本构模型发现改问因果:气候箱干预在10次运行中7次找回真实机制图,观测数据一次也没有
核心概要
本构模型发现不再只问哪些候选项能拟合响应,而是问哪个环境变量驱动哪个机制。把含内变量的本构模型写成按时间展开的结构因果模型,用弱形式平衡残差给候选图打分,气候箱协议被当作干预。合成多孔板算例中,位移噪声约0.01像素时,干预数据在10次运行里7次精确恢复13条候选边中的8条真实边,且没有归因错误;温湿相关的观测数据一次也没有恢复。
深度剖析
本构模型发现的目标从拟合响应改为识别机制的父变量集合,也就是哪个环境变量或内状态直接驱动哪个机制。 此前的EUCLID类方法在弱形式平衡下从模型库中选稀疏项,每个机制的输入变量固定,环境依赖只作为附加回归量进入,得到的是训练协议的关联性概括。 在穿孔板的水—热—黏弹损伤材料合成算例中,13条候选边里有8条真实边;位移噪声约0.01像素时,干预协议在10次运行中7次精确恢复真实图,观测协议一次也没有,平均结构汉明距离分别为0.4和3.2。
候选机制图通过边界值问题打分,应力与内变量都不需要测量。 因果发现方法通常假定每个节点可观测,或潜变量只通过简单噪声模型进入;固体力学中决定性的应力、损伤和黏性应变是场量,只能经由边界值问题间接得到。 打分只用全场位移、反力和环境场:沿实测位移做应变驱动积分,以弱形式平衡间隙与反力平衡构成残差,在528节点、960个线性三角形、1056个自由度的板上评估。
气候箱协议被当作干预,打分函数的Gauss–Newton矩阵充当局部可辨识性证书,并驱动贪心D-最优试验设计。 观测协议中温度与湿度相关,沿共线方向打分几乎不区分模型;该矩阵由自动微分精确得到,在观测协议下沿这些方向比干预协议平坦250至380倍。 仅从观测数据出发的贪心设计,在126个四试验组合中排第二或第三,三种不同起始模型均如此;手工设计的干预协议排第62。
启示与展望
演示范围是穿孔板的水—热—黏弹损伤材料合成算例,数据由与被搜索模型同类的模型生成,真值在温湿度上可加;读者对象是从事本构模型发现与实验力学的研究者。
证书能预测共线导致的归因错误,却预测不了测量噪声经弱形式打分引入的偏差;0.03像素噪声下各协议都出现虚假边。损伤—松弛耦合的滞后与瞬时两种时序在当前时间分辨率下无法区分,无环约束是按材料更新具有明确求值顺序这一假设选取滞后边,并非经验发现。
