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        軟基水閘底板脫空反演的響應(yīng)面模型優(yōu)化

        2022-01-07 05:59:50劉雙平柯賢勇李火坤李輝唐義員涂源方靜
        關(guān)鍵詞:水閘反演底板

        劉雙平,柯賢勇,李火坤,李輝,唐義員,涂源,方靜

        (南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院,江西 南昌 330031)

        長(zhǎng)期處于激振交替、動(dòng)靜懸殊的工作環(huán)境中的軟基水閘容易出現(xiàn)底板脫空[1],目前,基于動(dòng)力學(xué)特性對(duì)水閘結(jié)構(gòu)進(jìn)行反分析被廣泛研究[2-4]。尋找準(zhǔn)確可靠的響應(yīng)面模型代替有限元模型,是進(jìn)行軟基水閘底板脫空反演的關(guān)鍵。

        響應(yīng)面方程是決定脫空參數(shù)與模態(tài)參數(shù)之間非線性關(guān)系的重要因素,當(dāng)響應(yīng)面方程過于簡(jiǎn)單時(shí),響應(yīng)面模型難以保證其精度;當(dāng)響應(yīng)面方程過于復(fù)雜時(shí),響應(yīng)面模型的效率會(huì)降低[5]。于景飛等[6]采用線性多項(xiàng)式函數(shù)構(gòu)建響應(yīng)面方程,對(duì)大跨徑混凝土斜拉橋進(jìn)行了優(yōu)化預(yù)測(cè)研究;Fang等[7]指出參數(shù)間相互效應(yīng)對(duì)響應(yīng)面模型總方差的貢獻(xiàn)非常??;張運(yùn)濤等[8]基于逐步回歸的方法對(duì)變量的選取進(jìn)行顯著性分析,提高了所選取不含交叉項(xiàng)二次多項(xiàng)式響應(yīng)面模型的精度和計(jì)算效率,并將其運(yùn)用于大跨連續(xù)剛構(gòu)橋長(zhǎng)期變形預(yù)測(cè);李延強(qiáng)等[9]采用F檢驗(yàn)法進(jìn)行參數(shù)的顯著性分析,以二次多項(xiàng)式擬合響應(yīng)面模型,對(duì)比了考慮交叉項(xiàng)和不考慮交叉項(xiàng)對(duì)斜拉橋模型的修正結(jié)果;宗周紅、劉杰等[10-11]采用高階響應(yīng)面模型應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別。張建偉等[12]采用基于方差分析的F檢驗(yàn)法,對(duì)響應(yīng)面模型參數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),并將優(yōu)化后的響應(yīng)面模型應(yīng)用于某大型渡槽結(jié)構(gòu)的有限元模型修正;蒙偉等[13]分析了F檢驗(yàn)和t檢驗(yàn)的特點(diǎn),采用了一種能直觀方便地判斷回歸模型和回歸系數(shù)顯著性的p值法檢驗(yàn),并將其應(yīng)用于初始地應(yīng)力場(chǎng)的反演分析。

        為獲得軟基水閘底板脫空反演中最佳的響應(yīng)面模型,本文提出了一種基于顯著性檢驗(yàn)的響應(yīng)面模型優(yōu)選與優(yōu)化方法。首先,采用拉丁超立方抽樣(LHS)獲得脫空參數(shù)樣本集,并將其輸入水閘有限元模型計(jì)算相應(yīng)的模態(tài)參數(shù)集,以此構(gòu)建表征脫空參數(shù)與模態(tài)參數(shù)之間非線性關(guān)系的多種不同形式的響應(yīng)面模型;其次,對(duì)不同形式的響應(yīng)面模型進(jìn)行F檢驗(yàn),綜合考慮精度和效率,優(yōu)選形式最佳的響應(yīng)面模型;然后,對(duì)形式最佳的響應(yīng)面模型進(jìn)行t檢驗(yàn),優(yōu)化響應(yīng)面模型的參數(shù),剔除對(duì)模態(tài)參數(shù)影響不足的脫空參數(shù)及其組合(贅余項(xiàng))以獲得最佳的響應(yīng)面模型;最后,將最佳的響應(yīng)面模型應(yīng)用于軟基水閘物理模型的底板脫空反演,驗(yàn)證方法的有效性。

        1 響應(yīng)面模型優(yōu)選與優(yōu)化

        1.1 拉丁超立方抽樣試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        試驗(yàn)樣本的選取方法與數(shù)量關(guān)系到響應(yīng)面模型的精度和效率,以及分析結(jié)果的準(zhǔn)確性[14]。采用拉丁超立方抽樣試驗(yàn)設(shè)計(jì),能夠以少量的脫空參數(shù)樣本,全面而準(zhǔn)確地反映軟基水閘底板脫空的分布情況。采用LHS生成脫空參數(shù)樣本集思路如下[15-16]:

        然后,根據(jù)脫空參數(shù)的概率分布情況,對(duì)每一個(gè)子區(qū)間進(jìn)行獨(dú)立的等概率抽樣,第j個(gè)子區(qū)間抽樣獲取的脫空參數(shù)值dij滿足以下關(guān)系:

        (1)

        式中:dij表示第i個(gè)脫空參數(shù)在第j個(gè)子區(qū)間的抽樣值;r表示服從[0,1]均勻分布的隨機(jī)數(shù);m表示脫空參數(shù)的個(gè)數(shù),即抽樣維度;n表示子區(qū)間數(shù),即抽樣組數(shù)。

        最后,將各子區(qū)間生成的樣本點(diǎn)匯總成樣本集,對(duì)各脫空參數(shù)的抽樣值隨機(jī)組合形成多維脫空參數(shù)樣本集。

        1.2 響應(yīng)面模型

        有限元模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜,單元龐大,難以進(jìn)行反分析計(jì)算。合理構(gòu)建脫空參數(shù)與模態(tài)參數(shù)(固有頻率和節(jié)點(diǎn)振型)之間的響應(yīng)面模型代替有限元模型,是進(jìn)行軟基水閘底板脫空反演的基礎(chǔ)。本文采用的響應(yīng)面方程為基于Taylor展開的多項(xiàng)式函數(shù),響應(yīng)面方程如下:

        (2)

        (3)

        (4)

        (5)

        (6)

        (7)

        (8)

        (9)

        式中:α表示頻率響應(yīng)面方程的待定系數(shù)。

        響應(yīng)面模型的構(gòu)建思路:首先,通過LHS獲取脫空參數(shù)樣本集;其次,將脫空參數(shù)樣本集輸入有限元模型中,計(jì)算相應(yīng)的模態(tài)參數(shù)集;然后,根據(jù)脫空參數(shù)集和模態(tài)參數(shù)集,以上述7種不同形式的多項(xiàng)式函數(shù)構(gòu)建響應(yīng)面方程組;最后,根據(jù)多元回歸分析確定響應(yīng)面方程組的待定系數(shù),從而建立7種不同形式的響應(yīng)面模型。

        1.3 顯著性檢驗(yàn)

        為獲得軟基水閘底板脫空反演中最佳的響應(yīng)面模型,采用顯著性檢驗(yàn)對(duì)響應(yīng)面模型進(jìn)行優(yōu)選與優(yōu)化。首先,基于回歸模型的顯著性檢驗(yàn)(F檢驗(yàn)),對(duì)上述7種不同形式的響應(yīng)面模型進(jìn)行顯著性分析,優(yōu)選形式最佳的響應(yīng)面模型;隨后,基于回歸系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)(t檢驗(yàn)),對(duì)形式最佳的響應(yīng)面模型的回歸系數(shù)進(jìn)行顯著性分析,優(yōu)化響應(yīng)面模型的參數(shù),得到最佳的響應(yīng)面模型。

        1.3.1F檢驗(yàn)

        H0:αi=αii=αiii=αiiii=αij=αijk=αiij=0

        (10)

        式中:H0表示頻率響應(yīng)面模型的檢驗(yàn)狀態(tài)。

        利用方差分析法,計(jì)算上述7種響應(yīng)面方程的F統(tǒng)計(jì)量,公式如下:

        (11)

        (12)

        (13)

        (14)

        1.3.2t檢驗(yàn)

        H0:αI=0,I∈{i,ii,iii,iiii,ij,ijk,iij}

        (15)

        式中:H0表示頻率響應(yīng)面模型回歸系數(shù)的檢驗(yàn)狀態(tài)。

        可由以下公式計(jì)算響應(yīng)面方程中每一項(xiàng)回歸系數(shù)的TI值:

        (16)

        (17)

        (18)

        (19)

        1.4 響應(yīng)面模型評(píng)價(jià)指標(biāo)

        在響應(yīng)面方程形式持續(xù)復(fù)雜化的過程中,響應(yīng)面模型的精度必然會(huì)一步步提高,與此同時(shí),擬合響應(yīng)面以及進(jìn)行軟基水閘底板脫空反演的效率必然會(huì)有所降低。因此,在優(yōu)選形式最佳的響應(yīng)面方程時(shí),需綜合考慮精度和效率兩方面的影響。本文采用3個(gè)精度評(píng)價(jià)指標(biāo)和1個(gè)效率評(píng)價(jià)指標(biāo)來衡量響應(yīng)面模型的優(yōu)劣。

        1.4.1 精度評(píng)價(jià)指標(biāo)

        (20)

        (21)

        相對(duì)均方根誤差RMSE′反映響應(yīng)面模型模態(tài)參數(shù)的輸出值與有限元模型模態(tài)參數(shù)的計(jì)算值之間的誤差,其表達(dá)式如下:

        (22)

        相對(duì)均方根誤差RMSE′絕對(duì)值(經(jīng)歸一化之后的振型存在負(fù)值)越小,表明響應(yīng)面模型模態(tài)參數(shù)的輸出值與有限元模型模態(tài)參數(shù)的計(jì)算值之間的誤差越小,響應(yīng)面模型精度越高。

        以上兩種評(píng)價(jià)指標(biāo)均表示響應(yīng)面模型的整體精度,而每一組脫空參數(shù)樣本點(diǎn)對(duì)應(yīng)的響應(yīng)面模型模態(tài)參數(shù)的輸出值與有限元模型模態(tài)參數(shù)的計(jì)算值之間的相對(duì)誤差Rsp,能夠有效地評(píng)價(jià)響應(yīng)面模型點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的擬合精度,其表達(dá)式如下:

        (23)

        對(duì)所有的脫空參數(shù)樣本點(diǎn)對(duì)應(yīng)的模態(tài)參數(shù)由式(23)遍歷,設(shè)定閾值為5‰[17]。對(duì)LHS的所有樣本點(diǎn),超出閾值的個(gè)數(shù)越少,Rsp max越小,響應(yīng)面模型精度越高。

        1.4.2 效率評(píng)價(jià)指標(biāo)

        效率是檢驗(yàn)響應(yīng)面模型的擬合過程以及在代替有限元模型進(jìn)行軟基水閘底板脫空反演過程中耗時(shí)是否經(jīng)濟(jì)合理的重要指標(biāo)??紤]到不同計(jì)算機(jī)之間的差異性,計(jì)算耗時(shí)并不適合直接作為效率評(píng)價(jià)指標(biāo)。在利用多元回歸分析擬合響應(yīng)面方程中,待定系數(shù)越多,擬合效率越低,此外,在進(jìn)行軟基水閘底板脫空反演中,響應(yīng)面模型的參數(shù)越多,反演效率越低,因此,以響應(yīng)面方程展開后的項(xiàng)數(shù)K作為響應(yīng)面模型的效率評(píng)價(jià)指標(biāo)是合理可行的。響應(yīng)面方程展開后的項(xiàng)數(shù)K越小,響應(yīng)面模型效率越高。

        1.5 響應(yīng)面模型優(yōu)化流程

        基于顯著性檢驗(yàn)的軟基水閘底板脫空反演中響應(yīng)面模型優(yōu)選與優(yōu)化流程圖如圖1所示。

        圖1 軟基水閘底板脫空反演中響應(yīng)面模型優(yōu)選與優(yōu)化流程圖Fig.1 Flowchart of response surface model selection and optimization in the inversion for the floor void of sluice on the soft foundation

        2 軟基水閘物理模型驗(yàn)證

        2.1 軟基水閘物理模型基本概況

        以某水閘工程為背景實(shí)例,制作一單孔軟基水閘室內(nèi)物理模型[4]?;谒l物理模型,采用人工掏空的方式對(duì)水閘模型底板順?biāo)鞣较蜻M(jìn)行了單側(cè)型和雙側(cè)型隨機(jī)脫空模擬,并測(cè)量脫空縱深,如圖2所示。在描述底板脫空范圍的數(shù)學(xué)模型中[3],采用5個(gè)參數(shù)描述單側(cè)脫空(即m=5);10個(gè)參數(shù)描述雙側(cè)脫空(即m=10)。脫空模擬共分為3種工況:其中,工況一和工況二為單側(cè)脫空,工況三為雙側(cè)脫空。不同工況下的脫空參數(shù)di如表1所示。

        (a) 物理模型脫空

        表1 水閘物理模型底板脫空工況及脫空參數(shù)Tab.1 Void conditions and void parameters of the sluice physical model bottom plate

        2.2 構(gòu)建響應(yīng)面模型

        根據(jù)水閘物理模型尺寸,結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn),將底板脫空的抽樣范圍確定為上游側(cè)[0,0.65]m,下游側(cè)[0,0.4]m。單側(cè)脫空和雙側(cè)脫空的抽樣維度分別為5和10,采用LHS生成2 000組脫空參數(shù)樣本。將脫空參數(shù)樣本集輸入水閘有限元基準(zhǔn)模型中,計(jì)算與之相應(yīng)的模態(tài)參數(shù),提取前四階頻率和振型,分別構(gòu)建脫空參數(shù)與頻率和振型之間的響應(yīng)面模型。

        2.3 優(yōu)選與優(yōu)化響應(yīng)面模型

        2.3.1 優(yōu)選響應(yīng)面模型的形式

        以雙側(cè)脫空,頻率響應(yīng)面模型為例,對(duì)響應(yīng)面模型進(jìn)行F檢驗(yàn),F(xiàn)統(tǒng)計(jì)量及其臨界值如表2所示,可知,7種響應(yīng)面方程的F統(tǒng)計(jì)量遠(yuǎn)大于臨界值,表明7種響應(yīng)面模型均能準(zhǔn)確有效地代替有限元模型。此外,第三階響應(yīng)面模型的F統(tǒng)計(jì)量比其余三階都小,表明第三階模態(tài)參數(shù)樣本變異性更大,對(duì)脫空參數(shù)的敏感性更高。

        表2 7種頻率響應(yīng)面模型的F統(tǒng)計(jì)量及其臨界值(雙側(cè)脫空)Tab.2 F statistics of seven frequency response surface models and their critical values (two-sided void)

        表3 7種頻率響應(yīng)面模型的整體精度(雙側(cè)脫空)Tab.3 Overall accuracy of seven frequency response surface models (two-sided void)

        表4 7種頻率響應(yīng)面模型的樣本點(diǎn)精度(雙側(cè)脫空)Tab.4 Sample point accuracy of seven frequency response surface models (two-sided void)

        表5 7種響應(yīng)面模型的效率Tab.5 Efficiency of seven response surface models

        2.3.2 優(yōu)化響應(yīng)面模型的參數(shù)

        (a) 第一階

        根據(jù)圖3可以直觀地看出對(duì)頻率響應(yīng)影響不足的脫空參數(shù)及其組合,將各階頻率響應(yīng)面方程中的贅余項(xiàng)剔除,常數(shù)項(xiàng)及保留項(xiàng)所構(gòu)成的響應(yīng)面方程為最佳的響應(yīng)面方程,經(jīng)參數(shù)優(yōu)化的響應(yīng)面模型即為最佳的響應(yīng)面模型。

        2.4 結(jié)果驗(yàn)證

        為驗(yàn)證經(jīng)顯著性檢驗(yàn)的響應(yīng)面模型的優(yōu)越性,將最佳的響應(yīng)面模型應(yīng)用于軟基水閘底板脫空反演,并將反演結(jié)果與參考文獻(xiàn)[4]對(duì)比。不同工況下水閘底板脫空控制參數(shù)反演值與實(shí)際值如表6所示、識(shí)別的脫空面積及趨勢(shì)與實(shí)際脫空如圖4所示、識(shí)別的脫空面積與實(shí)際的脫空面積之間的相對(duì)誤差如表7所示,同時(shí),為更準(zhǔn)確衡量反演結(jié)果的準(zhǔn)確性,本文提出了一種更為科學(xué)合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)——面積不重合度,即識(shí)別脫空與實(shí)際脫空不重合部分的面積在實(shí)際脫空的面積占比。從反演識(shí)別結(jié)果來看,識(shí)別脫空與實(shí)際脫空能較好地吻合,3種工況下水閘底板脫空反演結(jié)果與實(shí)際脫空的面積不重合度分別為14.79%,5.46%,7.36%,相比參考文獻(xiàn)[4]的反演結(jié)果有了較大的提升,驗(yàn)證了本文方法的有效性。

        表6 不同工況下脫空參數(shù)反演結(jié)果Tab.6 Inversion results of void parameters under different conditions

        (a) 工況一

        表7 識(shí)別脫空面積與實(shí)際脫空面積的相對(duì)誤差Tab.7 Relative error between the identify void area and the actual void area

        3 結(jié)論

        (1) 基于顯著性分析,采用F檢驗(yàn),從7種不同形式的響應(yīng)面模型中優(yōu)選出形式最佳的響應(yīng)面模型;隨后,對(duì)形式最佳的響應(yīng)面模型的脫空參數(shù)及其組合進(jìn)行t檢驗(yàn)以刪除贅余項(xiàng),建立了能夠準(zhǔn)確高效地代替有限元模型的響應(yīng)面模型。

        (2) 提出了采用面積不重合度來衡量反演結(jié)果的準(zhǔn)確性,使得軟基水閘底板脫空識(shí)別的精度評(píng)價(jià)更加科學(xué)合理。

        (3) 將經(jīng)顯著性檢驗(yàn)獲得的最佳的響應(yīng)面模型應(yīng)用于軟基水閘底板脫空反演,結(jié)果表明:識(shí)別脫空與實(shí)際脫空能夠較好地吻合,3種工況下的水閘底板脫空反演結(jié)果與實(shí)際脫空的面積不重合度分別為14.79%,5.46%,7.36%,提高了反演精度,驗(yàn)證了本文方法的有效性。

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