[發(fā)明專利]一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)疲勞壽命預(yù)測(cè)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110116397.0
• 申請(qǐng)日: 2021-01-28
• 公開（公告）號(hào): CN112784495B
• 公開（公告）日: 2021-09-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 謝貴重;鐘玉東;李浩;杜文遼;馮世哲;鄔昌軍;李客;鞏曉赟;王良文;劉林;張世欣;王滔
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 鄭州輕工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/27
• 分類號(hào): G06F30/27;G06N3/04;G06N3/08;G06F119/04
• 代理公司: 鄭州優(yōu)盾知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 41125
• 代理人: 張真真

本發(fā)明提出了一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，其步驟為：首先，獲得機(jī)械結(jié)構(gòu)中對(duì)應(yīng)的Paris模型的指數(shù)m和系數(shù)c的取值范圍，并生成一系列指數(shù)和系數(shù)；其次，在機(jī)械結(jié)構(gòu)上隨機(jī)獲取觀測(cè)點(diǎn)，針對(duì)一組（m_q，c_q）進(jìn)行循環(huán)，使用對(duì)偶互易邊界元法對(duì)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展分析，獲得觀測(cè)點(diǎn)的位移和實(shí)時(shí)疲勞壽命信息，組成數(shù)據(jù)信息對(duì)；直至遍歷所有（m，c），得到數(shù)據(jù)集；再將數(shù)據(jù)集輸入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行訓(xùn)練，得到BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；最后，采集機(jī)械結(jié)構(gòu)中觀測(cè)點(diǎn)的位移，并將觀測(cè)點(diǎn)的位移輸入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，得到觀測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)疲勞壽命信息。本發(fā)明僅通過觀測(cè)點(diǎn)位移就可預(yù)測(cè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，節(jié)省大量的時(shí)間和成本。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機(jī)械產(chǎn)品的疲勞裂紋的檢測(cè)與預(yù)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)疲勞壽命預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)

在機(jī)械材料加工過程，不可避免的會(huì)出現(xiàn)空洞、夾雜及裂紋等缺陷，在復(fù)雜工況及循環(huán)載荷作用情況下，產(chǎn)生應(yīng)力過度集中，引發(fā)疲勞斷裂，甚至?xí)斐蔀?zāi)難性后果。據(jù)統(tǒng)計(jì)，疲勞斷裂造成的破壞約占到全部力學(xué)破壞的50％-90％，這都與工程結(jié)構(gòu)中存在的缺陷相關(guān)。為了預(yù)防安全事故，減少經(jīng)濟(jì)損失，預(yù)測(cè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的剩余疲勞壽命成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。

隨著計(jì)算力學(xué)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的數(shù)值方法被用來模擬機(jī)械結(jié)構(gòu)裂紋的擴(kuò)展，進(jìn)而預(yù)測(cè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。使用數(shù)值方法可以精確模擬裂紋的擴(kuò)展過程，掌握裂紋擴(kuò)展規(guī)律，從而進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析和壽命預(yù)測(cè)。在這些數(shù)值方法中，最為有效的兩種方法分別為有限元法與邊界元法。

有限元法進(jìn)行裂紋的擴(kuò)展模擬時(shí)應(yīng)力、應(yīng)變精度比位移低一階，裂紋尖端高應(yīng)力區(qū)需要布置高密度網(wǎng)格，并且裂紋只能限制在網(wǎng)格線上，將裂紋面設(shè)置為單元的邊界、裂尖設(shè)置為單元的節(jié)點(diǎn)，模擬裂紋擴(kuò)展時(shí)，隨著裂紋的擴(kuò)展，網(wǎng)格需要重新劃分。在有限元框架中發(fā)展起來的擴(kuò)展有限元，在常規(guī)單元形函數(shù)中加入能反映不連續(xù)性的階躍函數(shù)及裂尖漸進(jìn)位移場(chǎng)函數(shù)。網(wǎng)格與裂紋相互獨(dú)立，裂紋擴(kuò)展不需重構(gòu)網(wǎng)格，能方便地分析含裂紋體的強(qiáng)不連續(xù)問題。然而，為了獲得裂紋擴(kuò)展高精度模擬結(jié)果，依然需要大量的網(wǎng)格。邊界元法作為一種半解析的數(shù)值方法，利用的面力和位移具有同階精度的優(yōu)勢(shì)，可提高機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)變、應(yīng)力分析的精度，在裂紋擴(kuò)展模擬中更具優(yōu)勢(shì)。邊界元法基本解的奇異性質(zhì)，更適合用于機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)疲勞壽命預(yù)測(cè)這類應(yīng)力奇異性問題。

由于使用Paris模型，機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)的不確定性，Paris模型中的系數(shù)需要通過試驗(yàn)測(cè)定大量的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合獲得，帶有隨機(jī)性。如果使用攝動(dòng)法來處理的話，往往需要應(yīng)用到先驗(yàn)知識(shí)。由于裂紋擴(kuò)展過程參數(shù)的變換，攝動(dòng)技術(shù)難以與數(shù)值方法結(jié)合，應(yīng)用于裂紋擴(kuò)展分析。這就給對(duì)偶互易邊界元法預(yù)測(cè)機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)疲勞壽命是帶來了巨大挑戰(zhàn)。

近年來，機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)引起了人們的關(guān)注。反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BPNN)作為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的一種，目前已經(jīng)在基于大量物理實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬數(shù)據(jù)集的工程預(yù)測(cè)問題中獲得了成功應(yīng)用。計(jì)算方法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，在處理裂紋分析中顯示出巨大的潛力。然而，關(guān)于機(jī)械結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)疲勞壽命預(yù)測(cè)的文獻(xiàn)很少。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述背景技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提出了一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中無(wú)法預(yù)測(cè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，造成機(jī)械結(jié)構(gòu)的檢測(cè)精度降低的技術(shù)問題。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，其步驟如下：

步驟一：根據(jù)試驗(yàn)手段獲得機(jī)械結(jié)構(gòu)中對(duì)應(yīng)的Paris模型的指數(shù)m和系數(shù)c的取值范圍，并分別在指數(shù)m和系數(shù)c的取值范圍內(nèi)采用優(yōu)先數(shù)系生成一系列指數(shù)和系數(shù)，得到Q組Paris模型參數(shù)對(duì)(m_q，c_q)，其中，q＝1,2,…,Q；