巖石邊坡運動學分析
關注創建者：匿名 創建時間：2021-10-21
巖石邊坡運動學分析的實例教程
1 引言
使用赤平極射投影技術有兩個最基本的目的：第一個目的是對大規模的節理數據進行分析統計，找出控制節理組；第二個目的是在此基礎上進行邊坡的運動學分析(Kinematic Analysis)。分析的類型包括平面破壞，楔形破壞和傾倒破壞。與先前進行的極限平衡分析不同，運動學分析提供了一種快速簡單評價巖石邊坡穩定性的途徑，需要輸入的巖石力學參數只有內摩擦角。這個筆記通過實例簡要描述了邊坡運動學分析的基本步驟(1個學時)。
2 邊坡運動學分析
2.1 輸入數據
邊坡運動學分析的基礎輸入數據是傾角/傾向(Dip/Dip Direction)。在過去，測量巖體產狀是一件既費時又費力的工作，現代測繪技術的發展大大簡化了這項工作，例如數字攝影測量(digital photogrammetry), 地面激光雷達(ground-based LiDAR)和數字跡長測繪(digital trace mapping)等。不過，這些技術不能完全代替手工測繪。對于巖土工程師和地質工程師來講，掌握現場的手工測量方法和分析方法還是非常有必要的，這也是講授《赤平極射投影(Stereographic projection)快速識圖和繪制方法》的目的。在本例中，我們對一個擬開挖的邊坡巖體進行了節理統計，共測量了49組數據(Dip/DD)，其結果如下圖所示。
2.2 節理分組
從上圖明顯地看出，巖體可以劃分為兩個節理組，這兩組節理控制著邊坡的穩定性。對每組數據進行平均，得出兩條平均后的節理 joint 1和Joint 2。第一組節理的平均值為60/70(Dip/DD),第二組節理的平均值為35/201(Dip/DD)。這兩組節理的相交線為146/22(Dip/DD)。如下圖所示。
展開 這種破壞模式主要由巖石風化以及人類活動引起，最典型的情形是坡腳開挖引起邊坡上部巖體發生傾倒破壞, 如下圖(d)所示。這種破壞模式在修建山區高速公路時經常會遇到, 尤其出現在水平層理的砂巖和頁巖中。
3 傾倒破壞的分析方法
3.1 Dips
上述三種傾倒破壞模式中，屈曲傾倒(flexural toppling failure)的破壞性最大。Wyllie (2018)對傾倒破壞從相似材料試驗到數值模擬作了非常詳細的總結。按照Goodman and Bray(1976)的分析, 傾倒破壞必須滿足下面的條件:
其中,
---邊坡面的傾角(Dip of slope face);
---不連續巖體的內摩擦角(Internal friction angle of plane/joint);
---不連續巖體的傾角(Dip of plane/joint)
使用Dips(Version 8.016 - September 30, 2021)【利用赤平極射投影進行巖石邊坡的運動學分析(Kinematic Analysis)】可以分析這種破壞模式，并且只能分析這種破壞模式。
3.2 RocTopple
Goodman and Bray(1976)提出的塊體傾倒(Block Toppling)分析方法基于靜力平衡原理，不過由于塊體數目，大小和位置的不同，導致手工計算過程變得非常耗時和復雜，Rocscience把這個計算過程發展成為一個計算機軟件RocTopple(Version 2.004 – May 21, 2021) , 在此基礎上擴展出許多新的功能，能夠考慮各種外載荷，地下水壓力，支護載荷，并且能夠進行概率分析和敏感性分析等。
展開 粘結力和內摩擦角值可以根據巖體工程分類RMR來近似估計：
通過上面的輸入，我們可以計算出楔形體的各種屬性值：
楔形體體積=8262.822 m^3
楔形體重量=21483.336 tonnes
節理1的楔形面積=1018.109 m^2
節理2的楔形面積=1026.010 m^2
邊坡面的楔形面積=636.542 m^2
邊坡頂部的楔形面積=819.726 m^2
節理1的法向力=17140.593 tonnes
節理2的法向力=10523.266 tonnes
楔形體的下滑力=11127.830 tonnes
楔形體的抗滑力=19480.543 tonnes
安全系數=1.751
3 分析工具SWedge
然而，真實的工程計算比上面演示的例子復雜得多，因此我們需要使用專業的分析工具。一個工業標準的楔形滑動分析工具是SWedge[Version 4.009 - April 28 2021]。與RocPlane一樣，SWedge能夠進行地下水和錨固分析，也能夠進行概率性分析。SWedge常與DIPS[利用赤平極射投影進行巖石邊坡的運動學分析(Kinematic Analysis)]結合使用。 如果需要了解巖體的應力和應變性能，則必須使用數值模擬軟件3DEC。Swedge是一個快速、交互式、簡單的分析工具，可來評估巖石邊坡表面楔形體的穩定性，楔形體由兩個相交的不連續面, 邊坡面, 頂部面以及一個可選擇的拉伸裂縫組成。Swedge不能計算巖體旋轉或傾覆的安全系數。
展開 Deere's RQD---現代巖體工程分類方法的基石 (Part I)
Deere's RQD---現代巖體工程分類方法的基石 (Part II)
Q-System巖石塊體尺寸的估算(RQD/Jn)
工程巖體分類的簡要回顧
工程巖體分類RMS(Rock Mass Strength)
巖體變形模量的估算---Python實現
4.5 極限平衡法
極限平衡法是邊坡穩定性最方便快捷的分析方法, 我們將在以后的課程中,以SLIDE軟件為例,詳細討論極限平衡法的分析原理包括各種條分法的差異以及如何使用SLIDE來解決真實的邊坡穩定性問題.
4.6 概率分析和敏感性分析
盡管理論上概率分析和敏感性分析可以在數值模擬中使用, 但是時間代價太大, 因此目前的概率分析和敏感性分析都在極限平衡法中使用, 從實踐的角度來看, 這樣的處理方法已經足夠精確. 我們將在講授極限平衡法時附帶討論這兩種分析方法.
巖石邊坡穩定性概率分析
巖石破壞路徑的搜索算法
巖石邊坡平面滑動的概率分析
巖石邊坡楔形體穩定性概率分析(Probabilistic Analysis)---Part 1
巖石邊坡楔形體穩定性概率分析(Probabilistic Analysis)---Part 2
巖石邊坡楔形體穩定性概率分析(3)---節理剪切強度的隨機分布
使用BLOCK算法搜索邊坡的最小滑動面
4.7 LRFD法
LRFD代表著Load And Resistance Factor Design, 荷載與阻力系數設計, 這是一種極限狀態設計法, 起源于結構設計理論, 上學期的<鋼筋混凝土結構設計原理>中, 曾經提及過這種方法.
展開 1 引言
巖石邊坡主要有四種破壞模式：平面破壞，楔形破壞，傾倒破壞和圓形破壞。此外，還有一種特殊的邊坡破壞模式---巖石崩落(rockfall)。巖崩(rockfall)是露天采礦工程和土木工程巖石邊坡中經常遇到的問題。巖崩是指體積較小的分離塊或系列塊的自然向下運動，整個過程包括自由落體、彈跳、滾動和滑動。巖石崩落的形成受許多因素影響，例如巖體的不連續性，巖體的風化程度，地下水和地表水，凍融，外部爆破載荷和地震載荷等。其中，地下水和地表水對巖石崩落的產生影響巨大，在一些山地區域，當雨季來臨時，伴隨著泥石流往往也會出現大量的巖石崩落，巖石崩落輕者阻塞交通，重者造成了人員傷亡和設備毀壞。地震也是引起巖石崩落的一個主要誘因，例如2008年汶川地震后周圍發生了大量的巖石崩落。
這節課討論巖石崩落最基本的分析過程和防護措施以及一些常用的分析工具。巖石崩落分析首推的參考資料是Dr. Hoek《Practical Rock Engineering》---“Analysis of rockfall hazards ”。
2 巖崩過程描述
一個典型的巖崩過程包括自由落體(Free fall)、彈跳(Bouncing)、滾動(Rolling)和滑動(Sliding)，如下圖所示。
2.1 自由落體(Free Fall)
自由落體在很多情況下是巖崩的第一個動作，因為巖石經常從陡峭的斜坡上脫離，然后只受到重力的影響，根據Bozzolo等人(1986年)的研究，空氣阻力可以被忽略，因為它僅相當于落石總重量的2%。
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本案例適合哪些人學習：
1、學習型仿真工程師
2、理工科院校學生
3、對有限元分析感興趣的工程師
你會得到什么：
1、學習四連桿機構的三維模型處理
2、學習四連桿機構接觸相關的接觸設置
3、學習多體動力學分析步的建立
4、學習四連桿機構多體動力學分析的載荷施加
案例介紹：
所使用軟件為ANSYS workbench2020r2.
案例介紹了ANSYS workbench
基于matlab的曲柄滑塊機構的運動學仿真分析GUI，包括《系統仿真與matlab》綜合試題文檔。分析滑塊速度、角速度，曲軸投影長。曲柄滑塊機構的動畫。程序已調通，可直接運行。
基于matlab的曲柄滑塊機構的運動學仿真分析，分析各個桿的速度、位移、加速度曲線，以及曲柄滑塊機構的動畫。程序已調通，可直接運行。
摘 要: 針對老年人在如廁時由于膝關節老化而難以站立的問題，設計了一種基于虛擬樣機技術的自動化助老起升 裝置。首先基于機械原理完成核心機構和裝置的設計，然后利用 CＲE O完成三維模型的建立，再在多體動力學 ADAMS 軟件中建立該虛擬樣機的運動學模型，通過測量指定點的位移、速度、加速度等運動學參數的變化曲線完成仿真 分析，最后在實驗室制造出物理樣機進行實際驗證，該研究結果為后續批量生產提供理論研究依據
摘 要：針對目前3D打印機打印回轉體類型零件速度慢、插補復雜、效率低等缺陷，設計一種3D打印機，由底座、行星齒輪組、Z軸運動機構、橫向絲杠機構和料架等組成。通過ADAMS仿真軟件進行運動學虛擬仿真分析。3D打印機可通過增加打印噴頭數量來提高打印速度。通過對多噴頭的協作打印方案進行運動仿真模擬計算，得到運動學特性。通過對比分析不同時刻的末端執行器的速度、加速度和受力情況，驗證3D打印機機械機構運動可行性
摘 要:為避免打印機工作過程中出現運動突變和沖擊,影響打印精度等問題,以Delta打印機為研究對象,完成3D打印機的模型繪制,分析其運動學求解過程,建立打印機的運動學方程,并借助Matlab和Adams軟件完成對運動學方程的驗證.借助Hypermesh對關鍵部件柔性化處理,完成剛柔耦合仿真驗證,對特定工況下傳動誤差?位移?速度和加速度進行分析,驗證了模型設計的合理性.
關鍵詞:Delta打印機
Adams、Ansys Workbench和Matlab均廣泛應用于工業領域中，不少從事和學習相關內容的科研工作者及在校生，也在不斷對比不同軟件之間的差異，因此本篇文章以簡單的四連桿機構為例進行分析，對比不同軟件中結果的差異。
1正運動學分析
采用標準的D-h法進行機械腿模型分析：
D-h表如下
（2）通過（1）求解出機器人各位姿變換矩陣后，求解機器人手臂變換矩陣。通過matlab 計算，寫出機器人末端位置。
正運動學分析
根據D-H表規定得到如下變換矩陣為：
由此可得機器人相鄰兩關節位姿分別為：
2.4.3 基于Robotics Toolbox的工具箱的模型檢測
上文中，我們已經對采摘機器手爪運動學理論模型進行了創建，接下來要用MATLAB軟件中的機器人工具箱對創建好的采摘機器手爪運動學理論模型進行校驗。
2.4.4 對象模型創建
運用MATLAB軟件的Link函數將上文采摘機器手爪已確立的主要參數代入完成整個模型建模。Link函數格式如下：
建立坐標系
1正運動學分析
采用標準的D-h法進行機械腿模型分析：
將連桿坐標系的原點建立在連桿的關節連桿末端。
一、建立D-H連桿坐標系的原則
1.Z,軸沿關節軸i+1的軸向。
2．原點O為Zi.,與Zi軸的交點或其公垂線與關節軸Zi的交點。3.Xi軸沿Zi與Zi軸的公垂線方向，由關節軸i指向關節軸i+1。4.Yi軸按照右手定則確定
