一种基于力学描述子的岩石应力应变曲线预测方法

本技术涉及岩石动力学与岩石材料动态响应建模，特别涉及一种基于力学描述子的岩石应力应变曲线预测方法。

背景技术：

1、在深部开采、地下硐室爆破、动载扰动分析以及高应变率条件下的岩石破坏研究中，岩石材料的动态应力-应变响应是评价承载能力、峰值破坏位置、峰值后软化特征及耗能行为的重要依据。工程应用中通常不仅关注单一强度值，还需要获得整条动态应力-应变曲线，以表征初始刚度、峰值强度、峰值应变、软化斜率、尾部残余水平及总吸能等信息。

2、现有岩石动态响应研究主要依赖分离式霍普金森压杆冲击试验及其变体试验获取真实曲线。但该类试验普遍存在试样制备要求高、加载控制难度大、试验成本高和重复性要求严格等问题，导致高质量动态应力-应变曲线数量通常有限。

3、现有技术通常采用机器学习方法直接执行曲线回归，但是，若直接将整条曲线作为高维向量输出，模型容易记忆有限样本中的局部噪声，并在新工况下出现峰值错位、峰值后异常起伏和尾段应力异常，导致无法精确表征动态响应过程。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种基于力学描述子的岩石应力应变曲线预测方法。

2、本说明书采用下述技术方案：

3、本说明书提供了一种基于力学描述子的岩石应力应变曲线预测方法，包括：

4、将待预测岩石的材料属性、名义应变率和待查询应变信息编码为输入向量，并对输入向量进行特征提取，得到共享表征向量；

5、根据共享表征向量，预测力学描述子向量和归一化形状曲线；力学描述子向量表示在材料属性和名义应变率工况下待预测岩石的宏观力学响应特征；归一化形状曲线用于表征在材料属性和名义应变率工况下，目标应力应变曲线相对于半经验物理骨架曲线的局部偏差、曲率变化和峰值后软化形态；半经验物理骨架曲线用于表征应力应变曲线峰前刚度、峰值位置和峰值后衰减的基础趋势；

6、根据力学描述子向量，确定待预测岩石的半经验物理骨架曲线，并将半经验物理骨架曲线和归一化形状曲线进行融合，得到待预测岩石的目标应力应变曲线。

7、可选地，通过预测模型预测力学描述子向量和归一化形状曲线；预测模型包括共享主干网络、描述子预测模块和归一化形状预测模块；力学描述子向量和归一化形状曲线的确定过程，包括：

8、将待预测岩石的材料属性、名义应变率和待查询应变信息输入至预测模型中，将材料属性、名义应变率和待查询应变信息进行编码，并将编码后的信息作为输入向量输入至共享主干网络进行特征提取，得到共享表征向量；

9、将共享表征向量输入至描述子预测模块，得到力学描述子向量；

10、将共享表征向量输入至归一化形状预测模块，得到归一化形状曲线。

11、可选地，将半经验物理骨架曲线和归一化形状曲线进行融合，得到待预测岩石的目标应力应变曲线，包括：

12、将半经验物理骨架曲线和归一化形状曲线输入至预先训练好的门控融合模型，在门控融合模型中，根据半经验物理骨架曲线和归一化形状曲线，生成门控因子，并根据门控因子对半经验物理骨架曲线和归一化形状曲线进行加权，得到待预测岩石的目标应力应变曲线。

13、可选地，待查询应变信息包括在固定应变网格上的多个离散应变坐标；门控因子为单个标量、分段标量或与固定应变网格长度一致的向量；半经验物理骨架曲线和归一化形状曲线均为在固定应变网格的每个离散应变坐标处具有对应应力值的曲线；根据门控因子对半经验物理骨架曲线和归一化形状曲线进行加权，包括：

14、当门控因子为固定应变网格长度一致的向量时，在固定网格上通过门控因子对半经验物理骨架曲线和归一化形状曲线中的各应力值进行加权融合。

15、可选地，预测模型和门控融合模型是通过历史岩石样本的材料属性、名义应变率和对应的参考应力应变曲线联合训练得到的。

16、可选地，待查询应变信息包括在固定应变网格上的多个离散应变坐标；力学描述子向量包括峰值应力、峰值应变、初始模量、尾部应力比和总吸能；根据力学描述子向量，确定待预测岩石的半经验物理骨架曲线，包括：

17、根据峰值应变对每个离散应变坐标进行归一化，得到每个应变采样点的归一化应变坐标；

18、根据初始模量、峰值应力和峰值应变，确定峰前控制参数；峰前控制参数用于定量控制半经验物理骨架曲线峰前上升段的非线性弯曲程度；

19、以归一化应变坐标与1的关系为分界点，划分峰前上升段和峰值后衰减段；

20、在峰前上升段，通过以归一化应变坐标为自变量、以峰前控制参数为形状参数的幂指数形式函数，构建峰前上升段曲线；

21、获取多个取值不同的峰值后衰减形态参数；

22、针对任一个峰值后衰减形态参数，在峰值后衰减段，通过以归一化应变坐标为自变量、以尾部应力比和峰值后衰减形态参数为控制参数的递增函数，构建峰值后衰减形态参数对应的峰值后衰减段曲线；

23、将峰前上升段曲线分别与每一个峰值后衰减段曲线在峰值点处拼接，得到多个骨架曲线；

24、通过总吸能从多个骨架曲线中筛选最优骨架曲线，将最优骨架曲线确定为半经验物理骨架曲线。

25、可选地，通过总吸能从多个骨架曲线中筛选最优骨架曲线，包括：

26、采用梯形积分计算每一个骨架曲线对应的骨架吸能估计值；

27、计算每一个骨架吸能估计值与力学描述子向量中的总吸能之间的相对偏差；

28、将最小的相对偏差对应的骨架曲线确定为最优骨架曲线

29、本说明书提供了一种基于力学描述子的岩石应力应变曲线预测装置，包括：

30、特征提取模块，用于将待预测岩石的材料属性、名义应变率和待查询应变信息编码为输入向量，并对输入向量进行特征提取，得到共享表征向量；

31、预测模块，用于根据共享表征向量，预测力学描述子向量和归一化形状曲线；力学描述子向量表示在材料属性和名义应变率工况下待预测岩石的宏观力学响应特征；归一化形状曲线用于表征在材料属性和名义应变率工况下，目标应力应变曲线相对于半经验物理骨架曲线的局部偏差、曲率变化和峰值后软化形态；半经验物理骨架曲线用于表征应力应变曲线峰前刚度、峰值位置和峰值后衰减的基础趋势；

32、融合模块，用于根据力学描述子向量，确定待预测岩石的半经验物理骨架曲线，并将半经验物理骨架曲线和归一化形状曲线进行融合，得到待预测岩石的目标应力应变曲线。

33、本说明书提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述基于力学描述子的岩石应力应变曲线预测方法。

34、本说明书提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述基于力学描述子的岩石应力应变曲线预测方法。

35、本说明书采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

36、在本说明书提供的基于力学描述子的岩石应力应变曲线预测方法中，首先，将材料属性、应变率及应变信息编码为输入向量并提取共享表征，该表征同时为力学描述子和归一化形状曲线提供统一且鲁棒的特征基座，使宏观强度、峰值位置等整体趋势与局部曲率、软化形态的预测共享同一信息源，避免了分别建模导致的不一致；进而，依据力学描述子确定的半经验物理骨架曲线，为峰前刚度、峰值及峰后衰减奠定了不可违背的力学先验约束，而归一化形状曲线仅在骨架基础上叠加有限幅值的细节修正，二者融合时，物理骨架有效抑制了归一化曲线因数据稀疏可能产生的异常波动，同时归一化曲线又反向补偿了纯经验骨架难以捕捉的应变率敏感型局部曲率变化，使得最终输出的目标应力应变曲线既不会出现峰值错位和尾段应力异常，又能保持平滑物理趋势，提高了岩石材料动态响应过程表征精度。