一种混凝土坝应力场构建方法技术

本发明专利技术涉及水利工程技术领域，公开了一种混凝土坝应力场构建方法，该构建方法包括:S1:应力监测，获取大坝测点处的应力值；S2:获取关于大坝的需求参数；S3:建立有限元模型；S4:数值计算；S5:样本设计；S6:获得训练集；S7:建立神经网络模型，输出整体应力场；S8:模型训练；S9:模型预测，重构应力场。本发明专利技术提出的一种混凝土坝应力场构建方法，结合数值模拟和神经网络方法，能够在一定程度上解决应力场计算分析计算量大、模拟精度差、分析效率低的问题，实现大坝应力场的高效构建，指导大坝安全运行管理。理。理。

【技术实现步骤摘要】
一种混凝土坝应力场构建方法


[0001]本专利技术涉及水利工程
，尤其涉及一种混凝土坝应力场构建方法。

技术介绍

[0002]大坝应力是工程安全的核心要素，需要严格控制在一定范围内，使得大坝长期安全运行。大坝应力主要依据安全监测和数值计算得到，其中安全监测普遍依据应变计组，在坝体有些坝段布设少量仪器进行监测，得到点的应力应变状态，未布设的部位用计算得到。计算方法主要是理论方法和数值模拟方法，理论方法如材料力学、结构力学必须进行很大程度的简化，得到的应力在规律上是与监测可比的，但是量值往往差异很大。数值模拟方法以有限元方法为代表，可以考虑结构的几何特征、材料分区和特性、环境因素影响以及施工过程，得到非常精细的计算结果，但该方法存在建模难度大、计算速度慢等问题，同时应力影响因素众多，涉及热、渗、力、振动等，耦合求解难度很大，目前普遍难以做到，因此应力的真实性无法得到保证。
[0003]事实上，在工程长期安全运行管理和维护中，坝体应力的分布和量值控制是至关重要的，要实现高效精确到技术层面，实现计算应力场真实反映监测的真实应力，目前理论方法和有限元方法都很难实现。
[0004]现有技术一：
[0005]基于材料力学的计算方法因其简便、易于理解等因素在设计、运行、安全评价方面广泛应用，材料力学方法也是重力坝设计规范中规定采用的计算方法，该方法不考虑地基变形等因素的影响，而且假定水平截面上的正应力以线性分布，计算结果在地基附近约1/3坝高范围内与实际情况差别较大。拱坝作为一个复杂的空间壳体结构，拱圈的轴力很大，对拱圈本身的变形和基岩变形影响显著，且对稳定性影响至关重要的两岸岩体、坝基岩体也很复杂，工程师在分析过程中提出了许多必要的假定和简化，其中拱梁分载法将拱坝视为由若干拱圈和悬臂梁组成的空间结构，坝体承受的荷载一部分由拱系承担，一部分由梁系承担。
[0006]上述方法经过实际检验可以满足结构设计方面的安全要求，但由于其理论基础是结构力学或材料力学，实际情况与物理模型而言做了过多假设，其精度不能与当前广泛使用的基于弹性力学的数值方法相比，基于此种方法对坝体应力场进行重构，并不能满足工程评判的需要。
[0007]现有技术二：
[0008]基于有限元法的应力场重构方法是一种利用有限元模型和应变监测数据来求解应力场的技术。
[0009]可以考虑结构的几何和材料特性，提高重构精度。该方法的基本思想是将结构划分为有限个单元，建立单元的位移、应变和应力之间的关系，然后通过插值函数将单元内的场变量表达为节点位移的函数，从而将连续问题转化为离散问题。通过计算结果在各个单元节点上的位移数据，可以求解出节点应力，进而得到整个结构的应力场分布，该方法可以
用于分析各种复杂载荷下的结构应力状态，为结构设计、优化和评估提供有效的工具。
[0010]有限元模型由于具有以上优势，在精细化建模和小模型试验场景下可以提供较为准确的计算结果。然而，在实际运行中的水工建筑物中，由于实际结构的复杂性，有限元模型往往难以完全匹配实测值。尤其是在处理非线性问题和材料非均质性较强的结构时，模型的拟合结果往往不够准确，采用精细化模型和本构、扩大单元规模提高准确性同时会带来计算量的大幅提高，实时性不好，不利于快速重构应力场以满足安全评判的需要。

技术实现思路

[0011]为了克服以上技术问题，本专利技术目的是提出一种混凝土坝应力场构建方法，结合数值模拟和神经网络方法，能够在一定程度上解决应力场计算分析计算量大、模拟精度差、分析效率低的问题，实现大坝应力场的高效构建，指导大坝安全运行管理。
[0012]本专利技术提供了如下的技术方案：
[0013]一种混凝土坝应力场构建方法，其包括如下步骤：
[0014]S1:应力监测，获取运行期监测的大坝测点处的应力值，所述应力选自单向或多向应力，所述应力值由布设的多向应变计测得；
[0015]S2:获取关于大坝的需求参数，所述需求参数包括环境参数、材料分区参数和结构几何参数；
[0016]S3:建立有限元模型，基于坝体的所述材料分区参数和所述结构几何参数，建立反映大坝结构特征的有限元模型，所述有限元模型在大坝测点位置单独划分对应的节点，以反映应力变化情况；
[0017]S4:数值计算，基于设计参数对所述有限元模型进行有限元分析计算，通过该有限元分析结果，获得设计工况下的应力分析结果，初步验证所述有限元模型的合理性；
[0018]S5:样本设计，在步骤S4计算参数中，采用的所述材料分区参数与实际情况存在一定的偏差时，选取大坝不同分区的材料参数和边界条件进行样本设计；基于上述设计工况划分进行有限元分析，在每一次计算中，保存模型计算的输入文件、结果文件，获得对应于应力监测部位的节点应力计算值；
[0019]S6:获得训练集，基于S3步骤中的所述有限元模型和所述样本设计，采用有限元方法进行结构分析，将不同边界条件下的结果制成数据集，将数据集划分为训练集、验证集、测试集三部分；
[0020]S7:建立神经网络模型，向所述神经网络模型输入步骤S2中获得的所述材料分区参数、所述环境参数、所述结构几何参数，所述神经网络模型的输出为整体应力场；
[0021]S8:模型训练，输入步骤S6得到的所述节点应力计算值以及步骤S2的所述材料分区参数和所述环境参数进行模型训练，训练结束在验证集上测试所述神经网络模型的拟合效果，得训练后的神经网络模型；
[0022]S9:模型预测，将步骤S1获得所述应力值和步骤S2中获得的所述材料分区参数和所述环境参数，传递给所述训练后的神经网络模型，所述训练后的神经网络模型输出重构后的应力场。
[0023]在上述实施方式中，步骤S4中采用设计工况进行计算主要是为了初步验证初始模型的合理性。在步骤S7中，所述神经网络模型的输入输出的单通道尺度与所述有限元模型
的节点规模一致。
[0024]根据一些实施方式，步骤S7中所述神经网络模型为卷积神经网络模型，即CNN网络模型。
[0025]根据一些实施方式，步骤S7中为提高所述CNN网络模型的精度和确定计算量，对于静力学问题，采用六个通道来表征应力张量的六个分量；对于变边界条件或多时间步分析问题，将时间维度作为输入参数的一部分。
[0026]根据一些实施方式，在步骤S7中，将离散化有限元方程对应的余量、边界处的拟合余量、对应节点处的测值的拟合余量定义为损失函数的一部分，公式如下：
[0027]L
loss
＝ω1L
data
+ω2L
pde
+ω3L
bc
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0028]其中ω1+ω2+ω3＝1，ω1为节点数据拟合损失权重，ω2为偏微分方程拟合损失权重，ω3为边界条件拟合损失权重，L
loss
为模型总损失函数，L
data
为节点数据拟合损失函数，L
pde本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种混凝土坝应力场构建方法，其包括如下步骤：S1:应力监测，获取运行期监测的大坝测点处的应力值，所述应力选自单向或多向应力，所述应力值由布设的多向应变计测得；S2:获取关于大坝的需求参数，所述需求参数包括环境参数、材料分区参数和结构几何参数；S3:建立有限元模型，基于坝体的所述材料分区参数和所述结构几何参数，建立反映大坝结构特征的有限元模型，所述有限元模型在大坝测点位置单独划分对应的节点，以反映应力变化情况；S4:数值计算，基于设计参数对所述有限元模型进行有限元分析计算，通过该有限元分析结果，获得设计工况下的应力分析结果，初步验证所述有限元模型的合理性；S5:样本设计，在步骤S4计算参数中，采用的所述材料分区参数与实际情况存在一定的偏差时，选取大坝不同分区的材料参数和边界条件进行样本设计；基于上述设计工况划分进行有限元分析，在每一次计算中，保存模型计算的输入文件、结果文件，获得对应于应力监测部位的节点应力计算值；S6:获得训练集，基于S3步骤中的所述有限元模型和所述样本设计，采用有限元方法进行结构分析，将不同边界条件下的结果制成数据集，将数据集划分为训练集、验证集、测试集三部分；S7:建立神经网络模型，向所述神经网络模型输入步骤S2中获得的所述材料分区参数、所述环境参数、所述结构几何参数，所述神经网络模型的输出为整体应力场；S8:模型训练，输入步骤S6得到的所述节点应力计算值以及步骤S2的所述材料分区参数和所述环境参数进行模型训练，训练结束在验证集上测试所述神经网络模型的拟合效果，得训练后的神经网络模型；S9:模型预测，将步骤S1获得所述应力值和步骤S2中获得的所述材料分区参数和所述环境参数，传递给所述训练后的神经网络模型，所述训练后的神经网络模型输出重构后的应力场。2.根据权利要求1所述混凝土坝应力场构建方法，其特征在于：步骤S7中所述神经网络模型为卷积神经网络模型，即CNN网络模型。3.根据权利要求2所述混凝土坝应力场构建方法，其特征在于：步骤S7中为提高所述CNN网络模型的精度和确定计算量，对于静力学问题，采用六个通道来表征应力张量的六个分量；对于变边界条件或多时间步分析问题，将时间维度作为输入参数的一部分。4.根据权利要求3所述混凝土坝应力场构建方法，其特征在于：在步骤S7中，将离散化有限元方程对应的余量、边界...

【专利技术属性】
技术研发人员：周秋景，宋思晗，毛延翩，齐智勇，刘毅，程恒，张春辉，谭大文，雷峥琦，贾凡，侯春尧，都旭煌，
申请(专利权)人：中国长江电力股份有限公司，
类型：发明
国别省市：