- 王东东;章青;柳占立;
<正>近年来,机器学习、数据驱动等基于数据进行分析和预测的人工智能技术发展迅速,呈现出信息提取能力强、处理速度快等显著优势,目前已渗透到各个学科领域。另一方面,传统计算力学在模拟复杂工况、复杂模型和大变形等问题时,时常会面临物理模型不够完善、计算效率较低、计算精度不足等问题。因此,将知识驱动型的传统计算力学模型与数据驱动型的人工智能计算模型相融合,发展基于人工智能技术的计算力学理论和方法,成为当前计算力学领域的一个重要研究方向,也为解决复杂工程问题提供了新方案,具有非常广阔的应用前景。鉴于此,《固体力学学报》特别组织了《人工智能计算力学》专辑,希望通过该专辑展示国内计算力学工作者在人工智能计算力学这一新兴领域的最新研究成果,可供从事相关领域研究的人员参考。
2021年03期 v.42 218页 [查看摘要][在线阅读][下载 291K] - 王东东;章青;柳占立;
<正>近年来,机器学习、数据驱动等基于数据进行分析和预测的人工智能技术发展迅速,呈现出信息提取能力强、处理速度快等显著优势,目前已渗透到各个学科领域。另一方面,传统计算力学在模拟复杂工况、复杂模型和大变形等问题时,时常会面临物理模型不够完善、计算效率较低、计算精度不足等问题。因此,将知识驱动型的传统计算力学模型与数据驱动型的人工智能计算模型相融合,发展基于人工智能技术的计算力学理论和方法,成为当前计算力学领域的一个重要研究方向,也为解决复杂工程问题提供了新方案,具有非常广阔的应用前景。鉴于此,《固体力学学报》特别组织了《人工智能计算力学》专辑,希望通过该专辑展示国内计算力学工作者在人工智能计算力学这一新兴领域的最新研究成果,可供从事相关领域研究的人员参考。
2021年03期 v.42 218页 [查看摘要][在线阅读][下载 291K] - 严子铭;王涛;柳占立;庄茁;
页岩气是指以吸附和游离时而还有流体相的状态赋存于泥页岩中的非常规天然气,我国探明储量丰富,地域分布广泛,埋藏深度普遍在3000米以下.页岩气开采的关键技术是水平井和水力压裂,而高效开采面临的更大困难和挑战是预测采收率.如果能够预测采收率,一是可以评估当前储层改造程度,二是可以获悉当前的施工参数对产气量的直接影响,便于动态指导施工.由于影响产气量的因素既包括储层自身参数,又受施工参数的直接调控,因此尚无合适的物理模型能够评估多种因素对产气量的综合影响.近年来,随着深度学习的兴起,该方法成为解决工程领域问题的热门手段.论文通过解读涪陵地区页岩气开采水平井的现场数据,分别使用深度神经网络、支持向量回归以及极限梯度爬升等三种机器学习方法,建立了从储层和施工参数到采收率的预测模型,分析了各类模型的优缺点,以及相关参数的重要性.在页岩气施工现场数据量较少的情况下,建立了合理预测采收率模型,具有工程应用前景.
2021年03期 v.42 221-232页 [查看摘要][在线阅读][下载 2023K] - 严子铭;王涛;柳占立;庄茁;
页岩气是指以吸附和游离时而还有流体相的状态赋存于泥页岩中的非常规天然气,我国探明储量丰富,地域分布广泛,埋藏深度普遍在3000米以下.页岩气开采的关键技术是水平井和水力压裂,而高效开采面临的更大困难和挑战是预测采收率.如果能够预测采收率,一是可以评估当前储层改造程度,二是可以获悉当前的施工参数对产气量的直接影响,便于动态指导施工.由于影响产气量的因素既包括储层自身参数,又受施工参数的直接调控,因此尚无合适的物理模型能够评估多种因素对产气量的综合影响.近年来,随着深度学习的兴起,该方法成为解决工程领域问题的热门手段.论文通过解读涪陵地区页岩气开采水平井的现场数据,分别使用深度神经网络、支持向量回归以及极限梯度爬升等三种机器学习方法,建立了从储层和施工参数到采收率的预测模型,分析了各类模型的优缺点,以及相关参数的重要性.在页岩气施工现场数据量较少的情况下,建立了合理预测采收率模型,具有工程应用前景.
2021年03期 v.42 221-232页 [查看摘要][在线阅读][下载 2023K] - 杨航;李丽坤;刘道平;唐山;郭旭;
梯度结构材料因其优异的力学性能被广泛应用于工程结构中.论文整合塑性理论和人工神经网络技术,发展了一种构建梯度结构材料弹塑性本构模型的新方法.该方法基于梯度结构材料不同位置的微结构,构建不同代表性体积单元,进而生成应力应变数据,应用生成的数据训练人工神经网络,建立基于神经网络的材料本构模型.应用该方法,论文开展了针对实际工程结构件的计算,算例结果表明,该方法可快速计算梯度功能复合材料在循环载荷反向载荷状态下的宏观响应,且较为准确.该方法为模拟含复杂梯度结构材料的结构件弹塑性力学响应提供了新的工具.
2021年03期 v.42 233-240页 [查看摘要][在线阅读][下载 1367K] - 杨航;李丽坤;刘道平;唐山;郭旭;
梯度结构材料因其优异的力学性能被广泛应用于工程结构中.论文整合塑性理论和人工神经网络技术,发展了一种构建梯度结构材料弹塑性本构模型的新方法.该方法基于梯度结构材料不同位置的微结构,构建不同代表性体积单元,进而生成应力应变数据,应用生成的数据训练人工神经网络,建立基于神经网络的材料本构模型.应用该方法,论文开展了针对实际工程结构件的计算,算例结果表明,该方法可快速计算梯度功能复合材料在循环载荷反向载荷状态下的宏观响应,且较为准确.该方法为模拟含复杂梯度结构材料的结构件弹塑性力学响应提供了新的工具.
2021年03期 v.42 233-240页 [查看摘要][在线阅读][下载 1367K] - 阳杰;白晓伟;颜巍;黄威;黄群;邵倩;胡衡;
数据驱动计算力学是一种直接利用材料应力应变数据驱动力学仿真计算的新技术.该方法通过反复遍历数据库,为数据驱动模型中的每一个积分点搜索并匹配最佳应力应变数据,使得在高维度和高密度的大规模数据库时计算效率不高.在此背景下,论文提出一种分层数据搜索方案,替换原有的遍历式数据搜索方式,以提升数据驱动的计算效率.该方案的核心思想是将大规模数据库切割成多层级子数据库,并利用树形搜索原理,减小单次搜索数据的范围,降低数据搜索的时间成本,达到提升计算效率的目的.文中简要介绍了数据驱动计算力学的基本步骤,并给出了分层数据库的构造方案,最后结合算例,讨论了数据库分层数量和分层方式对数据驱动计算效率的影响.
2021年03期 v.42 241-248页 [查看摘要][在线阅读][下载 1037K] - 阳杰;白晓伟;颜巍;黄威;黄群;邵倩;胡衡;
数据驱动计算力学是一种直接利用材料应力应变数据驱动力学仿真计算的新技术.该方法通过反复遍历数据库,为数据驱动模型中的每一个积分点搜索并匹配最佳应力应变数据,使得在高维度和高密度的大规模数据库时计算效率不高.在此背景下,论文提出一种分层数据搜索方案,替换原有的遍历式数据搜索方式,以提升数据驱动的计算效率.该方案的核心思想是将大规模数据库切割成多层级子数据库,并利用树形搜索原理,减小单次搜索数据的范围,降低数据搜索的时间成本,达到提升计算效率的目的.文中简要介绍了数据驱动计算力学的基本步骤,并给出了分层数据库的构造方案,最后结合算例,讨论了数据库分层数量和分层方式对数据驱动计算效率的影响.
2021年03期 v.42 241-248页 [查看摘要][在线阅读][下载 1037K] - 郭宏伟;庄晓莹;
随着计算机技术的进步以及机器学习算法的进一步发展,深度学习方法逐渐被广泛应用于各行各业中.论文发展并比较了适应于工程计算的深度配点法与深度能量法并应用于求解薄板弯曲问题.深度配点法采用物理信息驱动的深度神经网络,通过将物理信息(偏微分方程强形式)引入到损失函数中,最终将求解薄板弯曲问题简化为优化问题.深度能量法则是采用系统总势能驱动的神经网络.根据最小势能原理,在所有的可能位移场中,真实位移场的总势能取最小值,因此我们可以使用总势能构造损失函数,从而求解薄板弯曲问题.对于边界条件,通过罚函数法将有约束最优化问题转化为求解无约束最优化问题.深度配点法与深度能量法的适用性基于神经网络的通用近似定理.由于物理信息跟总势能的引入,增加了神经网络训练的困难,为了解决这个问题,我们发展了两步优化器方法.数值结果表明,深度配点法与深度能量法很适合求解薄板弯曲问题,并且程序实现简单,实现了真正意义上的"无网格法".
2021年03期 v.42 249-266页 [查看摘要][在线阅读][下载 2248K] - 郭宏伟;庄晓莹;
随着计算机技术的进步以及机器学习算法的进一步发展,深度学习方法逐渐被广泛应用于各行各业中.论文发展并比较了适应于工程计算的深度配点法与深度能量法并应用于求解薄板弯曲问题.深度配点法采用物理信息驱动的深度神经网络,通过将物理信息(偏微分方程强形式)引入到损失函数中,最终将求解薄板弯曲问题简化为优化问题.深度能量法则是采用系统总势能驱动的神经网络.根据最小势能原理,在所有的可能位移场中,真实位移场的总势能取最小值,因此我们可以使用总势能构造损失函数,从而求解薄板弯曲问题.对于边界条件,通过罚函数法将有约束最优化问题转化为求解无约束最优化问题.深度配点法与深度能量法的适用性基于神经网络的通用近似定理.由于物理信息跟总势能的引入,增加了神经网络训练的困难,为了解决这个问题,我们发展了两步优化器方法.数值结果表明,深度配点法与深度能量法很适合求解薄板弯曲问题,并且程序实现简单,实现了真正意义上的"无网格法".
2021年03期 v.42 249-266页 [查看摘要][在线阅读][下载 2248K] - 童靳于;章青;夏晓舟;郑近德;潘海洋;
机械设备在运转时,不同状态下滚动轴承监测数据存在较大分布差异且难以获取带标签的数据,导致现有模型在跨工况条件下故障诊断准确率低.针对滚动轴承跨工况诊断难题,论文提出一种基于领域自适应的跨工况滚动轴承故障诊断方法,该方法首先提取振动信号故障敏感特征,并将其嵌入Grassmann流形空间,避免直接进行特征变换导致特征失真;其次利用动态分布对齐自适应调整源域和目标域分布差异,并通过增加类内散度正则化项最小化类内距离,增加类的可分性;最后,根据结构风险最小化原则建立域不变分类模型.在不同工况下的滚动轴承数据集上与现有方法进行了比较实验,结果表明论文提出的方法能有效提高分类准确率.
2021年03期 v.42 267-276页 [查看摘要][在线阅读][下载 1589K] - 童靳于;章青;夏晓舟;郑近德;潘海洋;
机械设备在运转时,不同状态下滚动轴承监测数据存在较大分布差异且难以获取带标签的数据,导致现有模型在跨工况条件下故障诊断准确率低.针对滚动轴承跨工况诊断难题,论文提出一种基于领域自适应的跨工况滚动轴承故障诊断方法,该方法首先提取振动信号故障敏感特征,并将其嵌入Grassmann流形空间,避免直接进行特征变换导致特征失真;其次利用动态分布对齐自适应调整源域和目标域分布差异,并通过增加类内散度正则化项最小化类内距离,增加类的可分性;最后,根据结构风险最小化原则建立域不变分类模型.在不同工况下的滚动轴承数据集上与现有方法进行了比较实验,结果表明论文提出的方法能有效提高分类准确率.
2021年03期 v.42 267-276页 [查看摘要][在线阅读][下载 1589K] - 赵福斌;周轩;董雷霆;
飞机结构的检修工作需要根据裂纹扩展预测结果制定出检查时间,而裂纹扩展受到多种随机不确定因素的影响.为了综合利用基于物理知识的模型预测结果与基于检查的观测结果、有效地追踪和控制不确定性,论文提出了一种基于数字孪生的飞机蒙皮裂纹智能检查维修策略.该方法以含铆钉孔边裂纹的飞机蒙皮为研究对象,结合降阶的断裂力学仿真模型、疲劳裂纹扩展模型、裂纹长度检查数据,在动态贝叶斯网络框架下综合考虑了裂纹尺寸初始分布、裂纹扩展模型参数、飞行中的压差载荷、测量误差等不确定因素,根据损伤的概率性诊断和预测结果动态调整裂纹的检查时间.仿真结果表明该方法能够有效追踪不确定性的裂纹扩展过程,可以为飞机蒙皮裂纹的智能检查维修提供方法和依据.
2021年03期 v.42 277-286页 [查看摘要][在线阅读][下载 1436K] - 赵福斌;周轩;董雷霆;
飞机结构的检修工作需要根据裂纹扩展预测结果制定出检查时间,而裂纹扩展受到多种随机不确定因素的影响.为了综合利用基于物理知识的模型预测结果与基于检查的观测结果、有效地追踪和控制不确定性,论文提出了一种基于数字孪生的飞机蒙皮裂纹智能检查维修策略.该方法以含铆钉孔边裂纹的飞机蒙皮为研究对象,结合降阶的断裂力学仿真模型、疲劳裂纹扩展模型、裂纹长度检查数据,在动态贝叶斯网络框架下综合考虑了裂纹尺寸初始分布、裂纹扩展模型参数、飞行中的压差载荷、测量误差等不确定因素,根据损伤的概率性诊断和预测结果动态调整裂纹的检查时间.仿真结果表明该方法能够有效追踪不确定性的裂纹扩展过程,可以为飞机蒙皮裂纹的智能检查维修提供方法和依据.
2021年03期 v.42 277-286页 [查看摘要][在线阅读][下载 1436K] - 刘诗洋;陈祖煜;张云旆;李旭;赵生捷;
论文在已有研究工作的基础上,利用岩石扭剪掘进指标(TPI)和现场贯入指标(FPI),采用卷积神经网络和时间序列预测法,研究隧道掘进机(Tunnel Boring Machine, TBM)掘进塌方段分析和预测的可能性.吉林引松工程TBM大数据库中记录了199列施工期间的各项参数和18处塌方事件,数据总量大、质量高,具有很高的科研价值.基于上述数据,论文在输入功率与破岩效率相当的原理支持下,将某一循环段的现场贯入指标FPI和岩石扭剪掘进指标TPI作为机器学习的训练对象,对正常掘进段和石灰岩区域大规模塌方段K66+000-K66+350(桩号)进行了分析和预测.结果表明:塌方段实测FPI、TPI数值显著偏小,结合三项预测误差指标可判断"阳性",即TBM进入塌方段.相关研究成果为TBM领域的大数据机器学习提供了新的方法,为实现超前地质预警创造了有利条件.
2021年03期 v.42 287-301页 [查看摘要][在线阅读][下载 2503K] - 刘诗洋;陈祖煜;张云旆;李旭;赵生捷;
论文在已有研究工作的基础上,利用岩石扭剪掘进指标(TPI)和现场贯入指标(FPI),采用卷积神经网络和时间序列预测法,研究隧道掘进机(Tunnel Boring Machine, TBM)掘进塌方段分析和预测的可能性.吉林引松工程TBM大数据库中记录了199列施工期间的各项参数和18处塌方事件,数据总量大、质量高,具有很高的科研价值.基于上述数据,论文在输入功率与破岩效率相当的原理支持下,将某一循环段的现场贯入指标FPI和岩石扭剪掘进指标TPI作为机器学习的训练对象,对正常掘进段和石灰岩区域大规模塌方段K66+000-K66+350(桩号)进行了分析和预测.结果表明:塌方段实测FPI、TPI数值显著偏小,结合三项预测误差指标可判断"阳性",即TBM进入塌方段.相关研究成果为TBM领域的大数据机器学习提供了新的方法,为实现超前地质预警创造了有利条件.
2021年03期 v.42 287-301页 [查看摘要][在线阅读][下载 2503K] - 刘宇翔;王东东;樊礼恒;陈健;侯松阳;
在无网格法中,离散节点之间的相互联系由节点形函数影响域的大小确定,因此形函数影响域的大小对无网格法的计算精度有着直接和重要的影响.但由于无网格形函数的形式较为复杂,目前形函数影响域大小的选择仍然缺乏系统的理论依据,通常在实际计算中仍凭借经验进行选取,难以保证计算精度.卷积神经网络是一类机器学习方法,其感受野与无网格形函数的影响域具有内在相似性,因此在形函数影响域选择方面有很好的适用性.基于该特性,论文通过引入卷积神经网络对无网格形函数的影响域进行了优化选择.首先,针对感受野和影响域的匹配关系,分析了卷积神经网络的结构设计和超参数选择,提出了一种无网格法内禀卷积神经网络结构的设计方法;然后依托该网络结构设计方法,建立了对无网格形函数影响域和数值解分别优化或同时优化的卷积神经网络.文中通过算例系统验证了所提无网格法内禀卷积神经网络对形函数影响域选择和计算结果的优化效应.
2021年03期 v.42 302-319页 [查看摘要][在线阅读][下载 3392K] - 刘宇翔;王东东;樊礼恒;陈健;侯松阳;
在无网格法中,离散节点之间的相互联系由节点形函数影响域的大小确定,因此形函数影响域的大小对无网格法的计算精度有着直接和重要的影响.但由于无网格形函数的形式较为复杂,目前形函数影响域大小的选择仍然缺乏系统的理论依据,通常在实际计算中仍凭借经验进行选取,难以保证计算精度.卷积神经网络是一类机器学习方法,其感受野与无网格形函数的影响域具有内在相似性,因此在形函数影响域选择方面有很好的适用性.基于该特性,论文通过引入卷积神经网络对无网格形函数的影响域进行了优化选择.首先,针对感受野和影响域的匹配关系,分析了卷积神经网络的结构设计和超参数选择,提出了一种无网格法内禀卷积神经网络结构的设计方法;然后依托该网络结构设计方法,建立了对无网格形函数影响域和数值解分别优化或同时优化的卷积神经网络.文中通过算例系统验证了所提无网格法内禀卷积神经网络对形函数影响域选择和计算结果的优化效应.
2021年03期 v.42 302-319页 [查看摘要][在线阅读][下载 3392K] - 曾治鑫;阚镭;张雄;
交错网格物质点法(Staggered Grid Material Point Method, SGMP)有效地消除了物质点法(Material Point Method, MPM)的跨网格数值误差,是模拟冲击爆炸等涉及大变形与材料破坏问题的一种有效数值分析方法.为了研究层裂问题,论文将质点失效模型引入交错网格物质点法中,对Hopkinson杆碰撞、飞片撞击靶板碰撞和混凝土受爆炸载荷冲击等层裂问题进行了数值模拟研究,结果表明SGMP可以很好地模拟层裂问题.
2021年03期 v.42 320-333页 [查看摘要][在线阅读][下载 2172K] - 曾治鑫;阚镭;张雄;
交错网格物质点法(Staggered Grid Material Point Method, SGMP)有效地消除了物质点法(Material Point Method, MPM)的跨网格数值误差,是模拟冲击爆炸等涉及大变形与材料破坏问题的一种有效数值分析方法.为了研究层裂问题,论文将质点失效模型引入交错网格物质点法中,对Hopkinson杆碰撞、飞片撞击靶板碰撞和混凝土受爆炸载荷冲击等层裂问题进行了数值模拟研究,结果表明SGMP可以很好地模拟层裂问题.
2021年03期 v.42 320-333页 [查看摘要][在线阅读][下载 2172K] - 孟莉;杨硕;沈泳星;
断裂是结构失效的常见方式.论文在断裂相场模型的基础上应用疲劳退化函数,将断裂相场模型拓展到非线性等向强化本构的循环塑性加载.通过自编循环塑性本构与疲劳塑性相场MATLAB程序,实现了韧性断裂相场模型在疲劳裂纹扩展分析中的应用.运用此程序,分析了疲劳退化函数中的参数和缺口尺寸对疲劳裂纹扩展的影响.首先,研究发现疲劳退化函数参数与裂纹扩展速度具有正相关性.其次,通过分析研究裂纹扩展过程中的力-位移迟滞回线,发现随着裂纹的扩展,结构的刚度逐渐变小.同时,探讨了缺口尺寸对疲劳裂纹扩展的影响,研究发现缺口半径大的模型中,裂纹扩展更加迅速.本研究为相场模型在循环塑性领域的应用提供了强有力的工具.
2021年03期 v.42 334-344页 [查看摘要][在线阅读][下载 1766K] - 孟莉;杨硕;沈泳星;
断裂是结构失效的常见方式.论文在断裂相场模型的基础上应用疲劳退化函数,将断裂相场模型拓展到非线性等向强化本构的循环塑性加载.通过自编循环塑性本构与疲劳塑性相场MATLAB程序,实现了韧性断裂相场模型在疲劳裂纹扩展分析中的应用.运用此程序,分析了疲劳退化函数中的参数和缺口尺寸对疲劳裂纹扩展的影响.首先,研究发现疲劳退化函数参数与裂纹扩展速度具有正相关性.其次,通过分析研究裂纹扩展过程中的力-位移迟滞回线,发现随着裂纹的扩展,结构的刚度逐渐变小.同时,探讨了缺口尺寸对疲劳裂纹扩展的影响,研究发现缺口半径大的模型中,裂纹扩展更加迅速.本研究为相场模型在循环塑性领域的应用提供了强有力的工具.
2021年03期 v.42 334-344页 [查看摘要][在线阅读][下载 1766K] -
<正>1.本刊是固体力学学科的学术性刊物。主要登载具有创造性的固体力学理论、实验和应用研究论文、各重要分支问题的评述和展望以及研究简报与学术讨论等,广泛交流学术界所取得的新研究成果,以促进固体力学学科的发展。读者对象是从事固体力学工作的科研与工程技术人员、高等院校教师和研究生。本刊有中、英文两个版本,向国内外公开发行。2.文稿必须是未在其它刊物上发表的论文。内容务求创新点明确,数据可靠,文字精炼,注意保守国家机密。一般情况下,论文不超过8000字,简报不超过4000字。
2021年03期 v.42 345页 [查看摘要][在线阅读][下载 1955K] <正>1.本刊是固体力学学科的学术性刊物。主要登载具有创造性的固体力学理论、实验和应用研究论文、各重要分支问题的评述和展望以及研究简报与学术讨论等,广泛交流学术界所取得的新研究成果,以促进固体力学学科的发展。读者对象是从事固体力学工作的科研与工程技术人员、高等院校教师和研究生。本刊有中、英文两个版本,向国内外公开发行。2.文稿必须是未在其它刊物上发表的论文。内容务求创新点明确,数据可靠,文字精炼,注意保守国家机密。一般情况下,论文不超过8000字,简报不超过4000字。
2021年03期 v.42 345页 [查看摘要][在线阅读][下载 1955K]