基于實驗數(shù)據(jù)挖掘與細(xì)胞自動機(jī)的結(jié)構(gòu)分析方法.pdf

1、傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析技術(shù)，以有限單元法為代表，都是基于本構(gòu)關(guān)系和機(jī)理的結(jié)構(gòu)工作性能的研究，并應(yīng)用于所有工程領(lǐng)域。然而，結(jié)構(gòu)本身變異性導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)反應(yīng)與理論分析結(jié)果的差別，是長期存在但又沒有深入研究的問題。目前，對于變異性的研究，一般處理為隨機(jī)的變異系數(shù)，再與結(jié)構(gòu)的某些物理參數(shù)相結(jié)合。這樣處理變異性的方法，雖然能反映結(jié)構(gòu)的變異性，但是存在局限性和片面性，緣于這種方法只是經(jīng)驗與統(tǒng)計參數(shù)分析，并未給出基于理論與實驗的結(jié)構(gòu)變異性模型，自然在諸如砌體結(jié)構(gòu)

2、的一些有限元分析中，很難得到與試驗結(jié)果接近的預(yù)測結(jié)果。
　　本文通過對砌體結(jié)構(gòu)實驗與理論分析的結(jié)果觀察研究發(fā)現(xiàn)：結(jié)構(gòu)變異性不是完全隨機(jī)的因素，過去按隨機(jī)因素處理的變異性中存在確定性，而且這種確定性與結(jié)構(gòu)構(gòu)造（幾何，約束）有關(guān)。因此，就激發(fā)了這樣的想法：應(yīng)用最新的分析理論，例如數(shù)據(jù)挖掘與細(xì)胞自動機(jī)等智能技術(shù)，對這種確定性進(jìn)行提煉建模，然后反饋到現(xiàn)有分析技術(shù)中，改進(jìn)分析方法，提高預(yù)測精度，達(dá)到更精確地預(yù)測結(jié)構(gòu)反應(yīng)的目的。
　　首

3、先，對大量不同幾何尺寸，不同邊界約束條件和不同受力方式的砌體墻板進(jìn)行理論數(shù)值與試驗結(jié)果的對比分析，重點(diǎn)考察了對比數(shù)值的趨勢性與分布，從中顯現(xiàn)了一個規(guī)律性，即在同一墻板或者任意幾何與約束性質(zhì)不同的墻板內(nèi)的各個區(qū)域，如果結(jié)構(gòu)內(nèi)兩個局部區(qū)域的相對位置類似、以及控制兩個區(qū)域的約束類型類似，則相應(yīng)的理論與試驗數(shù)比值或者比值的局部分布模式就“相同”。據(jù)此，本文提出了結(jié)構(gòu)局域性質(zhì)的概念，以描述結(jié)構(gòu)區(qū)域在相對位置與約束性質(zhì)上的類似。這樣，就有了結(jié)構(gòu)局域

4、性質(zhì)數(shù)據(jù)挖掘的雛形，從而又提出了對于其它結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，獲得局域性質(zhì)系數(shù)的方法。
　　進(jìn)而，本文提出，將有限元分析計算的位移值與試驗實測位移值的比值定義為局域性質(zhì)系數(shù)。局域性質(zhì)系數(shù)的意義體現(xiàn)在類似結(jié)構(gòu)局部區(qū)域的性質(zhì)類似，就是說，不同結(jié)構(gòu)上的兩個類似區(qū)域具有近似或相同的局域性質(zhì)系數(shù)。因此，可以應(yīng)用局域性質(zhì)系數(shù)修正砌體墻板的有限元模型，具體做法：先將全局彈性模量與各個區(qū)域的局域性質(zhì)系數(shù)相乘，使結(jié)構(gòu)不同區(qū)域的彈性模量不同；再進(jìn)行結(jié)

5、構(gòu)的有限元分析。通過三組試驗墻板（豎向荷載作用墻板、橫向荷載作用小墻、橫向荷載作用墻板）的計算表明：應(yīng)用局域性質(zhì)系數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的有限元分析，得到的分析結(jié)果更接近于試驗結(jié)果，尤其是在墻板中間區(qū)域，有限元的結(jié)果與試驗結(jié)果吻合更好。
　　這樣，通過簡單數(shù)據(jù)挖掘得到了試驗結(jié)構(gòu)的各個局域性質(zhì)系數(shù)，該方法能將結(jié)構(gòu)一部分本是確定的“變異量”從原來的“隨機(jī)量”中提取出來，使這部分確定性的結(jié)構(gòu)性質(zhì)定量地體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)分析中，使分析結(jié)果更真實地反映實際情況

6、。
　　接著，本文探討了類似區(qū)域的性質(zhì)以及匹配準(zhǔn)則。由于在表現(xiàn)區(qū)域狀態(tài)以及自動匹配類似區(qū)域上的困難，本文借用了 ZHOU最早在砌體墻板分析中建立的細(xì)胞自動機(jī)應(yīng)用技術(shù)，并將其拓展到其它結(jié)構(gòu)體系，給出了相應(yīng)的狀態(tài)值的算法。也就是說，本文給出了一種計算各種結(jié)構(gòu)局部區(qū)域狀態(tài)值的統(tǒng)一公式，并通過聚類分析建立了類似區(qū)域的匹配準(zhǔn)則。同時，為甄別類似區(qū)域匹配準(zhǔn)則的適用范圍，定義了結(jié)構(gòu)相似度的概念，給出了結(jié)構(gòu)相似度的計算公式，量化了匹配結(jié)果準(zhǔn)確性的

7、判斷。
　　最后，以算例驗證上面提出的新概念新方法。除應(yīng)用前三組試驗墻板提煉的局域性質(zhì)系數(shù)修正各自的有限元模型進(jìn)行分析外，重新選擇第四組試驗墻板SB06作為基礎(chǔ)板，預(yù)測橫向荷載作用墻板的不同變形行為。由于基礎(chǔ)板和待預(yù)測板的幾何尺寸不一致，應(yīng)用細(xì)胞自動機(jī)模型時，對傳遞函數(shù)初值和傳遞系數(shù)進(jìn)行修正，提出長度和高度兩個方向的修正系數(shù)公式。在基礎(chǔ)板邊界初始值和傳遞系數(shù)不變的情況下，通過修正系數(shù)調(diào)整待預(yù)測板的邊界初始值和傳遞系數(shù)，從而匹配出兩