基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)挖掘與細(xì)胞自動(dòng)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(zhǎng)期存在但又沒(méi)有深入研究的問(wèn)題。目前，對(duì)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(yàn)與統(tǒng)計(jì)參數(shù)分析，并未給出基于理論與實(shí)驗(yàn)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(yàn)結(jié)果接近的預(yù)測(cè)結(jié)果。
　　本文通過(guò)對(duì)砌體結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)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(guò)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(dòng)機(jī)等智能技術(shù)，對(duì)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(cè)精度，達(dá)到更精確地預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)反應(yīng)的目的。
　　首

3、先，對(duì)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(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，重點(diǎn)考察了對(duì)比數(shù)值的趨勢(shì)性與分布，從中顯現(xiàn)了一個(gè)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(gè)區(qū)域，如果結(jié)構(gòu)內(nèi)兩個(gè)局部區(qū)域的相對(duì)位置類似、以及控制兩個(gè)區(qū)域的約束類型類似，則相應(yīng)的理論與試驗(yàn)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(duì)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(duì)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(jì)算的位移值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)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(shuō)，不同結(jié)構(gòu)上的兩個(gè)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(gè)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(guò)三組試驗(yàn)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(jì)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(yàn)結(jié)果，尤其是在墻板中間區(qū)域，有限元的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合更好。
　　這樣，通過(guò)簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)挖掘得到了試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的各個(gè)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(lái)的“隨機(jī)量”中提取出來(lái)，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(shí)地反映實(shí)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(dòng)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(dòng)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(shuō)，本文給出了一種計(jì)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(guò)聚類分析建立了類似區(qū)域的匹配準(zhǔn)則。同時(shí)，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(jì)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(yàn)證上面提出的新概念新方法。除應(yīng)用前三組試驗(yàn)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(yàn)墻板SB06作為基礎(chǔ)板，預(yù)測(cè)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(cè)板的幾何尺寸不一致，應(yīng)用細(xì)胞自動(dòng)機(jī)模型時(shí)，對(duì)傳遞函數(shù)初值和傳遞系數(shù)進(jìn)行修正，提出長(zhǎng)度和高度兩個(gè)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(guò)修正系數(shù)調(diào)整待預(yù)測(cè)板的邊界初始值和傳遞系數(shù)，從而匹配出兩