[發明專利]基于人工智能大數據預測塑料壓力管道長期壽命的方法

在審

• 申請號: 201910201622.3
• 申請日: 2019-03-18
• 公開（公告）號: CN109977511A
• 公開（公告）日: 2019-07-05
• 發明（設計）人: 張應遷;郭毅;岳躍;付磊;羅云蓉;謝云霞
• 申請（專利權）人: 四川輕化工大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 重慶市信立達專利代理事務所(普通合伙) 50230
• 代理人: 包曉靜

本發明屬于數據分析技術領域，公開了一種基于人工智能大數據預測塑料壓力管道長期壽命的方法，收集塑料壓力管道失效案例；通過實驗獲取典型塑料壓力管道材料的力學性能參數；提取影響塑料壓力管道使用壽命的基本參數；將影響塑料壓力管道使用壽命的基本參數作為輸入參數，失效模式以及剩余壽命作為輸出參數，形成大數據分析文件；通過大數據分析軟件WEKA，進行數據挖掘分析，得到預測失效模式以及剩余使用壽命；選擇適用于塑料壓力管道的預測算法；根據選擇的算法完成對塑料壓力管道失效模式以及剩余使用壽命的預測。本發明預測塑料壓力管道長期壽命的精準度、可靠性較高，可提高塑料壓力管道的使用壽命，可提高安裝、使用過程的安全性。

技術領域

本發明屬于數據分析技術領域，尤其涉及一種基于人工智能大數據預測塑 料壓力管道長期壽命的方法。

背景技術

隨著我國加強對化學建材的推廣應用力度，塑料管道得到了廣泛的應用， 已深入到社會生產的各個領域。與傳統的金屬管、水泥管等管道相比，塑料管 具有節能節材、質輕價廉、耐腐蝕、易安裝、壽命長、柔韌性好等優點，因而 越來越受到工程界的青睞。在中國宏觀經濟快速發展的拉動下，中國已經成為 塑料管道產量最多的國家，且管道的品種較多。

另一方面，塑料管道的工作環境一般為長期承壓、高溫熱水、埋地外負荷 等，這些惡劣的應用條件決定了塑料管道應具有優良的性能。而我國生產的塑 料管道品質低下，且大量使用未經長期靜液壓評價試驗的原材料，這為今后可 能出現的品質問題埋下了隱患。目前，塑料管道壽命預測工作的理論還不成熟， 方法還不完善，遠遠跟不上塑料管道的發展速度。因此，如何評價塑料管道的 長期力學性能并進行壽命預測就顯得尤為迫切。目前現有方法如下：

線彈性斷裂力學(LEFM)

LEFM主要描述線彈性材料中尖端裂紋的行為。其將材料的破壞過程理想 化為施加的應力強度因子(SIF)和管材的斷裂韌性相平衡的結果。根據LEFM理 論，破壞過程可以分成3個階段：在施加載荷和裂紋萌發之間的潛伏期，SCG 以及當施加的SIF超過材料的斷裂韌性時發生的脆性破壞。如圖1所示，圖1 為典型的裂紋長度隨加載時間變化圖。

但是，利用LEFM方法來預測管道壽命有如下局限性：第一，缺乏管道上 裂紋萌發位置的尺寸和形狀信息，而這些會影響裂紋萌發和原始裂紋擴展階段。 第二，在斷裂力學樣本中，材料主體在線性黏彈性范圍內承受應力和應變(低于 1～2MPa)，而實際的內壓管道承受的應力水平一般在非線性黏彈性范圍(高于 4MPa)，這有可能導致LEFM理論失效。并且，新開發的PE管材原料具有更大 的裂紋尖端塑性，這也限制了LEFM理論的有效性。第三，在使用LEFM方法 時，必須對材料的老化效應進行正確的評估。

標準外推法(SEM)

塑料管的失效行為可根據應力破壞曲線(由靜液壓實驗得到)進行分析。靜液 壓實驗是將樣管放置于一定溫度的環境中(如水或空氣)，管樣內充滿所選的介 質，對其施加不同的壓力值，記錄樣品的破壞時間。根據大量實驗，可以得出 塑料壓力管道主要有3種失效模式。如圖2所示，logS為環向應力，logt_f為失 效時間。

使用標準外推法時，應注意材料老化和材料缺陷的影響。在管材制造、安 裝過程中，會造成管材的初始缺陷，例如Brown確定了商業管道的最大隨機缺 陷平均尺寸大約為100μm。在利用標準外推法進行管道設計時，考慮到這些缺 陷的影響，應引入安全系數。相對于標準外推法，Farshad提出了極限應變外推 法(USEM)和畸變能外推法(DEEM)，并指出USEM適用于脆性和纖維增強材料 而DEEM則適用于廣泛的材料類型。其中，USEM依據應變失效準則，而DEEM 依據與失效應力對應的畸變能。

彈塑性斷裂力學(EPFM)