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专利号: 2022104029959
申请人: 河海大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-10-14
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.rPCK代理模型辅助的结构动参数辨识方法,其特征在于,包括以下步骤:将待分析结构系统按设定比例缩放后,得到概略反映待分析结构系统的有限元模型;

由先验知识确定有限元模型中动参数服从的概率分布函数,根据概率分布函数利用拉丁超立方采样法生成动参数空间样本集;其中,动参数包括:坝体动弹模,坝体密度,坝体泊松比,坝基动弹模,坝基密度和坝基泊松比;

采用概率有限元分析动参数空间样本集,建立动参数空间样本集驱动的结构系统响应空间样本集;

将动参数空间样本集映射到结构系统响应空间样本集,得到鲁棒多项式混沌‑克里金代理模型;

以实测的待分析结构系统响应驱动鲁棒多项式混沌‑克里金代理模型,采用贝叶斯推断对待分析结构系统进行结构动参数辨识,以贝叶斯后验估计均值作为坝体动弹模,坝体密度,坝基动弹模和坝基密度的结构动参数估计值;

其中,利用下式得到鲁棒多项式混沌‑克里金代理模型式中,Y是代理模型预测的结构系统响应,M是未知的结构动参数变量的个数, 是M维自然数向量集合,βα是待定的多项式展开系数,α是M维基函数索引下标,X={x1,x2,...,2

xM}是未知的结构动参数向量, 是高斯过程索引,Dx是x的参数空间,σ是高斯过程的方差,Z(x)是具有零均值和协方差函数的高斯过程;

式中,ψα(X)是关于X的联合概率密度函数正交的多变量基函数,式中,αi是多项式次数, 是对应αi的第i个变量中的一元正交多项式,xi是未知的结构动参数向量X中第i个单变量;

所述采用贝叶斯推断对待分析结构系统进行结构动参数辨识的步骤包括:当未知的结构动参数向量X不能直接测量时,建立N个独立的测量yi并收集在观测结果中;

引入差异项将x与y联系起来,得到计算模型

2

式中, 是描述实验观测和模型预测之间差异的差异项,并且ε~N(ε|0,σ);

根据 计算X中有限元模型参数xM和差异参数xε;利用模型参数xM表征未知的结构动参数向量X。

2.根据权利要求1所述的rPCK代理模型辅助的结构动参数辨识方法,其特征在于,所述得到鲁棒多项式混沌‑克里金代理模型 的步骤还包括:采用最小角回归法计算鲁棒多项式混沌‑克里金代理模型 中待定的展开系数βα;

校准鲁棒多项式混沌‑克里金代理模型 中的Z(x)。

3.根据权利要求2所述的rPCK代理模型辅助的结构动参数辨识方法,其特征在于,根据下式采用最小角回归法计算鲁棒多项式混沌‑克里金代理模型中待定的展开系数βα,式中β是多项式展开系数向量,是使得数学期望达到最小值的多项式系数, 是截断后的自然数向量集合,其中 是截断误差, 是多项式基数的多索引截断集,p是多项式阶数,λ是惩罚项的惩罚因子,||β||1是多项式展开系数向量的范数;

是强制最小化以支持低秩解决方案的正则化项,

4.根据权利要求2所述的rPCK代理模型辅助的结构动参数辨识方法,其特征在于,所述校准鲁棒多项式混沌‑克里金代理模型 中的Z(x)的步骤包括:将Z(x)定义如下:

2

Z(x)=Cov(Z(xi),Z(xj))=σR(xi,xj;θ)T

式中,Z(xi)是观测值,Z(xj)是新插值,R(xi,xj;θ)是用超参数θ=[θ1,...,θn] 描述观测值Z(xi)和新插值Z(xj)之间相似性的函数,xi和xj是结构系统响应空间的一对采样点;

根据下式采用最大似然估计方法对超参数θ进行估计,式中,Dθ是θ的参数空间,R是R(xi,xj;θ)的简写。

5.根据权利要求1所述的rPCK代理模型辅助的结构动参数辨识方法,其特征在于,根据观测结果 计算未知的结构动参数向量X中模型参数xM和差异参数xε的步骤包括:

得到有限元模型参数xM和差异参数xε的联合先验分布如下,2

π(x)=π(xM)π(σ)

根据观测结果 得到有限元模型参数xM的似然函数如下,式中N是实测的待分析结构系统响应参数的个数,Nout是代理模型预测的待分析结构系统响应参数的个数;

根据有限元模型参数xM和差异参数xε的联合先验分布以及xM的似然函数,获得xM的后验分布如下,式中,Z是分布积分为1的归一化因子,

式中,Dx是x的参数空间;

根据下式基于模型参数xM的后验分布以第一个统计矩表征未知的结构动参数向量X,E[X|Y]=∫Dxxπ(x|Y)dx。

6.根据权利要求5所述的rPCK代理模型辅助的结构动参数辨识方法,其特征在于,根据下式通过后验协方差矩阵量化点估计的不确定性,T

Cov[X|Y]=∫Dx(x‑E[X|Y])(x‑E[X|Y])π(x|Y)dx。

7.根据权利要求1所述的rPCK代理模型辅助的结构动参数辨识方法,其特征在于,还包括:利用动参数空间样本集、结构系统响应空间样本集构建待分析结构系统样本谱;

基于结构系统样本谱生成预测模型,直至预测模型精度满足要求,将预测模型作为鲁棒多项式混沌‑克里金代理模型;否则,重复生成动参数空间样本集和系统响应空间样本集,利用新得到的动参数空间样本集和系统响应空间样本集建立预测模型,直至预测模型精度满足要求。

8.根据权利要求1所述的rPCK代理模型辅助的结构动参数辨识方法,其特征在于,还包括:采用结构动参数估计值建立结构系统的高保真有限元模型;

比较高保真模型的系统响应和实测的结构系统响应。