Reliable forward uncertainty quantification in engineering requires methods that account for aleatory and epistemic uncertainties. In many applications, epistemic effects arising from uncertain parameters and model form dominate prediction error and strongly influence engineering decisions. Because distinguishing and representing each source separately is often infeasible, their combined effect is typically analyzed using a unified model-error framework. Model error directly affects model credibility and predictive reliability; yet its characterization remains challenging. To address this need, we introduce a bootstrap-based stochastic subspace model for characterizing model error in the stochastic reduced-order modeling framework. Given a snapshot matrix of state vectors, the method leverages the empirical data distribution to induce a sampling distribution over principal subspaces for reduced order modeling. The resulting stochastic model enables improved characterization of model error in computational mechanics compared with existing approaches. The method offers several advantages: (1) it is assumption-free and leverages the empirical data distribution; (2) it enforces linear constraints (such as boundary conditions) by construction; (3) it requires only one hyperparameter, significantly simplifying the training process; and (4) its algorithm is straightforward to implement. We evaluate the method's performance against existing approaches using numerical examples in computational mechanics and structural dynamics.


翻译:工程中可靠的前向不确定性量化需要能够同时处理偶然不确定性与认知不确定性的方法。在许多应用中,由不确定参数和模型形式引起的认知效应主导着预测误差,并强烈影响工程决策。由于单独区分和表征每个不确定性源通常不可行,通常采用统一的模型误差框架来分析它们的综合效应。模型误差直接影响模型可信度与预测可靠性,但其表征仍具挑战性。为应对这一需求,我们在随机降阶建模框架中引入一种基于自助法的随机子空间模型,用于表征模型误差。给定状态向量的快照矩阵,该方法利用经验数据分布诱导出降阶建模主空间的抽样分布。相较于现有方法,所得随机模型能够改进计算力学中模型误差的表征。该方法具有以下优势:(1) 无需预设假设,充分利用经验数据分布;(2) 通过构造自动满足线性约束(如边界条件);(3) 仅需一个超参数,显著简化训练过程;(4) 算法实现简洁。我们通过计算力学与结构动力学中的数值算例,评估了该方法相对于现有方法的性能。

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