一种桥梁全局应变场快速计算方法技术

本发明专利技术公开了一种桥梁全局应变场快速计算方法，涉及桥梁结构健康监测领域，包括：首先基于有限元仿真，生成全桥采样位置应力仿真数据；再基于全桥采样位置应力仿真数据，对计算模型进行有监督训练；最后将桥梁应力传感器的实时测量数据作为输入，由训练好的计算模型进行全桥应力快速计算；本发明专利技术，实现了全过程全自动处理的随机桥面荷载作用下桥梁有限元模型的计算工作流的建立

【技术实现步骤摘要】
一种桥梁全局应变场快速计算方法


[0001]本专利技术涉及桥梁结构健康监测领域，具体涉及一种桥梁全局应变场快速计算方法
。

技术介绍

[0002]本节中的陈述仅提供与本公开相关的背景信息，并且可能不构成现有技术
。
[0003]在桥梁结构健康监测过程中，目前常采用应变传感器来监测控制截面的应力应变情况；而由于传感器的数量是有限的，所有这些监测数据不能全面地反映整体桥梁结构的所有截面的应力应变状况
。
[0004]为得到桥梁全局应力应变场分布，目前往往是将应变传感器实测数据迭代到原桥梁有限元模型中，从而得出整体桥梁结构的应力应变状况，但这种方法是线下操作并且一般计算成本较高
(
普通计算终端配置下，耗时较久
)
，从而不能有效地实时了解到桥梁整体应力应变响应状况
。

技术实现思路

[0005]本专利技术为有效地解决通过关键截面的有限数量的监测数据，实时了解桥梁全局应变场分布状况，提出了一种桥梁全局应变场快速计算方法，其利用机器学习的方法，开发了一个快速实时计算整体桥梁全局应变场的计算框架体系，对于桥梁结构健康监测技术的全局适用性与时效性，实现了技术性提升
。
[0006]本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种桥梁全局应变场快速计算方法，包括：
[0008]步骤
S1
：基于有限元仿真，生成全桥采样位置应力仿真数据；
[0009]步骤
S2
：基于全桥采样位置应力仿真数据，对计算模型进行有监督训练；
[0010]步骤
S3
：将桥梁应力传感器的实时测量数据作为输入，由训练好的计算模型进行全桥应力快速计算
。
[0011]进一步地，所述步骤
S1
，包括：
[0012]步骤
S11
：根据桥梁图纸建立有限元模型；
[0013]步骤
S12
：通过特定随机采样方法，从有限元模型中得到全桥采样位置应力仿真数据
。
[0014]进一步地，所述步骤
S12
，包括：
[0015]对有限元模型施加各种随机荷载工况，通过在大桥路面随机增加符合现实的白噪声压力，进而模拟出各种可能遇到的情况并施加于有限元模型，在此基础上生成大量的仿真实验应变数据，统称为全桥采样位置应力仿真数据
。
[0016]进一步地，所述计算模型为多层感知机，通过多层感知机，来拟合符合实际桥梁应力偏微分方程的应变场的解析数值解，进而在此基础上实现桥梁全局应变场应力的实时解算
。
[0017]进一步地，所述多层感知机，包括：
[0018][0019]其中：
[0020]n
为有限元方法仿真计算出的全桥所有点位的数值；
[0021]m
为去掉验证点位之后对应的输入点位的数值；
[0022]F
为神经网络；
[0023]θ
为被训练求解的网络参数
。
[0024]进一步地，还包括：
[0025]步骤
S4
：基于方差分析和
physics
‑
informed
的启发式自检查验证点位筛选
。
[0026]进一步地，所述步骤
S4
，包括：
[0027]步骤
S41
：根据结合方差筛选的验证点位的测量值和计算模型输出的验证点位的输出值，计算残差；
[0028]步骤
S42
：将残差同阈值比较，判断计算模型是否有误，进而及时发出报警
。
[0029]进一步地，所述步骤
S42
，包括：
[0030]当残差高于阈值，则报警；
[0031]当残差低于阈值，则判断计算模型正常
。
[0032]与现有的技术相比本专利技术的有益效果是：
[0033]一种桥梁全局应变场快速计算方法，包括：步骤
S1
：基于有限元仿真，生成全桥采样位置应力仿真数据；步骤
S2
：基于全桥采样位置应力仿真数据，对计算模型进行有监督训练；步骤
S3
：将桥梁应力传感器的实时测量数据作为输入，由训练好的计算模型进行全桥应力快速计算；其设计搭建完整的一套从云端数据生成
、
模型训练到桥梁大桥端实时推理分析的工具链；并应用训练好的神经网络的高效推理能力来可以实现桥梁全局应变场全桥体应力的实时快速计算；实现了全过程全自动处理的随机桥面荷载作用下桥梁有限元模型的计算工作流的建立
。
附图说明
[0034]图1为一种桥梁全局应变场快速计算方法的流程图；
[0035]图2为单隐藏层多层感知机网络示意图；
[0036]图3为结果自检查方法流程图；
[0037]图4为通过本专利技术提出的计算方法生成的截面应变场应力示意图
。
具体实施方式
[0038]需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序
。
而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程
、
方法
、
物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程
、
方法
、
物品或者设备所固有的
要素
。
在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程
、
方法
、
物品或者设备中还存在另外的相同要素
。
[0039]下面结合实施例对本专利技术的特征和性能作进一步的详细描述
。
[0040]实施例一
[0041]请参阅图1，一种桥梁全局应变场快速计算方法，具体包括如下步骤：
[0042]步骤
S1
：基于有限元仿真，生成全桥采样位置应力仿真数据；即在本实施例中，其核心是利用有限元法进行桥梁全局应变场快速计算，而有限元法本身是一种常见的求解偏微分方程的数值方法；
[0043]步骤
S2
：基于全桥采样位置应力仿真数据，对计算模型进行有监督训练；
[0044]步骤
S3
：将桥梁应力传感器的实时测量数据作为输入，由训练好的计算模型进行全桥应力快速计算；优选地，可将训练好的计算模型部署在用于接收桥梁应力传感器的实际监测数据的的边缘计算单元上，来实现对全桥应变应力的实时求解和分析；具体的，图4给出了该计算模型推理生成的截面应变场应力示意图
。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种桥梁全局应变场快速计算方法，其特征在于，包括：步骤
S1
：基于有限元仿真，生成全桥采样位置应力仿真数据；步骤
S2
：基于全桥采样位置应力仿真数据，对计算模型进行有监督训练；步骤
S3
：将桥梁应力传感器的实时测量数据作为输入，由训练好的计算模型进行全桥应力快速计算
。2.
根据权利要求1所述的一种桥梁全局应变场快速计算方法，其特征在于，所述步骤
S1
，包括：步骤
S11
：根据桥梁图纸建立有限元模型；步骤
S12
：通过特定随机采样方法，从有限元模型中得到全桥采样位置应力仿真数据
。3.
根据权利要求2所述的一种桥梁全局应变场快速计算方法，其特征在于，所述步骤
S12
，包括：对有限元模型施加各种随机荷载工况，通过在大桥路面随机增加符合现实的白噪声压力，进而模拟出各种可能遇到的情况并施加于有限元模型，在此基础上生成大量的仿真实验应变数据，统称为全桥采样位置应力仿真数据
。4.
根据权利要求1所述的一种桥梁全局应变场快速计算方法，其特征在于，所述计算模型为多层感知机，通过多层感知机，来拟合符合实际桥梁应力偏微分方程的应变场的解析数值解，进而在此基础上实现桥梁全局应变...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴旺林，韩丰泽，张攀，
申请(专利权)人：深圳诚科工程咨询有限公司，
类型：发明
国别省市：