重大水工混凝土结构裂缝演变规律及转异诊断方法研究
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摘要
本文针对重大水工混凝土结构运行期的裂缝问题，应用粗集理论、数据挖掘、
神经网络、小波分析、混沌理论、突变理论等前沿数学方法及断裂力学等力学方法，
以及数值仿真等数值模拟方法和逻辑诊断方法，结合实测资料，对运行期裂缝的成因、
演变规律以及转异诊断等方面进行了系统的研究。主要研究内容如下：
(1)在研究逻辑诊断方法的基础上，采用故障树分析方法分析裂缝产生的可能
原因；据此提出了裂缝成因挖掘的粗集方法，对裂缝成因的潜在规律性和裂缝的主要
成因进行挖掘，分析裂缝产生的主要原因。
(2)概要阐述了温度场的仿真，研究了薄层单元和分布裂缝模型，应用数值仿
真分析方法，结合工程实际，分析了荷载对裂缝的作用效应；在对人工神经网络方法
与数据挖掘关系深入研究的基础上，提出了基于神经网络的裂缝不利荷载组合挖掘方
法，提取裂缝的不利荷载组合，并研制了三维荷载组合曲面图。
(3)用接触模型模拟裂缝，结合工程实际，应用数值仿真分析方法研究裂缝开
度和开裂深度随外荷载(水压、温度等)的演变规律，分析了裂缝演变的荷载效应。
(4)基于实测资料，综合应用小波分析理论和相空间重构技术，对裂缝开度随
时间的演变规律进行了研究，提出了基于小波分析理论和相空间重构技术的裂缝时变
规律分析方法，并对其可行性进行了工程实例验证。
(5)利用相空间重构技术重构裂缝时效变形的相平面，提出了裂缝时效转异点
的相平面识别法；并且基于突变理论和灰色系统理论，建立了裂缝转异诊断的灰色尖
点突变模型；并将以上方法和模型用于工程实际，由此对所提方法的可行性进行了验
证。
(6)应用断裂力学理论，对裂缝转异进行诊断，并探讨了混凝土断裂韧度的反
演分析方法；建立了反映荷载组合与应力强度因子之间关系的神经网络模型，反馈分
析裂缝的转异荷载，在此基础上，研制了应力强度因子的三维荷载曲面图以及相应的
二维平面图，提出裂缝转异荷载的空间预报模型；并通过实例验证。
Aiming at crack problems in important hydraulic concrete structures, the cause, evolution rule and abnormality diagnosis of the crack are studied in this dissertation by using advanced theories and mathematics and mechanics, such as rough set theory, data mining, neural network, wavelet analysis, chaos theory, and so on, combining with prototype observation data. The main contents are as follows.
(1) Mining of cause of crack is proposed by using logic diagnosis, rough set theory, and data mining technique. Firstly, The possible cause of crack is analyzed by using fault tree method. Then, The data mining approach to the cause of the crack is presented using rough set theory, the rule of the cause of the crack is extracted, and the main cause of the crack is analyzed.
(2) The simulation of temperature field is discussed. The thin layer element and smeared crack model is studied. The effect of load on the crack is discussed using numerical simulation approach. Then, the data mining approach to the unfavorable load combination of the crack is proposed using artificial neural network. The rule of the unfavorable load combination of the crack is generated and three dimensional load combination is given.
(3) The contact model is used to simulate the crack. On the basis of project, the evolution of crack opening and crack depth related to loads such as hydrostatic pressure and temperature are studied using numerical simulation approach, and the load effect on the crack evolution is discussed.
(4) According to observation data, the approach to the time varying rule is proposed using wavelet theory and phase space reconstruction, the evolution of the crack opening varying with time is studied and proved by a project example.
(5) On the basis of extracting the time-dependent component using wavelet analysis. Phase space reconstruction technique is used to reconstruct the phase plane. The approach to detect the abnormal point of the tune-dependent of the crack by phase space is developed. Combined with gray system and catastrophe theory, according to observation data of dam cracks, a gray cusp catastrophe model is established to diagnose the abnormality of the crack.
(6) The abnormality criteria of fracture mechanics are employed to diagnose the abnormality of the crack, and the inversion of the concrete fracture roughness is studied.
The space prediction model of the anomalous load is presented using neural network. The load surface of stress intensity factor and its corresponding plane is given and employed to diagnose and predict the abnormal load of the crack.
神经网络、小波分析、混沌理论、突变理论等前沿数学方法及断裂力学等力学方法，
以及数值仿真等数值模拟方法和逻辑诊断方法，结合实测资料，对运行期裂缝的成因、
演变规律以及转异诊断等方面进行了系统的研究。主要研究内容如下：
(1)在研究逻辑诊断方法的基础上，采用故障树分析方法分析裂缝产生的可能
原因；据此提出了裂缝成因挖掘的粗集方法，对裂缝成因的潜在规律性和裂缝的主要
成因进行挖掘，分析裂缝产生的主要原因。
(2)概要阐述了温度场的仿真，研究了薄层单元和分布裂缝模型，应用数值仿
真分析方法，结合工程实际，分析了荷载对裂缝的作用效应；在对人工神经网络方法
与数据挖掘关系深入研究的基础上，提出了基于神经网络的裂缝不利荷载组合挖掘方
法，提取裂缝的不利荷载组合，并研制了三维荷载组合曲面图。
(3)用接触模型模拟裂缝，结合工程实际，应用数值仿真分析方法研究裂缝开
度和开裂深度随外荷载(水压、温度等)的演变规律，分析了裂缝演变的荷载效应。
(4)基于实测资料，综合应用小波分析理论和相空间重构技术，对裂缝开度随
时间的演变规律进行了研究，提出了基于小波分析理论和相空间重构技术的裂缝时变
规律分析方法，并对其可行性进行了工程实例验证。
(5)利用相空间重构技术重构裂缝时效变形的相平面，提出了裂缝时效转异点
的相平面识别法；并且基于突变理论和灰色系统理论，建立了裂缝转异诊断的灰色尖
点突变模型；并将以上方法和模型用于工程实际，由此对所提方法的可行性进行了验
证。
(6)应用断裂力学理论，对裂缝转异进行诊断，并探讨了混凝土断裂韧度的反
演分析方法；建立了反映荷载组合与应力强度因子之间关系的神经网络模型，反馈分
析裂缝的转异荷载，在此基础上，研制了应力强度因子的三维荷载曲面图以及相应的
二维平面图，提出裂缝转异荷载的空间预报模型；并通过实例验证。
Aiming at crack problems in important hydraulic concrete structures, the cause, evolution rule and abnormality diagnosis of the crack are studied in this dissertation by using advanced theories and mathematics and mechanics, such as rough set theory, data mining, neural network, wavelet analysis, chaos theory, and so on, combining with prototype observation data. The main contents are as follows.
(1) Mining of cause of crack is proposed by using logic diagnosis, rough set theory, and data mining technique. Firstly, The possible cause of crack is analyzed by using fault tree method. Then, The data mining approach to the cause of the crack is presented using rough set theory, the rule of the cause of the crack is extracted, and the main cause of the crack is analyzed.
(2) The simulation of temperature field is discussed. The thin layer element and smeared crack model is studied. The effect of load on the crack is discussed using numerical simulation approach. Then, the data mining approach to the unfavorable load combination of the crack is proposed using artificial neural network. The rule of the unfavorable load combination of the crack is generated and three dimensional load combination is given.
(3) The contact model is used to simulate the crack. On the basis of project, the evolution of crack opening and crack depth related to loads such as hydrostatic pressure and temperature are studied using numerical simulation approach, and the load effect on the crack evolution is discussed.
(4) According to observation data, the approach to the time varying rule is proposed using wavelet theory and phase space reconstruction, the evolution of the crack opening varying with time is studied and proved by a project example.
(5) On the basis of extracting the time-dependent component using wavelet analysis. Phase space reconstruction technique is used to reconstruct the phase plane. The approach to detect the abnormal point of the tune-dependent of the crack by phase space is developed. Combined with gray system and catastrophe theory, according to observation data of dam cracks, a gray cusp catastrophe model is established to diagnose the abnormality of the crack.
(6) The abnormality criteria of fracture mechanics are employed to diagnose the abnormality of the crack, and the inversion of the concrete fracture roughness is studied.
The space prediction model of the anomalous load is presented using neural network. The load surface of stress intensity factor and its corresponding plane is given and employed to diagnose and predict the abnormal load of the crack.
引文
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