一种基于知识-数据双驱动的排水管道力学性能评估方法技术

本发明专利技术公开了一种基于知识

【技术实现步骤摘要】
一种基于知识
‑
数据双驱动的排水管道力学性能评估方法


[0001]本专利技术涉及深度学习与管道缺陷三维检测的交叉学科领域，具体涉及一种基于知识
‑
数据双驱动的排水管道力学性能评估方法
。

技术介绍

[0002]作为城市地下的生命线，埋地混凝土排水管是保障城市居民日常生活和生命财产安全的基础设施
。
近年来，随着居民物质文化需求的不断提高，中国埋地排水管道的改造和新建规模逐年呈指数式增长
。
然而，国内早期建造的混凝土排水管并没有得到足够的长期照顾
。
随着时间的推移，混凝土管道可能会出现开裂
、
接缝渗漏
、
旋转或交错的接缝
。
这些缺陷会造成流体泄漏，削弱管道层理材料，导致小颗粒物质随地下水渗入管道而流失，在管道仰拱处形成侵蚀空洞
。
然而，这一过程会随着管道使用寿命的增加而持续，当侵蚀空隙足够大时，最终会显著影响管道的使用性能
。
[0003]排水管道的有限元模拟是一种常用的数值计算方法，用于求解各种工程和科学问题，可以帮助工程师评估管道系统的性能
、
进行优化设计和解决问题
。
有限元方法基于将连续问题离散化为有限数量的子域
(
有限元
)
，然后通过对子域之间的关系进行建模，使用数值技术来求解方程
。
在有限元方法中，通常将问题表示为一组偏微分方程，以求解未知数
(
如位移
、
应力或温度
)
在离散化域中的分布
。
这些方程可以是静态或动态的，并可能涉及线性或非线性材料行为
。
有限元方法在工程结构分析
、
流体力学
、
热传导等领域中得到广泛应用
。
[0004]但上述有限元方法在实际应用中需要将问题离散化，同时存在数据量依赖大且精度低的问题

技术实现思路

[0005]针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供了一种基于知识
‑
数据双驱动的排水管道力学性能评估方法，主要包括对力学模型进行分析
、
获取排水管道实测数据和模拟数据并对其进行数据扩增以及构建基于知识
‑
数据双驱动的神经网络对获取的排水管道数据进行模拟的过程，具有精度高，数据量依赖小的特点
。
[0006]为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0007]一种基于知识
‑
数据双驱动的排水管道力学性能评估方法，包括以下步骤：
[0008]S1、
基于弹性力学的排水管道力学模型，构建排水管道弹性力学基本方程以及边界条件；
[0009]S2、
利用排水管道足尺实验获取排水管道实测数据，利用有限元分析软件获取排水管道模拟数据；
[0010]S3、
采用合成少数过采样技术将步骤
S2
中获取的排水管道实测数据和排水管道模拟数据进行扩增，得到基于扩增的排水管道实测数据和排水管道模拟数据的训练集数据；
[0011]S4、
构建基于知识
‑
数据双驱动的神经网络，将步骤
S3
中得到的基于扩增的排水管
道实测数据和排水管道模拟数据的训练集数据输入基于知识
‑
数据双驱动的神经网络进行参数优化训练，并利用步骤
S1
中构建的排水管道弹性力学基本方程以及边界条件对基于知识
‑
数据双驱动的神经网络的参数进行优化；
[0012]S5、
采用
k
折交叉验证方法对步骤
S4
中参数优化的基于知识
‑
数据双驱动的神经网络进行训练，得到性能最优的基于知识
‑
数据双驱动的神经网络；
[0013]S6、
获取排水管道中的真实数据，并将获取的排水管道中的真实数据输入步骤
S5
中得到的性能最优的基于知识
‑
数据双驱动的神经网络进行模拟，得到排水管道各处的位移值
、
应力值以及应变值，并依据混凝土弹性屈服强度对排水管道力学性能进行评估
。
[0014]进一步的，步骤
S1
具体包括：
[0015]S11、
基于弹性力学的排水管道力学模型，构建排水管道力学模型模拟的弹性力学基本方程，即：
[0016][0017]其中，
PDE
i
表示弹性力学基本方程，
E
表示混凝土弹性模量，
μ
表示混凝土泊松比，为拉普拉斯算子，
f
x
、f
y
、f
z
分别表示排水管道上点
(x
，
y
，
z)
处
x
，
y
，
z
方向上的体力分量，
θ
表示体应变，
u
，
v
，
w
分别表示排水管道上点
(x
，
y
，
z)
处
x
，
y
，
z
方向的位移；
[0018]S12、
基于弹性力学的排水管道力学模型，根据排水管道内表面主应力
、
排水管道外表面受覆土均布荷载，构建边界条件方程，即：
[0019][0020]其中，
PDE
b
表示边界条件方程，分别表示排水管道表面一点
(x
，
y
，
z)
处的面力分量，
l、m
分别表示点
(x
，
y
，
z)
外法线与
x
轴的正方向夹角的余弦
、
点
(x
，
y
，
z)
外法线与
y
轴的正方向夹角的余弦，
σ
x
、
σ
y
、
σ
z
分别表示
x
轴
、y
轴和
z
轴方向的正应力，
τ
yx
、
τ
xy
分别表示微元体
y
面上
x
轴方向的切应力和
x
面上
y
轴方向的切应力
。
[0021]进一步的，步骤
S2
具体包括：
[0022]S21、
在排水管道足尺实验中安装应变传感器获取排水管道实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于知识
‑
数据双驱动的排水管道力学性能评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、
基于弹性力学的排水管道力学模型，构建排水管道弹性力学基本方程以及边界条件；
S2、
利用排水管道足尺实验获取排水管道实测数据，利用有限元分析软件获取排水管道模拟数据；
S3、
采用合成少数过采样技术将步骤
S2
中获取的排水管道实测数据和排水管道模拟数据进行扩增，得到基于扩增的排水管道实测数据和排水管道模拟数据的训练集数据；
S4、
构建基于知识
‑
数据双驱动的神经网络，将步骤
S3
中得到的基于扩增的排水管道实测数据和排水管道模拟数据的训练集数据输入基于知识
‑
数据双驱动的神经网络进行参数优化训练，并利用步骤
S1
中构建的排水管道弹性力学基本方程以及边界条件对基于知识
‑
数据双驱动的神经网络的参数进行优化；
S5、
采用
k
折交叉验证方法对步骤
S4
中参数优化的基于知识
‑
数据双驱动的神经网络进行训练，得到性能最优的基于知识
‑
数据双驱动的神经网络；
S6、
获取排水管道中的真实数据，并将获取的排水管道中的真实数据输入步骤
S5
中得到的性能最优的基于知识
‑
数据双驱动的神经网络进行模拟，得到排水管道各处的位移值
、
应力值以及应变值，并依据混凝土弹性屈服强度对排水管道力学性能进行评估
。2.
根据权利要求1所述的一种基于知识
‑
数据双驱动的排水管道力学性能评估方法，其特征在于，步骤
S1
具体包括：
S11、
基于弹性力学的排水管道力学模型，构建排水管道力学模型模拟的弹性力学基本方程，即：其中，
PDE
i
表示弹性力学基本方程，
E
表示混凝土弹性模量，
μ
表示混凝土泊松比，为拉普拉斯算子，
f
x
、f
y
、f
z
分别表示排水管道上点
(x,y,z)
处
x
，
y
，
z
方向上的体力分量，
θ
表示体应变，
u
，
v
，
w
分别表示排水管道上点
(x,y,z)
处
x
，
y
，
z
方向的位移；
S12、
基于弹性力学的排水管道力学模型，根据排水管道内表面主应力
、
排水管道外表面受覆土均布荷载，构建边界条件方程，即：其中，
PDE
b
表示边界条件方程，分别表示排水管道表面一点
(x,y,z)
处的面力分
量，
l、m
分别表示点
(x,y,z)
外法线与
x
轴的正方向夹角的余弦
、
点
(x,y,z)
外法线与
y
轴的正方向夹角的余弦，
σ
x
、
σ
y
、
σ
z
分别表示
x
轴
、y
轴和
z
轴方向的正应力，
τ
yx
、
τ
xy
分别表示微元体
y
面上
x
轴方向的切应力和
x
面上
y
轴方向的切应力
。3.
根据权利要求1所述的一种基于知识
‑
数据双驱动的排水管道力学性能评估方法，其特征在于，步骤
S2
具体包括：
S21、
在排水管道足尺实验中安装应变传感器获取排水管道实测数据；
S22、
利用
Abaqus
软件提供的建模工具将排水管道建模为有限元模型，并将排水管道系统划分为小的单元；
S23、
在
Abaqus
软件中指定排水管道材料的力学性质以及设置有限元模型的加载和约束条件；
S24、
运行
Abaqus
软件对建立的有限元模型进行模拟分析，将有限元模型和输入条件传递给求解器进行计算，得到排水管道系统在不同条件下的应力值
、
应变值以及位移值；
S25、
利用
Abaqus
软件的后处理工具，将步骤
S24
得到的排水管道系统在不同条件下的应力值
、
应变值以及位移值导出为可视化模拟结果，得到排水管道模拟数据
。4.
根据权利要求1所述的一种基于知识
‑
数据双驱动的排水管道力学性能评估方法，其特征在于，步骤
S3
具体包括：
S31、
采用
k
近邻算法，计算出步骤
S2
中排水管道实测数据与排水管道模拟数据样本的
k
个近邻；
S32...

【专利技术属性】
技术研发人员：方宏远，王念念，马铎，狄丹阳，李斌，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：