0. 5 MPa /s,; 全过程传感器自动采集数据,然后保持应力值不变,待变形速率小于0. 000 4 mm / h时进行下一级加载,重复上述过程,直至试样发生蠕变破坏后停止实验。室内温度严格控制在25 ℃,试验过程中仪器自动控制,电脑适时显示变形-时间关系曲线,并随时观察试样变形情况。

2. 2 实验结果及分析

从流变曲线可以看出,根据应变速率的不同,蠕变过程可明显分为衰减蠕变阶段、等速蠕变阶段、加速蠕变阶段。一般所指的长期强度从微观结构上来看即为岩体结构从稳定破裂转变成不稳定破裂的临界应力值。在流变实验曲线上体现为衰减蠕变阶段与等速蠕变阶段之间的一个过渡阶段。从实际工程应用中,该长期强度 τ∞可作为工程长期稳定性评价所需要的重要指标之一。通过绘制相应的应力应变等时曲线簇图,剪应力随剪应变增加而变化的转折点作为长期强度 τ∞。

图3 为分级加载下的流变曲线。如图4 所示,根据玻尔兹曼叠加原理,运用坐标平移法,将分级加载蠕变曲线转化为分别加载下的蠕变曲线。从图中可以看出,轴向应变可以分为两个阶段: 第一阶段是瞬时应变阶段; 第二阶段为蠕变应变阶段,蠕变应变阶段又可划分为衰减蠕变阶段、等速蠕变阶段、加速蠕变阶段。前8 级加载只包括衰减蠕变和等速蠕变,第9 级加载除了衰减蠕变和等速蠕变,还有加速蠕变阶段,经过短暂的加速蠕变阶段后试样发生破坏。

图5 为等时蠕变曲线,从图中可以看出该曲线的形态近似线性,且形态几乎相同,只有再加速蠕变阶段曲线发生弯折。因而可以用线性元件近似地描述除加速蠕变阶段以外的各阶段的蠕变特征［10］。

由于篇幅所限,以1 MPa围压试样的实验为例,通过受力分析和分别统计每一级轴向荷载下的瞬时蠕变、衰减蠕变和稳态蠕变的变形量,如图6 所示,可以得到如下现象和特征。

( 1) 第一级瞬时应变达1. 456% ,明显大于其他瞬时变形量。这是由于在岩石采样、搬运、制样过程中的卸荷和扰动造成的。在加载条件下,岩体微小裂缝逐渐闭合从而使变形量增大。

图3分级荷载下的蠕变曲线Fig.3 Grade creep curves under load

图4 Boltzmann叠加后的蠕变曲线Fig.4 Boltzmann creep curves superimposed

( 2) 长期强度大幅降低。实验围压是1 MPa。常规实验下的稳定强度为: 33. 55 MPa,蠕变实验得到长期强度分别为: 23. 83 MPa。长期强度仅为瞬时强度的0. 71 倍。

( 3) 随着偏应力的增加,瞬时应变呈先递减而后递增的趋势,如图4 所示。偏应力为10 MPa时的瞬时变形量达1. 456 mm外,属于特殊情况。偏应力为12 MPa时的瞬时蠕应变从0. 09% 逐步降低到偏应力为22 MPa时的0. 059% ,随后逐渐增大到偏应力为26 MPa时瞬时的0. 075% 。

( 4) 每一级的衰减蠕应变和稳态蠕应变随偏应力的增加总体呈递增关系。衰减蠕变量从0. 024% 增加到0. 082%,稳定蠕变量从0. 029% 增加到0. 099% 。

( 5) 在偏应力为26 MPa时,经过长时间的等速蠕变之后,试样在极短的时间内迅速进入加速蠕变阶段。此阶段历时短,应变速率迅速增加极快,直至试样破坏。

( 6 ) 试样在刚发生加速蠕变是的应变为2. 872% ,常规三轴实验峰值应力对应的轴向应变值2. 891% ,二者非常接近。

3 Burgers模型及参数拟合

3. 1 Burgers模型的本构方程

常用的元件模型有Maxwell模型、西源模型、Kelvin模型和Burgers模型等。Burgers模型作为一种黏弹性体( 图7) ,实践证明它能较好地描述诸多岩石蠕变曲线,具有较好的简洁性和通用性等优点。Burgers模型所要确定的参数少,这在参数求解以及推广应用方面都会带来更大的便利。因此,现采用Burgers模型来描述片岩的的蠕变特性。假设材料各向同性且初始均匀,并假定变形规律符合Burgers体模型［11］,本构模型为

蠕变模型为

3. 2 Burgers模型参数确定方法及结果

根据式( 2) ,运用1st Opt软件,采用标准简面体爬山法和通用全局优化法对片岩轴向蠕变实验曲线进行辨识。通用全局优化算法无需使用者手动给出参数初始值,参数初始值由1st Opt随机给出,软件通过其全局优化算法,最终求出最优解。通过软件求解得到的蠕变参数最优解如表1 所示。

将模型参数代入式( 2) ,再根据加载情况求解,即可得到蠕变拟合曲线,对比实验曲线和拟合曲线,平均相关系数达到0. 978 3,满足精度要求,如图8所示。通过曲线对比,可以看出模型不仅反映了岩石加载后的瞬时弹性变形,也能准确地反映试样的衰减蠕变过程和等速黏滞流动过程。因此,Burgers蠕变模型能准确地描述片岩的衰减蠕变与等速蠕变特性。但是如图8 所示,该模型却不能准确描述加速蠕变阶段的特性。

3. 3 加速蠕变阶段的分析

综上所述,Burgers模型虽然能较好的描述加速蠕变和等速蠕变阶段的规律,却无法描述加速蠕变阶段的特性。因而,对加速蠕变阶段的特性进一步研究分析。

通过原始实验曲线与拟合曲线的细节对比,从图9 可以看出,第九级加载的加速蠕变阶段以前两者都能很好地重合,在加速蠕变阶段拟合误差越来越大,以至于完全不能描述岩石的破坏阶段。通过对加速蠕变阶段的应变进行求导,得到如图10 所示的轴向应变-应变率-偏应力曲线。从图10 可以看出,加速蠕变阶段持续时间极短,从32 h后的20min内蠕变加速度迅速增长,量级从2－ 6h－ 1增大到8－ 3h－ 1,直至试样破坏。偏应力迅速从26 MPa下降到23 MPa,偏应力跌落到残余值,试样破坏。轴向应变从加速蠕变起始时的应变2. 872% 开始迅速破坏。其中,这个过程虽然持续时间短,但是这个加速蠕变过程包括了瞬时突变和加速变形两个过程。说明加速蠕变阶段的力学特性是较为复杂的,很难用函数准确地表述出来。

蠕变速率的增长,由之前的稳定增长变为突变增长,是由于片岩内部的微小裂隙在应力的作用下不断扩大,当裂隙的扩大超出一定的限度后,最终出现失稳现象,裂隙加速扩大,且加速度不断增加,同时也不断释放能量,最终裂隙贯穿最后导致岩体破坏。这个破坏过程是物理损坏和能量释放的过程,应力-应变-时间关系极为复杂,很难运用数学公式将其拟合。

通过实验对比,试样常规三轴实验峰值应力对应的轴向应变值2. 891% 与蠕变实验发生加速蠕变时对应的轴向应变值2. 872% 非常接近。说明岩石无论是在蠕变过程还是瞬时破坏过程中,均是岩石累积性破坏的结果,而且累积性的量是相近的。

4 结论

综上分析可得到如下结论。

( 1) 通过三轴蠕变实验,得到岩石的全过程应力-应变曲线,并得出峰值强度,它随围压呈线性关系,符合摩尔库伦强度理论。

( 2) 选取Buerges模型描述片岩的蠕变特性,对比实验曲线和拟合曲线的对比,证明Burgers模型能比较准确地描述岩石的瞬时应变、衰减蠕变和等速蠕变。

( 3) 通过常规三轴压缩实验和三轴蠕变实验得出,片岩的长期强度为瞬时强度的0. 71 倍,在实际工程中应考虑强度折减问题。

( 4) 通过蠕变实验,取得片岩的长期蠕变曲线,并求解得出本构模型参数,为后续进一步研究倾倒变形体的提供了重要基础资料。

( 5) 蠕变长期强度远小于三轴实验破坏时的瞬时强度,但是蠕变破坏时的应变与三轴破坏时的轴向应变很接近,这对研究倾倒变形体的演化特征和长期强度具有重要意义。

卵形齿轮范成加工模型和特性研究 篇10

卵形齿轮是一种特殊的齿轮,它能实现变传动比传动,由于它的特殊性,使它在制造业和一些仪器行业得以广泛应用[1,2,3,4],如在齿轮泵、流量计等仪器。在卵形齿轮机构中,当旋转半径r1、r2连续变化时,其速度比i12也将发生变化。由于卵形齿轮回转中心在几何图形的中心,因此,它在机械传动中的应用远大于椭圆齿轮和其它的非圆齿轮[4]。随着近几年数控机床的普及,卵形齿轮的加工和精度控制技术日臻完善。但是,加工时插齿刀或滚刀与毛坯间的位置关系及加工时二者间相对位置的控制,仍是卵形齿轮加工的成败与精度能否达到设计要求的关键和基础,它包括工件和刀具间进行范成运动时的位移和速度匹配等问题[5]。下面仅就用范成法加工外啮合卵形齿轮和内啮合卵形齿轮时刀具与毛坯间位置关系的数学模型进行探讨。

2 外啮合卵形齿轮范成加工模型

2.1 外啮合齿轮加工刀具和毛坯间的位置关系

用范成法加工卵形齿轮时,加工刀具分度圆和卵形齿轮的节曲线相切并作范成运动,这样刀具的渐开线齿廓就在齿坯上包络出与其共轭的渐开线齿廓。外啮合时,卵形齿轮加工时刀具和卵形齿轮的节曲线间的位置和运动关系可以用图1来表示。

图1中,P:插齿刀分度圆与卵形齿轮节曲线在初始位置的接触点;μ:节曲线的向径与其切线正方向间的夹角。切线正方向和节曲线极角的计量方向一致;ρ:啮合点P处的曲率半径;α:插齿刀中心O1与回转中心O2连线和X轴间的夹角;φ:啮合点P处的极位夹角;Rg:插齿刀分度圆半径。

卵形齿轮的节曲线的方程如下:r=a(1-e2)/(1-ecos2φ)其中,r-卵形齿轮的极圆半径;a-卵形齿轮的长轴半径;e-卵形齿轮的离心率;φ-卵形齿轮r的极角。

2.2 加工刀具相对于卵形齿轮回转中心的位移量

卵形齿轮的节曲线是变形的椭圆形,而加工刀具的节曲线是几何圆形,因此,在实际加工中,工件的转角和卵形齿轮的极角是不同的,从图1中可以明确看到,α和φ以及R′与ρ不同。

所以,加工外啮合卵形齿轮时,卵形齿轮毛坯和齿轮加工刀具间的位置关系的数学模型为:

其中:R′-卵形齿轮中心与刀具中心的距离;α:刀具中心与卵形齿轮中心连线在范成过程中的转角。

2.3 内啮合齿轮加工刀具和毛坯间的位置关系

在用范成法加工内啮合卵形齿轮时,齿轮加工刀具和卵形齿轮的节曲线间的位置和运动关系可以用图2来表示。

同理,仿前面外啮合时数学模型的建立方法,可得在加工内啮合卵形齿轮时,卵形齿轮毛坯节曲线和齿轮加工刀具间的数学模型关系式为:

3 范成加工的数学模型的动态验证

3.1 卵形齿轮加工特性分析

加工卵形齿轮时,必须保证其满足共轭齿廓的啮合特性,而且卵形齿轮的加工方法和卵形齿轮节曲线的凹凸有关,卵形齿轮节曲线在齿轮范成过程中不能为凹型,根据卵形齿轮节曲线为凸的条件[5],卵形齿轮节曲线的偏心率e满足:

其中,e-卵形齿轮偏心率;n-非圆齿轮叶数,对于卵形齿轮,n=2;故e≤1/3。

另外,卵形齿轮的设计也存在根切的问题,在加工卵形齿轮时,为了保证卵形齿轮不根切,卵形齿轮的最小曲率半径应满足[5]:

既:ρmin=a(1-e2)/(1+3e)

a-卵形齿轮长轴长;ρmin-卵形齿轮最小曲率半径。

其余参数意义同前。

3.2 范成过程的图形验证

根据前面建立的卵形齿轮加工时刀具与毛坯间的位置关系模型,利用卵形齿轮加工时刀具和卵形齿轮节曲线间的范成原理[6],用坐标变换的方法,对其加工过程进行仿真验正,程序框图如图3所示。图4是外啮合时加工仿真的结果图。图5是内啮合时加工仿真的结果图。

4 结语

本文分析了外啮合卵形齿轮、内啮合卵形齿轮用范成法加工的原理和方法。并根据内、外啮合时,卵形齿轮节曲线与刀具分度圆间的位置关系,提出了一种较简单的加工数学模型,并根据所建立的刀具与毛坯间的位置关系的该数学模型,用计算机VC+语言进行了图形仿真。从图形上可以看出,仿真的卵形齿轮的齿形变形较小,齿形理想。因而,这种模型为研究卵形齿轮的加工和卵形齿轮的啮合特性提供了基础。

参考文献

[1]SHINN L,et al.mathemtical model and undercutting analysiselliptical gear generated by rack cutters[J].Mechanism andMech Theroy,1996,31(7):879-890.

[2]邹骅,姚燕安,查建中.非圆齿轮驱动变输入转速机构反求设计[J].上海交通大学学报,2003,37(1):107-109.

[3]陈明,王广林,刘福利,等.叶片差速泵偏心圆-非圆齿轮驱动系统的研究[J].机械工程学报,2005,41(3):99-101.

[4]李富生,等.非圆齿轮与特种齿轮传动与加工[M].北京:机械工业出版社,1983.

[5]何贵平,胡赤兵.非封闭型节曲线非圆齿轮加工数学模型与仿真研究[J].机械设计与研究,2004,20(6):36-38.

神经网络模型特性研究 篇11

随着我国经济建设的发展和城市化进程的推进，交通土建、地下建筑、地下隧道、高层建筑、矿山井道等岩土工程的建设需求和规模日益增长。本文所研究的南宁膨胀土是一种具有显著胀缩特性的软土。国内外学者对于软土卸载问题以及非饱和膨胀土的变形特性等进行了一些研究：李广信等研究了土的卸载体缩现象及其变形机理[1];付艳斌等研究了卸载作用下淤泥黏土的流变规律[2];范志强等对非饱和膨胀土的剪切蠕变特性进行了研究[3]。

对于非饱和膨胀土，在荷载作用下，其变形不仅与应力有关，也与时间有关，呈现出显著的非线性流变特性。而对于非饱和膨胀土卸载回弹特性的研究并不多见。近年来，本课题组成员通过一系列室内试验，对膨胀土流变变形特性的研究取得了一定的成果[4,5,6]，本文在此基础上，通过室内卸载回弹试验，探讨了非饱和膨胀土的回弹变形特性，并利用经验方程的方法，由试验数据得出拟合程度较高的经验模型，为膨胀土的卸载回弹变形特性的计算和分析提供了理论依据。

2 试验方法

2.1 土样参数

试验所用的土样为广西南宁重塑膨胀土，其成因为冲洪积作用，土体呈灰白色，其物理参数见表1。

2.2 土样制备。

(1) 将土样锤碎后，过2mm筛，拌匀; (2) 测定土样的原始含水率，根据配置试样的含水率，计算土样所需的加水量; (3) 给土样添加所需水量，拌匀后将土样密封并静置于保湿缸内24h以上，以确保土样内水分均匀; (4) 再次测定土样的含水率(T=105～110℃，t≥8h); (5) 将配好的土样放入保湿缸内静置三天; (6) 按设计干密度、压实度(90%)、设计含水率(15.4%、19.7%、22.6%)，制备环刀土样，最后将制备好的试样置于保湿缸内待用。

2.3 试验方案。

试样分三组(每组六个试样)，其含水率分别为15.4%、19.7%、22.6%，对三组试样分别加载竖向应力12.5kPa、25kPa、50kPa、100kPa、200kPa、400kPa(加荷比为1)，持续作用直至其稳定(即试样连续24h内变形量小于0.01mm)，随后卸载，记录连续7天内的回弹变形，直至其稳定。该试验在WG型单杠杆轻便固结仪上进行，人工采集试验数据。

3 试验结果

3.1 卸载回弹试验曲线分析。

通过分别卸载的回弹试验得到含水率为15.4%、19.7%、22.6%，卸载竖向应力分别为12.5kPa、25kPa、50kPa、100kPa、200kPa、400kPa的膨胀土应变-时间关系曲线，选取含水率15.4%和22.6%的土样作出变形曲线如图1～图2所示。从图1～图2的卸载回弹曲线可以看出：在卸载瞬间，试样立即发生回弹变形，同等含水率，卸载的竖向应力越大，试样的瞬时回弹变形越大;不同含水率的试样，作用相同的竖向应力时，含水率越高试样的瞬时变形量越大。当应力水平较低时，试样的回弹变形在初始阶段的瞬时变形后，很快趋于稳定。当应力水平较高时，试样的回弹变形随时间的延续，变形量增加而变形速率衰减，最终回弹变形趋于稳定。

3.2 非饱和膨胀土卸载回弹变形的经验方程。

通过对非饱和膨胀土卸载回弹曲线的研究，发现该变形曲线可以用对数函数进行拟合，选取卸荷100kPa的回弹变形曲线进行拟合。拟合方程如下：

利用数值分析软件，对试验数据进行拟合，计算得到相关参数如表2所示。

根据拟合结果的修正决定系数(Adj.R2)，可以看出上述拟合方程能够很好的反映出非饱和膨胀土卸载回弹变形的应变-时间关系。

4 结论

本文通过对非饱和膨胀土的卸载回弹试验研究，探索了非饱和膨胀土的卸载回弹变形特性，得到如下结论：试样在卸载瞬间所产生的变形量，随含水率增大而增大。应力水平较低时，试样的回弹变形很快趋于稳定，应力水平较高时，随时间的延续，回弹变形量增长而变形速率衰减，最终变形趋于稳定。对试验所得的应变-时间关系曲线选用对数函数进行拟合，得到了反映非饱和膨胀土在某特定荷载卸载后的回弹变形特性的经验方程，为实际工程中的变形计算分析提供了依据。

摘要：针对非饱和南宁膨胀土进行了一系列室内一维压缩卸载回弹试验, 得到相应的应力-应变曲线, 探讨了该膨胀土的回弹变形特性。对不同含水率下的应变-时间关系曲线均可拟合成对数函数形式, 可以得到拟合程度较高的经验方程, 该方程为膨胀土的变形计算提供了依据。

关键词：非饱和,膨胀土,卸载回弹,曲线拟合

参考文献

[1]李广信, 武世锋.土的卸载体缩现象及其变形机理探讨[J].岩土工程学报2, 002, (1) 4:7-50.

[2]付艳斌, 宋博通, 朱合华.卸载作用下淤泥黏土流变规律试验研究[J].深圳大学学报理工版, 2009, 26 (4) 4:00-404.

[3]范志强, 肖宏彬.南宁非饱和膨胀土剪切蠕变特性试验研究[J].工业建筑2, 009, 39 (11) 7:1-75.

[4]肖宏彬, 范志强, 张春顺等.非饱和膨胀土非线性流变特性试验研究[J].公路工程2, 009, 34 (2) :1-5.

[5]肖宏彬, 张春顺, 何杰等.南宁膨胀土变形时程性研究[J].铁道科学与工程学报, 2005, 2 (6) 4:7-51.