[發(fā)明專利]一種基于深度學(xué)習(xí)的不同外形橋梁自激振動(dòng)預(yù)測建模方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110755728.5
• 申請(qǐng)日: 2021-07-05
• 公開（公告）號(hào): CN113656859A
• 公開（公告）日: 2021-11-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 賴馬樹金;李文杰;李惠
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/13
• 分類號(hào): G06F30/13;G06F30/20;G06N3/04;G06N3/08
• 代理公司: 哈爾濱市哈科專利事務(wù)所有限責(zé)任公司 23101
• 代理人: 吳振剛

本發(fā)明提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的不同外形橋梁自激振動(dòng)預(yù)測建模方法，通過將結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)數(shù)值求解方法與LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合建立物理融合的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)氣動(dòng)自激力模型，可以高精度預(yù)測不同外形橋梁的自激振動(dòng)響應(yīng)。本方法在氣動(dòng)自激力模型的輸入當(dāng)中加入了氣動(dòng)外形參數(shù)，借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)較強(qiáng)的泛化能力，基于少量氣動(dòng)外形的氣動(dòng)自激力數(shù)據(jù)便構(gòu)建出具有較強(qiáng)預(yù)測能力的非線性氣動(dòng)自激力模型用來預(yù)測不同氣動(dòng)外形橋梁主梁結(jié)構(gòu)的非線性自激振動(dòng)響應(yīng)，從而有效避免大量成本高昂的風(fēng)洞試驗(yàn)；同時(shí)使用高精度動(dòng)力方程數(shù)值求解方法連接當(dāng)前時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)輸出和下一時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)輸入，形成具有閉環(huán)結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)自激力模型，有效提高橋梁結(jié)構(gòu)自激振動(dòng)預(yù)測精度和魯棒性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及橋梁風(fēng)工程領(lǐng)域，具體涉及一種基于深度學(xué)習(xí)的不同外形橋梁自激振動(dòng)預(yù)測建模方法。

技術(shù)背景

隨著橋梁建設(shè)繼續(xù)向著超大跨徑發(fā)展，結(jié)構(gòu)更加輕柔，對(duì)風(fēng)荷載的敏感性更強(qiáng)，其風(fēng)致振動(dòng)問題必將更加突出。而橋梁顫振是最為嚴(yán)重的風(fēng)致振動(dòng)現(xiàn)象，一旦發(fā)生就會(huì)造成橋梁主體結(jié)構(gòu)直接破壞，造成嚴(yán)重的生命財(cái)產(chǎn)損失、危害極大，必須要加以避免。因此，開展橋梁顫振的相關(guān)研究尤為必要。

目前在大跨度橋梁設(shè)計(jì)中工程界主要采用風(fēng)洞試驗(yàn)來開展橋梁自激振動(dòng)穩(wěn)定性的研究，通過控制相似比要求和模型試驗(yàn)來模擬真實(shí)橋梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為，利用空氣動(dòng)力學(xué)理論建立各類氣動(dòng)自激力模型，進(jìn)而基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析來預(yù)測橋梁結(jié)構(gòu)自激振動(dòng)響應(yīng)，結(jié)果可信度較高，應(yīng)用廣泛。傳統(tǒng)的橋梁線性自激振動(dòng)分析方法是基于Scanlan經(jīng)典顫振導(dǎo)數(shù)理論建立起來的，已經(jīng)被廣泛接受并在實(shí)際工程應(yīng)用中取得了一定的成績。但這一理論基于小振幅和線性假設(shè)，重點(diǎn)關(guān)注臨界狀態(tài)分析，即預(yù)測臨界風(fēng)速，無法解釋一些具有鈍體氣動(dòng)外形的大跨度橋梁自激振動(dòng)發(fā)生后的極限環(huán)振動(dòng)。同時(shí)，現(xiàn)有的一些非線性氣動(dòng)自激力建模方法多是基于高階多項(xiàng)式擬合，形式復(fù)雜且參數(shù)識(shí)別容易過擬合，泛化能力存在明顯局限性，導(dǎo)致對(duì)于每一種新設(shè)計(jì)的氣動(dòng)外形均需要開展成本高昂的風(fēng)洞試驗(yàn)。此外，當(dāng)氣動(dòng)外形較鈍且處于大攻角時(shí)結(jié)構(gòu)還可能發(fā)生滯回現(xiàn)象，現(xiàn)有手段難以對(duì)這類高度非線性自激氣動(dòng)力進(jìn)行有效建模并準(zhǔn)確預(yù)測其動(dòng)力響應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容

基于以上不足之處，本發(fā)明提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的不同外形橋梁自激振動(dòng)預(yù)測建模方法，擬通過將結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)數(shù)值求解方法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合建立物理融合的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)氣動(dòng)自激力模型，進(jìn)而高精度預(yù)測不同外形橋梁的自激振動(dòng)響應(yīng)。

本發(fā)明所采取的技術(shù)方案如下：一種基于深度學(xué)習(xí)的不同外形橋梁自激振動(dòng)預(yù)測建模方法，步驟如下：

步驟一，對(duì)具有不同氣動(dòng)外形的大跨度橋梁主梁模型開展不同來流風(fēng)速U下的自激振動(dòng)試驗(yàn)，設(shè)描述氣動(dòng)外形的n個(gè)參數(shù)為S＝(S₁,2,…,_n)，采用激光位移計(jì)測量模型自激振動(dòng)的豎向和扭轉(zhuǎn)位移(h,α)，采用雙天平測力方法測量模型發(fā)生自激振動(dòng)時(shí)所受到的豎向和扭轉(zhuǎn)氣動(dòng)自激力(F_se,se)，采樣頻率均設(shè)為10000Hz，對(duì)位移和氣動(dòng)自激力數(shù)據(jù)進(jìn)行降采樣至50Hz，同時(shí)以75％重疊率將所有位移和氣動(dòng)自激力時(shí)程分割為4分鐘長的信號(hào)樣本；

步驟二，采用2層長短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為氣動(dòng)自激力模型的基本架構(gòu)，每層神經(jīng)元數(shù)為32，長短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)步長設(shè)置為40，以來流風(fēng)速、氣動(dòng)外形參數(shù)、自激振動(dòng)的豎向和扭轉(zhuǎn)位移和速度作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，以氣動(dòng)自激力(F_se,se)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出，采用Newmark-β法由上一時(shí)間步的長短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出(氣動(dòng)自激力)計(jì)算出下一時(shí)間步的長短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入(自激振動(dòng)位移和速度)；將處理后的信號(hào)樣本輸入到改進(jìn)的長短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中采樣Adam梯度下降策略訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，采樣提前終止訓(xùn)練策略防止長短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)過擬合。

本發(fā)明還具有如下技術(shù)特征：