[发明专利]基于DSCM-FEMU的岩石非均匀力学参数反演方法

说明书

本发明涉及一种基于DSCM‑FEMU的岩石非均匀力学参数反演方法。基于数字散斑相关方法观测岩石加载实验过程中试件的变形，计算应变场；基于有限元模型修正法，在ABAQUS中建立实验加载的数值计算模型，给定各单元初始的弹性参数，使用Python程序基于weibull分布对各单元的弹性参数赋值，进行有限元计算，通过Python程序自动输出数值模型的应力场；基于有限元理论，推导岩石非均匀力学参数反演目标函数，表示实验测量的应变场与数值计算应变场之间的差异，使用优化算法使目标函数最小化，输出各单元最匹配的弹性参数，若目标函数不满足迭代收敛条件，则通过Python程序自动修改各单元弹性参数，代入新一轮的有限元计算中，直到目标函数收敛，输出各单元的弹性参数。

技术领域

本发明涉及一种基于DSCM-FEMU的岩石非均匀力学参数反演方法，属于光测力学、变形测量和数值模拟的技术领域。

背景技术

数字散斑相关方法(Digital Speckle Correlation Method,DSCM)是一种非接触式光学测量方法，其基于“灰度不变假设”，通过相关算法追踪随机散斑点在变形过程中的位置变化，具有全场性和高精度等特点。近年来，数字散斑相关方法在岩土工程多个领域的实验研究中被广泛应用，如在岩石材料实验加载过程中，通过数字散斑相关方法可以计算得到试件加载过程中的位移场和应变场，但是此方法不能对材料的应力场和材料参数进行计算测量，这一问题需要进行深入研究。

有限元模型修正法(Finite Element Model Updating,FEMU)是一种将实验手段和数值计算手段相结合进行参数计算的方法，在数值计算中给定模型力学参数代入计算，使用相关的算法不断更新迭代力学参数，使得数值计算结果数据与实验测量数据的差值最小。有限元模型修正法已经用于弹塑性、粘弹性和非线性剪切等条件下的材料参数识别，具有计算速度快、结果精度高等特点。

因此，将数字散斑相关方法和有限元模型修正方法相结合，构建DSCM-FEMU 法，对岩石的非均匀力学参数进行反演，可有效的解决数字散斑相关方法不能计算材料力学参数和实验应力场的问题。同时，基于数字散斑相关方法测量的非均匀应变场和有限元模型修正方法给定的非均匀力学参数，可有效解决由于岩石材料非均匀性导致的力学参数测量不精确的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于DSCM-FEMU的岩石非均匀力学参数反演方法，可计算岩石加载实验中试件弹性模量和泊松比的非均匀量值。将实验中测量的应变场、数值计算中的应力场和力学参数构建参数反演目标函数，使得实验测量得到的全场数据与数值计算的全场数据差异最小，得到实验中与岩石试件最匹配的力学参数。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

基于DSCM-FEMU的岩石非均匀力学参数反演方法，包括以下步骤：

(1)设计岩石加载实验方案，确定实验过程的边界条件；根据实验方案对岩石试件进行加载，同时，使用数字散斑相关方法观测试件在加载过程中的变形情况，加载完成后计算试件在加载过程中的应变场，在MATLAB软件中读取应变场数据1；

(2)根据步骤(1)的实验加载边界条件，在ABAQUS软件中建立实验的数值计算模型，编写Python程序，根据weibull分布函数给定每个单元的弹性模量E_(i)和泊松比μ_(i)，其中i为数值模型的单元编号，将各单元的弹性模量和泊松比导入 ABAQUS中，给每个单元赋予不同的力学参数属性，在ABAQUS中进行有限元计算；

(3)通过Python编写程序自动输出步骤(2)数值计算结果中的应力场数据，在MATLAB软件中读取不同单元的应力场数据1：采用三次样条插值算法计算出不同单元与数值模型应力场坐标一致的数字散斑相关方法像素点应变场数据2：