基于神經(jīng)網(wǎng)絡的砂礫石本構模型建立及其計算應用

基于神經(jīng)網(wǎng)絡的砂礫石本構模型建立及其計算應用簡介：人工神經(jīng)網(wǎng)絡的研究和應用為工程技術研究帶來了很大的發(fā)展。本文嘗試利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法建立砂礫石材料的非線性本構模型，并結合工程實例進行了有限元分析計算。提出了對有一定高度的同性材料按不同圍壓進行分區(qū)，并結合神經(jīng)網(wǎng)絡本構模型進行計算的方法；對神經(jīng)網(wǎng)絡在本構模型上應用的特點提出了一點思考體會。關鍵字：神經(jīng)網(wǎng)絡；有限元；沉降；非線性；本構模型1問題的提出巖土材料的應力應變關系即本構關系是研究大多數(shù)巖土問題的基礎，因此也一貫受到眾多專家學者們的重視。幾十年來研究者們針對不同的巖土材料提出了許多本構模型，但基本上都可歸屬于考慮物理因素為參數(shù)的經(jīng)驗公式一類。人工神經(jīng)網(wǎng)絡的研究和應用為工程技術研究帶來了很大的發(fā)展。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡建立土體的本構模型作為一種新興的方法具有一定的優(yōu)勢。理論已經(jīng)證明，對多層B－P神經(jīng)網(wǎng)絡，當隱層神經(jīng)元數(shù)目足夠多時可以以任意精度逼近任何一個具有有限間斷點的非線性函數(shù)【1】。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡建立土體的應力－應變映射關系避免了對土體物理屬性的假定；對于不同類別的土體，可以利用試樣試驗數(shù)據(jù)進行樣本訓練，通過改變網(wǎng)絡的權值來適應不同的映射關系。此外人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型還有以下優(yōu)點：網(wǎng)絡的容錯性可以減除試驗中局部數(shù)據(jù)出錯的影響；網(wǎng)絡的泛化性還可以推測某些未知條件下的量值；通過增加輸入?yún)?shù)的個數(shù)可以考慮更多的因素。但是利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法建立起來的土體本構模型表現(xiàn)形式不同與通常的函數(shù)表達形式,它一般以離散的數(shù)據(jù)形式來表示。如何把這種離散的數(shù)據(jù)形式和有限元工具結合起來運用于實際工程計算中則是個比較困難的問題。目前有很多文章討論了如何利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡直接建立本構模型的方法，但具體如何將之應用于工程實踐計算的不多。2思想方法我們已經(jīng)認識到土體的力學性能在應力作用下不是保持不變的線性關系。但同鋼材等具有明顯屈服點的塑性材料相比，土體在被破壞以前是一個持續(xù)變化的過程。這是由于在應力作用下，土體顆粒間隙以及顆粒本身發(fā)生持續(xù)變化的結果。從試驗結果來看，得到的是一組不同圍壓條件下的曲線。借鑒幾何中求曲線長度時可以利用有限的直線段有效地逼近曲線的真實長度的思路，我們可以用折線段來模擬材料的曲線變化關系。根據(jù)材料試驗曲線的大致變化趨勢，我們可以確定折線段的長度和數(shù)量，然后得到每個轉折點的（應力，應變）坐標，再將之轉化為（應力，彈模）數(shù)組。接著考慮整組曲線，得到一組關于（圍壓，應力，彈模）的三維數(shù)組。最后我們要考慮如何利用這個三維數(shù)組求得圍壓－應力－彈模這三者之間的關系。利用神經(jīng)網(wǎng)絡方法我們可以實現(xiàn)建立土體的本構關系的目的。3神經(jīng)網(wǎng)絡的建立B-P神經(jīng)網(wǎng)絡是指基于誤差反向傳播算法(ErrorBackPropagation,簡稱B-P算法)的多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡，其數(shù)學原理可以用以下示意圖表示：圖1BP網(wǎng)絡數(shù)據(jù)處理示意圖B-P神經(jīng)網(wǎng)絡的建立通常需要利用計算機編程來實現(xiàn)。MATLAB是Mathworks公司于1984年推出的一套數(shù)值計算軟件，分為總包和若干個工具箱，可以實現(xiàn)數(shù)值分析、優(yōu)化、統(tǒng)計、偏微分方程數(shù)值解、自動控制、信號處理、圖像處理等若干個領域的計算和圖像顯示功能。利用MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡工具箱我們可以將繁瑣的編程變成簡潔的集成函數(shù)調用，具體神經(jīng)網(wǎng)絡建立方法步驟如下：（1）根據(jù)問題內容和要求確定數(shù)據(jù)對象作為輸入輸出變量，并提取系列數(shù)據(jù)樣本。（2）根據(jù)問題性質選擇網(wǎng)絡模型結構，包括激活函數(shù)、連接方式和各神經(jīng)元之間的相互作用等。也可以直接選定已經(jīng)封裝的網(wǎng)絡模型。（3）跟據(jù)已確定的網(wǎng)絡模型選擇網(wǎng)絡模型參數(shù)，包括網(wǎng)絡層數(shù)、各層神經(jīng)元的個數(shù)以及權值的初值等。（4）選擇權值的訓練算法以及對訓練結果的誤差要求。（5）利用樣本進行網(wǎng)絡訓練，并根據(jù)訓練結果得到的網(wǎng)絡進行仿真。具體程序略。4模型的確定醋上述吩神經(jīng)網(wǎng)絡巾編程建立騎實際只是井確立了本給構模型的疤框架，真際正針對某得種材料的丹神經(jīng)網(wǎng)絡豐本構模型備必須通過材樣本數(shù)據(jù)竹（試驗結雨果）的訓俗練才能確萬定。妄本文潛利用某設爹計院提供滋的腦S睡中型水庫屬面板堆石菌壩方案的物壩體砂礫吼石料的有嶼關資料進等行計算。難通過對砂容礫石料的罰土工試驗先數(shù)據(jù)整理鳳，建立轟第搞2飲節(jié)中提到群的三維數(shù)缸組（圍壓同，應力，量彈模）如毫下表：表1喜σ娛3斯200幼200饞200閑400泥400測400兄400勇400脾700晃700牢700才700明σ琴1蠻-咬σ盛3駱0蠻500雄1000研0華500廟1000牽1500例2000連0甜500厘1000謙1500辣E事6.67嗎4.00滔1.02粒7.69仁5.88便3.57父1.52朋0.62潮11.1全1雞9.09戶6.25匠4.17續(xù)表1澡σ坐3堡700礎700溝700率1000脊1000慧1000獄1000攪1000稠1000驅1000積1000得1000健σ奧1傘-墻σ鳴3鏟2000愈2500但3000尖0閃500鎮(zhèn)1000括1500若2000悠2500慰3000店3500勤4000咱E法3.33太2.38朽0.89嬌16.6咳7陜14.2煩9斜10弄7.69糟6.67羨5.56憑3.85子2.22織0.80肥染否產將上述整銹理后的樣貼本數(shù)組輸聲入神經(jīng)網(wǎng)務絡進行訓利練，再將請仿真結果閱與目標數(shù)縱據(jù)進行對頭比。通過暈下圖可知澤通過神經(jīng)手網(wǎng)絡的結疏果在試驗企數(shù)據(jù)范圍華內與實際鴿非常吻合膚。綱方形數(shù)據(jù)委點拜“從”華—節(jié)—消仿真結果雞亦十字數(shù)據(jù)殺點煎“拍+欣”械—陡—疫目標數(shù)據(jù)侵圖埋2允石網(wǎng)絡仿真對結果與目約標數(shù)據(jù)吻慶合圖糊由于訪工程實際幕的應力條輩件基本在更試驗范圍或內，所以賞不需要考駐察神經(jīng)網(wǎng)脅絡的泛化潤性，我們脾就基本可肢以將得到俯的神經(jīng)網(wǎng)礎絡本構模奴型應用于哥本工程的律計算。森5志聽計算應用殖利用慌上述得到臘的神經(jīng)網(wǎng)因絡模型，及結合有限揀元計算工粱具計表算衣S蝕水庫面板混堆石壩竣敬工后正常堅蓄水條件順下的壩體覆沉降。壩宮體主要分蟻混凝土面舉板和堆石假體二部分礙。其中堆螺石體中包顯括一些較坡薄的過渡研層和排水老層，考慮默其較薄，胸對沉降影紫響不大，陵統(tǒng)一按壩莫體砂礫石撞料看待，罰同時簡化胃一些壩頂憐結構。繪方法步驟阿如下：首廢先是將壩顧體砂礫石輕料整體視僑作一個線俱彈性體，惰賦予一個源統(tǒng)一的掀（拜E疾，嘴μ德）值進行紙試算。通微過試算得暢到的應力刻分布大致駐劃分好壩粘體砂礫石救料區(qū)域后負；其次就弟是根據(jù)各杠區(qū)域的大躍概平均圍卸壓，通過海建好的神成經(jīng)網(wǎng)絡推舞求各自區(qū)郵域砂礫石礙料的應力殘應變關系燕，也就是返說將材料捧的神經(jīng)網(wǎng)尋絡模型轉顧化為多個播不同圍壓夕下的多線向性模型；閃最后通過犬有限元計失算程序轉ansy妄s贊的非線性范求解（將究得到的多笨線性模型錦輸瞇入唇ANSY敵S館內置的等巖向強化若（蔽Mult待ilin賊ear孕Isot悅ropi明c衣）模型）籃，我們可甘以得到到玩壩體大致倉的應力分攪布和壩頂貿沉降。截圖溝3另膚壩體計算熟分區(qū)圖米積澡圖濕4皮開壩體各區(qū)床域非線性跡模型折線生圖鞠衣圖矮5閥武變形（放錢大）輪廓協(xié)圖6結語司神經(jīng)行網(wǎng)絡建立漿本構模型伶方法作為蓮一種新型羅的方法，士一個突出斥特點就是智比較直觀邀和易于理必解。概括慘的說，就輝是將三軸際試驗得到送的不同圍歐壓條件下廟的應力應蟲變曲線組改中的關鍵帝信息提取裁出來，利虧用人工神脊經(jīng)網(wǎng)絡已且被證明的賓非線性映愈射功能建停立隱含在壓網(wǎng)絡中的可函數(shù)關系政。它避免墳了將這些屢曲線的過建多轉化和萍經(jīng)驗公式寸的假定，搬同時也避旁免引入過每多的計算膽參數(shù)。臣基于膨人工神經(jīng)逢網(wǎng)絡的多吳線性本構竟模型另一諒個比較重滔要的特點雪就是它的取適用性。詞在統(tǒng)一的獻建模方法岸和固定的推程序下，悄通過不同民的輸入數(shù)帝據(jù)可以產絹生不同的逆神經(jīng)網(wǎng)絡點來對應不天同的巖土頑材料。形霉象地說，玩就是函數(shù)美關系變了德，但是求趁解函數(shù)的繪方法不變畢。杯但是腿我們也看假到，與傳巨統(tǒng)模型建腹立在已有連大量試驗瀉基礎上不溉同的是基槍于人工神刻經(jīng)網(wǎng)絡的扮本構模型理在每次分碼析前都是澡從無到有沃，建立模尿型（推求荷網(wǎng)絡）和冶應用計算喜同時進行盜，也就是捏說這些成比果都是僅鑒僅建立在決現(xiàn)有的資活料結果上稿的。這一逢方面加強腥了模型的省針對性，拾同時也可鬧能帶來計綱算的不穩(wěn)易定性。干另外仔由于神經(jīng)驗網(wǎng)絡非線逼性映射的耀單一性使態(tài)對考慮土嫩的應力歷傳史和反復朋應力滯回臣環(huán)帶來了艘困難。在隨這兒有兩徹個發(fā)展的糠方向：一產是發(fā)展神嶼經(jīng)網(wǎng)絡理桶論，改善蝦它的映射膠能力；二壽是改變土只應力的表去示方法，銅使其適應遠神經(jīng)網(wǎng)絡脾方法。餓參考文獻寫：記指且[1左]注韓力午群爛.粉俊人工神經(jīng)浪網(wǎng)絡理瓜論倆.批尺北迷京滲:梯磨設計及應柿用化學工盾業(yè)出版社節(jié)，備2002罵.害負厲[2型]個濮家騮栽等凡.偏拳土的本構拿關系及其叨驗證與應帆用捆.籃扒巖土工程俯學報剃，見1986枕.01,祝8(1)敬:.15暖-19.盾[13]責稠叉[3房]逃劉疤濤疫,曲玻楊鳳耀鵬嶄.明織精捧通胸ANSY素S.閑內北姨京中:礎