本發(fā)明屬于人工智能和大體積混凝土數(shù)值分析交叉的，尤其涉及一種混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)約束區(qū)線彈性應(yīng)力場數(shù)字孿生構(gòu)建方法。

背景技術(shù)：

1、有限元計算中，通過監(jiān)測數(shù)值調(diào)整有限元計算結(jié)果是一項非常重要的工作。例如，在大體積混凝土溫度場計算中，由于混凝土材料參數(shù)和實際參數(shù)普遍存在誤差等原因，需要通過溫度測點(diǎn)的監(jiān)測的結(jié)果修正溫度場才能得到準(zhǔn)確的計算結(jié)果。同樣，大體積混凝土應(yīng)力場計算中，準(zhǔn)確計算混凝土彈性應(yīng)力需要的計算參數(shù)包括溫度變形、容重、彈性模量、線膨脹系數(shù)、自生體積變形、徐變變形等，計算過程中同樣可能存在較大誤差，但目前尚未有通過大體積混凝土應(yīng)力監(jiān)測的結(jié)果構(gòu)建大體積混凝土應(yīng)力場的成果，主要原因如下：

2、(1)以往的應(yīng)力監(jiān)測技術(shù)難以準(zhǔn)確的計算應(yīng)力。以往的應(yīng)力監(jiān)測技術(shù)通過應(yīng)變計測量混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)變，再通過測量得到的混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變計算得到混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，計算時需要用到多個力學(xué)參數(shù)，其數(shù)值難以把握，使得應(yīng)力計算結(jié)果不準(zhǔn)，有時甚至計算得到的混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力規(guī)律失真。

3、(2)以往根據(jù)測點(diǎn)構(gòu)建“場”主要通過插值的方法或修正有限元參數(shù)的方法實現(xiàn)。插值的方式雖然可以保證在測點(diǎn)上不存在誤差，但由于有現(xiàn)實中的各種“場”分布往往不能表達(dá)為簡單的函數(shù)，用插值的方式構(gòu)建應(yīng)力場并不準(zhǔn)確。采用有限元計算分析時，即時在有監(jiān)測數(shù)據(jù)的情況下，調(diào)整的參數(shù)數(shù)量很多，由于一些參數(shù)模型內(nèi)部有較多的常數(shù)，不同區(qū)域混凝土參數(shù)均可能一定的差別，人工優(yōu)化算法和人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)模型在處理多參數(shù)條件時容易陷入局部解而非全局解等一系列原因，目前采用人工或機(jī)器學(xué)習(xí)的手段也難以通過調(diào)整有限元計算參數(shù)的方式獲得“場”。

4、應(yīng)力直接監(jiān)測方面，目前已經(jīng)有了長足的進(jìn)步。專利申請名稱為：基于磁柵位移計的測力計及監(jiān)測混凝土應(yīng)力的方法(申請?zhí)朿n202310581285.1)提供一種基于磁場位移計的測力計、利用該測力計構(gòu)建的大體積混凝土應(yīng)力的監(jiān)測結(jié)構(gòu)及監(jiān)測方法。該專利申請通過磁場位移計測量測力塊頂?shù)酌嬷行狞c(diǎn)的變形，計算被測混凝土的應(yīng)力值。利用該專利申請?zhí)峁┑谋O(jiān)測結(jié)構(gòu)及方法監(jiān)測的混凝土應(yīng)力值與混凝土真實應(yīng)力值相近，為大體積混凝土結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行狀態(tài)提供真實可靠的應(yīng)力數(shù)據(jù)支撐。同時，應(yīng)力監(jiān)測區(qū)域并不一定是應(yīng)力最大的區(qū)域，在應(yīng)力準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上獲得精確的應(yīng)力場，仍是保障結(jié)構(gòu)安全的最有效方式。

5、專利申請名稱為：大體積混凝土數(shù)字孿生溫度場構(gòu)建方法(申請?zhí)朿n202410505018.0)，提供了一種方法，根據(jù)實時獲取的測點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)自動調(diào)整有限元計算結(jié)果。該方法可準(zhǔn)確的構(gòu)建溫度場，構(gòu)建的溫度場的測點(diǎn)溫度計算值和測量值完全重合,誤差控制在任意設(shè)定值范圍內(nèi)，為準(zhǔn)確的構(gòu)建應(yīng)力場提供了準(zhǔn)確的溫度場，同時也為應(yīng)力場的構(gòu)建提供了方向。但溫度場和應(yīng)力場存在較大的差別，目前沒有準(zhǔn)確的應(yīng)力場的構(gòu)建方法。

6、普遍認(rèn)為，混凝土非應(yīng)力變形受約束是混凝土約束區(qū)產(chǎn)生應(yīng)力進(jìn)而開裂的原因。不同于混凝土的表面裂縫，混凝土的基礎(chǔ)約束區(qū)裂縫難以被發(fā)現(xiàn)，且很難被修復(fù)。因此，準(zhǔn)確計算混凝土約束區(qū)域的應(yīng)力進(jìn)而提出合理的溫控措施對大壩安全至關(guān)重要。同時，現(xiàn)有技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)為混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)約束區(qū)線彈性應(yīng)力場數(shù)字構(gòu)建提供了基礎(chǔ)，但目前尚未提出合理的構(gòu)建方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供了一種混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)約束區(qū)線彈性應(yīng)力場數(shù)字孿生構(gòu)建方法，其能夠在混凝土結(jié)構(gòu)約束區(qū)埋置少量的應(yīng)力監(jiān)測探頭即可大幅提高強(qiáng)約束區(qū)線彈性應(yīng)力場的計算精度，隨著測點(diǎn)數(shù)量增加，應(yīng)力場收斂于真實值。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案是：這種混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)約束區(qū)線彈性應(yīng)力場數(shù)字孿生構(gòu)建方法，其包括以下步驟：

3、(1)獲得應(yīng)變調(diào)整方向和應(yīng)力計埋設(shè)位置：

4、取1個單位的自生體積變形對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力計算，得到有限元網(wǎng)格中x、y和z三個方向的應(yīng)力，計算x、y、z三個方向下應(yīng)力和自生體積變形收縮的比值，記為conx、cony和conz，如果h方向滿足：

5、conh＝max(conx,cony,conz)?(2)

6、則h為非應(yīng)力應(yīng)變調(diào)整方向，conh為該點(diǎn)約束度；在混凝土結(jié)構(gòu)的約束區(qū)內(nèi)埋設(shè)若干個應(yīng)力測點(diǎn)，其中一個測點(diǎn)埋設(shè)在約束度最大區(qū)域；

7、(2)計算節(jié)點(diǎn)非應(yīng)力應(yīng)變調(diào)整量：將計算按時間域分步，在每一步內(nèi)進(jìn)行迭代計算，第n步計算第j次迭代計算結(jié)束時計算的應(yīng)力值和測量值的誤差，如果誤差小于允許誤差則停止計算并進(jìn)行第n+1步計算，如果誤差大于允許誤差則根據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力則計算出線彈性應(yīng)力對應(yīng)的應(yīng)變{δεinj}：

8、{δεinj}＝[de]-1{δσinj}?(3)

9、其中，[de]為彈性矩陣，在迭代過程中不斷調(diào)整非應(yīng)力應(yīng)變來修正應(yīng)力場，{δσinj}為測點(diǎn)i第n個時段第j次迭代完成后計算的應(yīng)力；根據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力誤差成因，確定節(jié)點(diǎn)非應(yīng)力應(yīng)變調(diào)整量；

10、(3)計算單元非應(yīng)力應(yīng)變調(diào)整量：在測量點(diǎn)數(shù)量有限的情況下，設(shè)第f倉內(nèi)有g(shù)個測點(diǎn)，設(shè)第f倉內(nèi)有g(shù)個測點(diǎn)，將測點(diǎn)在第n時段的溫度變幅度按從小到大編號排列當(dāng)進(jìn)行第n步計算時，如果高斯點(diǎn)的溫度變化幅度在測點(diǎn)1和測點(diǎn)g溫度變化幅度之間，同時高斯點(diǎn)的約束度在測點(diǎn)mi和mi+k的約束度之間，測點(diǎn)mi和mi+k的約束值相鄰，則該高斯積分點(diǎn)的非應(yīng)力應(yīng)變調(diào)整量為：

11、

12、其中，n表示第n個時段，f表示第f個倉，q表示第q個單元，r表示第q個單元的第r個高斯積分點(diǎn)，δtmi表示第mi個測點(diǎn)在第n個計算步的溫度變幅，δtmi+k表示第mi+k個測點(diǎn)在第n個計算步的溫度變幅，δtqr表示第q個單元的第r個高斯積分點(diǎn)在第n個計算步的溫度變幅；表示第mi+k個測點(diǎn)在第n個計算步的第j+1次迭代計算時的非應(yīng)力應(yīng)變調(diào)整量；表示第mi個測點(diǎn)在第n個計算步的第j+1次迭代計算時的非應(yīng)力應(yīng)變調(diào)整量；為第n個時段，第f個倉，第q個單元，第r個高斯積分點(diǎn)第j+1次迭代計算的非應(yīng)力應(yīng)變調(diào)整量；

13、如果高斯點(diǎn)的溫度小于測點(diǎn)1的溫度變幅或超過測點(diǎn)g溫度變幅，或者高斯點(diǎn)約束度大于測點(diǎn)最小約束度或超過測點(diǎn)最大約束度，則：

14、δt1-k(δtg-δt1)<δtqr<δtg+k(δtg-δt1)?(5)

15、其中，δt1表示第f倉內(nèi)第1個測點(diǎn)在第n個計算步的溫度變幅，δt1表示第f倉內(nèi)第g個測點(diǎn)在第n個計算步的溫度變幅，k為常數(shù)，

16、

17、其中，δtmax為在第n個計算時段時應(yīng)力調(diào)整區(qū)域溫度變化幅度最大值，δtmin為在第n個計算時段時應(yīng)力調(diào)整區(qū)域溫度變化幅度最小值；對于滿足式(5)和式(6)的高斯點(diǎn)，如果測點(diǎn)mi和mi+k的約束度相鄰，高斯點(diǎn)的約束度在測點(diǎn)mi和mi+k的約束度之間，則選取測點(diǎn)mi、mi+k、式(4)進(jìn)行計算；如果高斯點(diǎn)的約束度在測點(diǎn)范圍外，則測點(diǎn)mi和mi+k為高斯點(diǎn)約束度最為接近的兩個點(diǎn)，同時按式(4)進(jìn)行計算；

18、(4)迭代過程中執(zhí)行的有限元計算方法：

19、∫∫t[d]dxdydzδe＝∫∫t[d]{δεn,j}dxdydz+{f}e?(9)

20、其中，j≥2時，根據(jù)有限元基本原理，將式(9)的左邊集成結(jié)構(gòu)整體剛度矩陣，右邊集成荷載矩陣，同時考慮節(jié)點(diǎn)的約束和迭代過程中無外荷載，解出單元的節(jié)點(diǎn)位移δe。

21、本發(fā)明符合字孿生定義的“實現(xiàn)真實復(fù)刻物理實體至數(shù)字空間進(jìn)行虛實映射”的要求，調(diào)整單元節(jié)點(diǎn)力誤差，獲得應(yīng)變調(diào)整方向和應(yīng)力計埋設(shè)位置，計算節(jié)點(diǎn)非應(yīng)力應(yīng)變調(diào)整量，計算單元非應(yīng)力應(yīng)變調(diào)整量，再執(zhí)行有限元計算，因此能夠在混凝土結(jié)構(gòu)約束區(qū)埋置少量的應(yīng)力監(jiān)測探頭即可大幅提高強(qiáng)約束區(qū)線彈性應(yīng)力場的計算精度，隨著測點(diǎn)數(shù)量增加，應(yīng)力場收斂于真實值。