[發(fā)明專利]一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的碳酸鈣填充復(fù)合材料設(shè)計方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 202110269544.8
• 申請日: 2021-03-12
• 公開（公告）號: CN113051724A
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 潘斯寧;羅士君;蘇南光;胡正西;張敏
• 申請（專利權(quán)）人: 賀州學(xué)院
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06N3/08;G06N3/12;G06F113/26
• 代理公司: 北京清亦華知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11201
• 代理人: 何世磊

本發(fā)明公開了一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的碳酸鈣填充復(fù)合材料設(shè)計方法，包括制備試驗樣品；測試力學(xué)性能參數(shù)；生成代表性體積單元，計算三維盒維數(shù)；收集各類不同的填充工藝參數(shù)及對應(yīng)的各個力學(xué)性能指標(biāo)，整理成數(shù)據(jù)集；進行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建模；采用GA算法對初始BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化，利用數(shù)據(jù)集中的訓(xùn)練集進行模型的訓(xùn)練；計算誤差百分比；可將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型用于碳酸鈣填充復(fù)合材料的工藝設(shè)計及性能預(yù)測。本發(fā)明可以克服二維圖像難以反映不同填充工藝參數(shù)下代表性體積單元結(jié)構(gòu)特征的缺陷，科學(xué)設(shè)計碳酸鈣粉體填充聚合物基復(fù)合材料的填充工藝參數(shù)，提高碳酸鈣粉體填充聚合物基復(fù)合材料設(shè)計研發(fā)效率，可以將研發(fā)周期縮短至一半。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的碳酸鈣填充復(fù)合材料設(shè)計方法，適用于碳酸鈣粉體填充聚合物基復(fù)合材料的工藝設(shè)計及結(jié)構(gòu)、性能預(yù)測，屬于復(fù)合材料制造技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

碳酸鈣粉體(CaCO₃)是填充聚合物基復(fù)合材料(如：CaCO₃/PVC、CaCO₃/PP等)加工中廣泛使用的無機填料，它不僅可減少聚合物基體用量，降低成本，還可以改善復(fù)合材料的強度、韌性、硬度、彈性模量、尺寸穩(wěn)定性等。碳酸鈣粉體填充復(fù)合材料需要具備良好的拉伸強度、韌性、沖擊強度和彎曲強度等綜合力學(xué)性能，才能滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的使用需求。

影響碳酸鈣粉體填充聚合物基復(fù)合材料力學(xué)性能的工藝因素很多，主要包括聚合物基體的性能、碳酸鈣填料的化學(xué)組成成分、顆粒的幾何形狀及粒徑分布、顆粒填充體積比，以及顆粒表面性質(zhì)等物理特性。目前關(guān)于碳酸鈣填充工藝的研發(fā)以開展大量工藝實驗為主，對于不同填充工藝對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響機理缺乏深入研究；為尋求碳酸鈣填充工藝與復(fù)合材料力學(xué)性能的理想組合，需要開展大量的工藝開發(fā)及性能測試實驗，導(dǎo)致研發(fā)周期過長，材料性能有待進一步提高。

“材料基因工程”是近年來國際材料領(lǐng)域興起的顛覆性前沿技術(shù)，通過采用高通量并行迭代方法替代傳統(tǒng)試錯法中的多次順序迭代方法，逐步由“經(jīng)驗指導(dǎo)實驗”向“理論預(yù)測和實驗驗證相結(jié)合”的材料研究新模式轉(zhuǎn)變，以提高新材料的研發(fā)效率。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為智能制造領(lǐng)域中的一項先進技術(shù)，為解決多維非線性系統(tǒng)及模型未知系統(tǒng)的預(yù)測和優(yōu)化提供了一條新途徑。

中國專利CN109190767A公開了一種基于機器學(xué)習(xí)的阻燃面料性能老化預(yù)測方法，該方法的步驟如下：獲得阻燃面料老化性能訓(xùn)練樣本；采集阻燃面料的二維圖像作為訓(xùn)練模型的輸入特征，測試面料老化后的機械性能、阻燃性能和熱防護性能作為訓(xùn)練模型的目標(biāo)變量；進行SVM回歸訓(xùn)練，獲得性能老化模型，輸入阻燃面料性能老化數(shù)據(jù)庫；準(zhǔn)備阻燃面料性能老化測試樣本，采集二維圖像并進行預(yù)處理；阻燃面料測試樣本二維圖像的參數(shù)化處理；從阻燃面料性能老化數(shù)據(jù)庫中提取SVM模型，將二維圖像參數(shù)作為輸入特征，預(yù)測面料機械性能、阻燃性能和熱防護性能老化結(jié)果。該發(fā)明通過非破壞性的圖像采集方式，快速準(zhǔn)確地預(yù)測阻燃面料的機械性能、阻燃性能和熱防護性能。

中國專利CN108563906A公開了一種基于深度學(xué)習(xí)的短纖維增強復(fù)合材料宏觀性能預(yù)測方法，包括使用隨機吸附法生成代表性體積單元、基于數(shù)值仿真的均質(zhì)化方法計算材料宏觀性能，建立纖維分布圖像對應(yīng)宏觀性能的訓(xùn)練樣本集，在此基礎(chǔ)上搭建、訓(xùn)練卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等過程。該發(fā)明的預(yù)測方法所得結(jié)果與實際測試得到的力學(xué)性能參數(shù)存在一定的差距。因此，僅利用有限元計算結(jié)果作為機器學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練和測試的數(shù)據(jù)集，會影響所得機器學(xué)習(xí)模型的準(zhǔn)確性與適用性。

目前尚未發(fā)現(xiàn)有利用機器學(xué)習(xí)算法進行碳酸鈣粉體填充聚合物基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)及性能設(shè)計的專利。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了克服二維圖像難以反映不同填充工藝參數(shù)組合下代表性體積單元結(jié)構(gòu)特征的缺陷，以及提高碳酸鈣粉體填充聚合物基復(fù)合材料設(shè)計研發(fā)效率，提供一種采用三維盒維數(shù)作為表征填充復(fù)合材料的顆粒分布結(jié)構(gòu)量化表征參量，并采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立填充工藝參數(shù)與材料力學(xué)性能之間的聯(lián)系，進行碳酸鈣粉體填充聚合物基復(fù)合材料的科學(xué)設(shè)計。