[发明专利]一种基于贝叶斯推理的湿木材热参数反演方法

说明书

本发明公开了一种基于贝叶斯推理的湿木材热参数反演方法，首先，基于阿伦尼乌斯定律建立湿木材热分解本构模型,详细考虑了木材热解过程中的多个阶段；其次，基于贝叶斯方法建立木材热参数反演模型；再次，基于马尔科夫链蒙特卡罗方法(MCMC)给出所建立模型的求解算法，提出混合反演算法；最后为了更好的实际应用，还提出一种基于MATLAB、ABAQUS和Python的求解算法通用计算方案，该计算方案灵活调用多种计算软件，实现了复杂运算和数据的自动化处理。本发明与传统方法相比，所提方法与实际热解过程拟合较好，同时简单高效，具有较高的热参数反演精度，具备巨大的工程应用价值。

技术领域

本发明属于土木工程、能源与环境技术领域，特别涉及一种基于贝叶斯推理的湿木材热参数反演方法。

背景技术

木材料在国内外现代建筑和古建筑中均得到了广泛的应用，木结构的安全性和耐久性需要着重考虑，关乎到人民的生命财产安全和历史文化价值。由于木材是一种可燃材料，火灾是影响木建筑安全性的重要的因素，木结构的防火问题和正确的防火设计是需要重点研究的关键问题。预测暴露在火灾下的木结构的结构行为和力学性能的退化需要得到更多的关注，这涉及到对影响木结构在火灾中性能的物理现象的正确认识。现如今木结构的材性建模和防火设计主要参考欧洲规范(Eurocode5)，但是该建模方法过于简单，有较多简化，无法准确表征木材在加热分解过程中的复杂物理化学变化。同时，目前ABAQUS和ANSYS等主流通用有限元软件中缺少现有的本构模型，可以对木材等可燃材料进行较好的热分析。为了更好的研究火灾下木结构的结构行为，需要更加准确的木材热分解建模方法。

为了更好的进行木结构的防火设计，不仅需要准确的木材热分解建模，更为关键的是在正确建模的基础上，探究木结构在火灾中的热参数的变化特征。当前木结构的防火的主要措施是在木结构表面涂防火涂料，这种方式可以延缓火灾中木材的升温。探究木结构在有防火涂料保护下热参数的变化特征，并以此来指导防火设计，也是值得关注的重要问题。这类问题往往非常复杂，是一种典型的热传导反问题。人们也提出了诸如采用粒子群算法、遗传算法、伴随方程法、共轭梯度法和一些非迭代方法进行反问题的研究，但是在参数反演的精度和效率方面还存在诸多问题，许多方法存在效率过低，反演精度不高等问题。所以迫切需要一种兼具精度和效率的火灾中，复杂环境下木材热参数反问题求解方法。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种基于贝叶斯推理的湿木材热参数反演方法，可以有效描述木材热解过程的多阶段反应模型，并且可以有效反演木材热分解反应中的相关热参数，有较高的反演精度和计算效率。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种基于贝叶斯推理的湿木材热参数反演方法，包括如下步骤：

S1：基于阿伦尼乌斯定律建立湿木材热分解本构模型；

S2：基于贝叶斯方法建立木材热参数反演模型；

S3：基于马尔科夫链蒙特卡罗方法给出步骤S2所建立反演模型的求解算法，提出混合反演算法。

进一步的，所述步骤S1中湿木材热分解本构模型的建立具体为：

由于湿木材在有氧环境下通过导热和对流换热的热分解过程分为三个阶段，第一阶段是湿木材的干燥和水分的挥发，第二阶段是成炭过程，第三阶段是木炭的缓慢氧化放热最终变成灰烬，具体的反应如下，每个反应都由一阶阿伦尼乌斯定律模拟，假定T1为湿木材，T2为干木材，W为湿木材内部水分，V为水蒸气，C为木炭，G为挥发物，A为灰烬，则多阶段热解反应可表示为：

W→V

T2→C+G1

C→A+G2

湿木材热解的守恒方程由下式表示：