[發明專利]一種基于主成分分析的缺陷形貌等效與壽命評估方法

在審

• 申請號: 202210041953.7
• 申請日: 2022-01-14
• 公開（公告）號: CN114547928A
• 公開（公告）日: 2022-05-27
• 發明（設計）人: 胡殿印;王榮橋;潘錦超;毛建興;寶劍光
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/10;G06F119/04;G06F119/14
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 江亞平;鄧治平

1.一種基于主成分分析的缺陷形貌等效與壽命評估方法，其特征在于，實現步驟如下：

(1)采用斷層掃描成像技術獲得含缺陷材料的所述缺陷的三維的缺陷形貌，并導出該缺陷形貌的缺陷輪廓點云的三維坐標；

(2)基于該三維坐標建立三維線性空間，采用主成分分析法唯一確定該缺陷形貌的缺陷等效橢球的長軸、中軸、短軸所對應的方向及空間取向矩陣；將所述缺陷輪廓點云的三維坐標形成的缺陷輪廓坐標矩陣按照所述空間取向矩陣進行坐標轉換，得到以所述缺陷等效橢球的長軸、中軸與短軸為基坐標的線性空間下的缺陷形貌；

(3)在以所述缺陷等效橢球的長軸、中軸與短軸為基坐標的線性空間下分別計算步驟(2)中得到的該線性空間下的缺陷形貌在所述長軸、中軸及短軸上的投影，并分別記作長軸長度、中軸長度與短軸長度；

(4)對所述含缺陷材料的所有缺陷按照步驟(1)-(4)的順序進行批處理，得到所有缺陷的長軸長度、中軸長度與短軸長度的統計值，并統計所有缺陷的長軸長度、中軸長度與短軸長度的最大值與最小值；

(5)根據所述長軸長度的最小值與最大值范圍、所述中軸長度的最小值與最大值范圍和所述短軸長度的最小值與最大值范圍形成缺陷形貌樣本；根據疲勞試驗中的載荷范圍形成載荷樣本；根據步驟(3)中的所述長軸與加載方向的夾角α、所述中軸與加載方向的夾角β和所述短軸與加載方向的夾角θ形成缺陷取向樣本；

(6)基于有限元方法計算，利用步驟(5)中的所述缺陷形貌樣本、載荷樣本及缺陷取向樣本進行有限元分析，獲得應力集中系數，并采用神經網絡將步驟(5)中獲得的所述缺陷形貌樣本、載荷樣本和缺陷取向樣本與所述應力集中系數進行關聯；

(7)基于微塑性理論確定所述含缺陷材料的缺陷周圍的微塑性尺寸，并從步驟(6)中的所述缺陷形貌樣本、載荷樣本及缺陷取向樣本中直接進行抽樣，獲得所述含缺陷材料的缺陷的致裂有效應力；

(8)將所述步驟(7)中所述缺陷的致裂有效應力帶入壽命評估方法中，得到含缺陷材料的低循環疲勞壽命。

2.根據權利要求1所述的基于主成分分析的缺陷形貌等效與壽命評估方法，其特征在于：所述步驟(2)中，按照所述三維坐標的絕對值大小從大到小排列形成所述缺陷等效橢球的長軸、中軸與短軸。

3.根據權利要求1所述的基于主成分分析的缺陷形貌等效與壽命評估方法，其特征在于：所述含缺陷材料的缺陷包括微氣孔、未熔融區域、夾雜物或微裂紋。

4.根據權利要求1所述的基于主成分分析的缺陷形貌等效與壽命評估方法，其特征在于：在步驟(5)中，所述缺陷形貌樣本、載荷樣本和缺陷取向樣本的形成方法為：在所述長軸長度的最小值與最大值間、所述中軸長度的最小值與最大值間、所述短軸長度的最小值與最大值間分別等間距取多個點，交叉抽樣作為有限元計算的輸入，形成缺陷形貌樣本；在疲勞試驗中的載荷范圍中等間距取多個點作為有限元計算的輸入，形成載荷樣本；選定多個所述長軸與加載方向的夾角α、多個所述缺陷的中軸與加載方向的夾角β、多個所述缺陷的短軸與加載方向的夾角θ，交叉抽樣作為有限元計算的輸入，作為缺陷取向樣本。

5.根據權利要求1所述的基于主成分分析的缺陷形貌等效與壽命評估方法，其特征在于：在步驟(7)中的所述微塑性理論提出了不同尺寸的缺陷在含缺陷材料中引起的塑性變形區域大小計算方法，基于上述計算方法確定考慮缺陷尺寸、空間取向的致裂有效應力，所述致裂有效應力的確定方式如下：

其中，σ_eff是缺陷的致裂有效應力；σ_m是外界加載應力，由疲勞試驗的載荷確定；N是缺陷數量，由缺陷密度與試驗件體積確定；d_void為缺陷尺寸，從缺陷數據中抽樣得到；f(d_void)是缺陷尺寸相關的微塑性區域尺寸，由微塑性理論得到；ε_a為外界加載應變幅，由疲勞試驗的載荷確定；h(ε_a)是外界加載應變幅相關的微塑性區域尺寸因子，通過疲勞試驗獲取；M為缺陷在含缺陷材料中引起的應力集中系數，從神經網絡的預測值中抽樣確定；S_i,void為第i個缺陷的截面積，由缺陷形貌抽樣確定。

6.根據權利要求1所述的基于主成分分析的缺陷形貌等效與壽命評估方法，其特征在于：所述步驟(8)中的壽命評估方法為將所述步驟(7)中的所述缺陷的致裂有效應力帶入應力控制的壽命公式中，計算含缺陷材料的低循環疲勞壽命。