[發(fā)明專利]一種基于自由脹形的薄壁金屬管流動應(yīng)力的測量方法

在審

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• 申請日: 2022-03-01
• 公開（公告）號: CN114626264A
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊晨;許慶琮
• 申請（專利權(quán)）人: 南京理工大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06N3/04;G06N3/08;G01N3/08
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 汪清

1.一種基于自由脹形的薄壁金屬管流動應(yīng)力的測量方法，其特征在于，包括：

(1)建立數(shù)據(jù)庫：利用有限元軟件建立管材自由脹形模型，通過采集不同流動應(yīng)力的管材液壓脹形狀態(tài)下脹形高度的變化曲線，建立管材流動應(yīng)力和脹形高度變化相對應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)庫；

(2)建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型：通過使用編程語言建立包含輸入層、隱藏層和輸出層在內(nèi)的三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，每一層的神經(jīng)元個數(shù)若干，每個神經(jīng)元代表著一個坐標點，在隱藏層中間設(shè)置激活函數(shù)sigmoid層；

(3)進行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓練：首先利用基于計算圖式的誤差反向傳播法求出每一層神經(jīng)元的導數(shù)梯度，然后利用訓練數(shù)據(jù)對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進行訓練；

(4)進行脹形試驗得出實驗結(jié)果：通過管材液壓脹形設(shè)備對管材進行液壓脹形，實時采集管材脹形區(qū)域脹形高度變化曲線，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型得到管材的流動應(yīng)力。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自由脹形的薄壁金屬管流動應(yīng)力的測量方法，其特征在于，建立數(shù)據(jù)庫包括以下步驟：

步驟1、利用ABAQUS有限元軟件對薄壁金屬管材自由脹形過程建立二維軸對稱有限元模型，有限元模型中有兩個部件，一個部件是管材，另一個部件是壓頭，呈中空圓柱體，分別放在管材兩端，限制兩端的管材徑向位移變化，管材中間區(qū)域為自由脹形區(qū)域；

步驟2、采用Swift流動應(yīng)力數(shù)學模型通過改變其中強度因子、屈服應(yīng)變和應(yīng)變硬化指數(shù)的數(shù)值大小來構(gòu)建管材的不同流動應(yīng)力曲線；

步驟3、將獲得的管材流動應(yīng)力曲線輸入進管材脹形有限元模型中，經(jīng)過有限元分析得到管材脹形區(qū)域中間點脹形高度與脹形壓力變化曲線，建立有對應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)庫。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自由脹形的薄壁金屬管流動應(yīng)力的測量方法，其特征在于，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型并進行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓練包括以下步驟：

步驟1、建立三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包括一層輸入層、兩層隱藏層和一層輸出層，兩層隱藏層中間設(shè)置激活函數(shù)sigmoid層，每一層設(shè)置若干個神經(jīng)元，層與層之間神經(jīng)元都互相連接。

步驟2、對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中每一層的神經(jīng)元使用Python語言中numpy模塊的隨機函數(shù)random進參數(shù)初始化；

步驟3、對得到的管材脹形高度曲線轉(zhuǎn)化為管材脹形系數(shù)曲線，將管材脹形系數(shù)曲線上的坐標點進行最大最小化處理后得到二維數(shù)組；

步驟4、將二維數(shù)組在深度學習模型中開始正向傳遞，進行矩陣運算；

步驟5、通過正向傳遞計算的數(shù)值與實際數(shù)值對比計算出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的損失函數(shù)大小；

步驟6、設(shè)定超參數(shù)學習率的大小；

步驟7、將二維數(shù)組正向傳遞計算的結(jié)果與學習率和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)各層的梯度相乘結(jié)果相減去更新各層的權(quán)重系數(shù)和偏置系數(shù)；

步驟8、判斷誤差是否滿足要求，不滿足則重新開始訓練數(shù)據(jù)，直到滿足要求。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于自由脹形的薄壁金屬管流動應(yīng)力的測量方法，其特征在于，管材脹形系數(shù)曲線的轉(zhuǎn)化通過如下方式進行：

X_scaled＝X_std*(max-min)+min (9)

式中，K為管材的脹形系數(shù)；H為管材脹形區(qū)域中間點的脹形高度；r₀為管材初始半徑；X_sta為坐標點的標準化結(jié)果；X為坐標點橫軸或者縱軸的數(shù)值；X_min為所有坐標點橫軸或者縱軸數(shù)值中的最小值；X_max為所有坐標點橫軸或者縱軸數(shù)值中的最大值；X_scaled為坐標點的預(yù)處理結(jié)果。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于自由脹形的薄壁金屬管流動應(yīng)力的測量方法，其特征在于，損失函數(shù)通過下式計算：

式中，MSE為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出值與訓練數(shù)據(jù)的均方誤差；N為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中坐標點數(shù)值的個數(shù)；t為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中坐標點數(shù)值的順序編號；y_t神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出值；m_t為訓練數(shù)據(jù)的實際值。