[發(fā)明專利]一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的顆粒體系宏觀應(yīng)力波動預(yù)測方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110547077.0
• 申請日: 2021-05-19
• 公開（公告）號: CN113361184B
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 馬剛;梅江洲;肖海斌;周偉;曹學(xué)興;常曉林
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 主分類號: G06F30/25
• 分類號: G06F30/25;G06F30/27;G06F119/14
• 代理公司: 武漢智權(quán)專利代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42225
• 代理人: 牛晶晶

本發(fā)明涉及一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的顆粒體系宏觀應(yīng)力波動預(yù)測方法，其包括以下步驟：基于顆粒的微觀塑性行為和高斯核函數(shù)的粗粒化方法，將顆粒體系的微觀塑性變形轉(zhuǎn)換成規(guī)則的三維體素矩陣；建立以所述三維體素矩陣為輸入、顆粒體系的實際宏觀應(yīng)力波動為輸出的深度學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)集；基于所述深度學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)集訓(xùn)練卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立顆粒體系的微觀行為與宏觀響應(yīng)的定量關(guān)系的跨尺度預(yù)測模型。本發(fā)明涉及的一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的顆粒體系宏觀應(yīng)力波動預(yù)測方法，能夠建立顆粒體系從顆粒微觀塑性行為到宏觀力學(xué)響應(yīng)的定量關(guān)系，為顆粒物質(zhì)的宏觀應(yīng)力波動預(yù)測和宏微觀跨尺度研究提供了一條嶄新且有效的途徑。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及顆粒物質(zhì)力學(xué)研究領(lǐng)域，特別涉及一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的顆粒體系宏觀應(yīng)力波動預(yù)測方法。

背景技術(shù)

顆粒材料是大量離散的固體顆粒相互作用而組成的復(fù)雜體系，其普遍存在于工程建設(shè)、工業(yè)生產(chǎn)和自然界的方方面面，自然界中廣泛存在的泥石流及堰塞體、土木工程中所用的塊石狀材料、工業(yè)生產(chǎn)中的煤炭及砂石等均涉及顆粒材料的堆積和運動等過程。顆粒材料存在從離散到連續(xù)、從微觀到宏觀、從無序到有序和從流動到堵塞等特性，是物理、材料、力學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科中的重點研究對象之一。

相關(guān)技術(shù)中，顆粒材料在準靜態(tài)剪切條件下會產(chǎn)生粘滑運動，處于粘滯階段時，體系宏觀應(yīng)力呈緩慢上升，體系積蓄彈性應(yīng)變能；體系達到臨界狀態(tài)時，宏觀應(yīng)力發(fā)生驟降，體系處于滑動階段并釋放出粘滯階段儲存的應(yīng)變能，隨后體系將進入下一個粘滑循環(huán)。鑒于此，大量地球物理學(xué)家將顆粒材料作為研究淺源地震或滑坡相關(guān)機理的模型體系。

但是，目前建立的宏微觀聯(lián)系大都是定性的，無法定量考慮體系微觀層面的動力學(xué)行為和宏觀力學(xué)響應(yīng)的關(guān)系。

因此，有必要設(shè)計一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的顆粒體系宏觀應(yīng)力波動預(yù)測方法，以克服上述問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明實施例提供一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的顆粒體系宏觀應(yīng)力波動預(yù)測方法，以解決相關(guān)技術(shù)中建立的宏微觀聯(lián)系大都是定性的，無法定量考慮體系微觀層面的動力學(xué)行為和宏觀力學(xué)響應(yīng)關(guān)系的問題。

第一方面，提供了一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的顆粒體系宏觀應(yīng)力波動預(yù)測方法，其包括以下步驟：基于顆粒的微觀塑性行為和高斯核函數(shù)的粗粒化方法，將顆粒體系的微觀塑性變形轉(zhuǎn)換成規(guī)則的三維體素矩陣；建立以所述三維體素矩陣為輸入、顆粒體系的實際宏觀應(yīng)力波動為輸出的深度學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)集；基于所述深度學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)集訓(xùn)練卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立顆粒體系的微觀行為與宏觀響應(yīng)的定量關(guān)系的跨尺度預(yù)測模型。

一些實施例中，所述基于顆粒的微觀塑性行為和高斯核函數(shù)的粗粒化方法，將顆粒體系的微觀塑性變形轉(zhuǎn)換成規(guī)則的三維體素矩陣，包括：計算每個顆粒的微觀非仿射變形量作為顆粒的微觀塑性行為；對顆粒體系劃分三維正方體網(wǎng)格；根據(jù)每個顆粒的微觀非仿射變形量和高斯核函數(shù)的粗粒化方法，計算每個網(wǎng)格節(jié)點的微觀非仿射變形量，形成規(guī)則的三維體素矩陣。

一些實施例中，所述根據(jù)每個顆粒的微觀非仿射變形量和高斯核函數(shù)的粗粒化方法，計算每個網(wǎng)格節(jié)點的微觀非仿射變形量，形成規(guī)則的三維體素矩陣，包括：根據(jù)每個網(wǎng)格節(jié)點與其預(yù)設(shè)鄰域范圍內(nèi)的每個顆粒球心之間的拉格朗日距離，采用高斯核函數(shù)計算得到每個網(wǎng)格節(jié)點預(yù)設(shè)鄰域范圍內(nèi)的每個顆粒到對應(yīng)網(wǎng)格節(jié)點的權(quán)重；將每個網(wǎng)格節(jié)點預(yù)設(shè)鄰域范圍內(nèi)的每個顆粒的權(quán)重與每個顆粒對應(yīng)的微觀非仿射變形量的乘積之和作為每個網(wǎng)格節(jié)點的微觀非仿射變形量。

一些實施例中，在建立以所述三維體素矩陣為輸入、顆粒體系的實際宏觀應(yīng)力波動為輸出的深度學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)集之前，包括：進行顆粒體系離散元模擬或物理實驗，記錄顆粒的微觀塑性行為與對應(yīng)顆粒體系的實際宏觀應(yīng)力波動。

一些實施例中，在基于所述深度學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)集訓(xùn)練卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立顆粒體系的微觀行為與宏觀響應(yīng)的定量關(guān)系的跨尺度預(yù)測模型之前，還包括：構(gòu)建多層三維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并采用貝葉斯優(yōu)化算法調(diào)整所述卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型超參數(shù)。