本發(fā)明涉及金屬管件多軸應(yīng)力測(cè)量，具體涉及基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加載金屬管材軸向應(yīng)力和周向應(yīng)力的方法。

背景技術(shù)：

1、長(zhǎng)期以來，金屬薄板塑性成形技術(shù)被廣泛采用，特別是用于飛機(jī)和航天器的合金。傳統(tǒng)板材試驗(yàn)有較高的試驗(yàn)時(shí)間與模具加工成本，而使有限元分析進(jìn)行計(jì)算金屬板的變形行為和預(yù)測(cè)斷裂或起皺等不穩(wěn)定變形模型方面變得越來越重要，這些模型的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)都依據(jù)準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)所得到的本構(gòu)模型為基礎(chǔ)獲得。在金屬薄板成形過程中，材料性能可用屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和加工硬化系數(shù)衡量，這些數(shù)據(jù)通常是從標(biāo)準(zhǔn)的單軸拉伸試驗(yàn)中獲得。

2、然而，汽車、船舶和飛機(jī)的板材零件通常處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，使得金屬薄板受到多軸載荷條件，若使用單軸拉伸試驗(yàn)獲取材料的性能等效為雙軸拉伸試驗(yàn)的性能會(huì)存在很大的誤差，因此塑性變形階段的多軸應(yīng)力和應(yīng)變不能通過傳統(tǒng)的單軸試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量而需雙軸加載試驗(yàn)來進(jìn)行測(cè)量。隨著研究深入，學(xué)者針對(duì)試驗(yàn)材料后繼屈服和強(qiáng)化行為等的研究，也需要大應(yīng)變下材料的性能數(shù)據(jù)進(jìn)行理論驗(yàn)證。

3、對(duì)于研究大應(yīng)變多軸狀態(tài)下得材料性能，通常以管材的形式進(jìn)行研究，做該試驗(yàn)需要配備復(fù)雜反饋控制系統(tǒng)的管材液脹試驗(yàn)機(jī)，通過控制脹形過程中每個(gè)增量的管材液漲力(內(nèi)壓)和管材側(cè)推位移(軸向)進(jìn)給量，在管材中心區(qū)域產(chǎn)生線性應(yīng)力路徑，這使得每次試驗(yàn)的成本都較為昂貴。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于上述問題，本發(fā)明提供了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加載金屬管材軸向應(yīng)力與周向應(yīng)力的方法，本發(fā)明首先建立金屬管材脹形模型，獲得多個(gè)軸向位移和液壓脹力對(duì)管材產(chǎn)生的軸向應(yīng)力和周向應(yīng)力的應(yīng)力比，進(jìn)一步建立應(yīng)力比數(shù)據(jù)集；其次基于應(yīng)力比數(shù)據(jù)集獲得金屬管材加載路徑預(yù)測(cè)模型；最后，將試驗(yàn)所述應(yīng)力比和液壓脹力輸入金屬管材加載路徑預(yù)測(cè)模型，輸出預(yù)測(cè)的軸向位移；將所述預(yù)測(cè)的軸向位移輸入管材液脹試驗(yàn)機(jī)，基于設(shè)定應(yīng)力比和液壓脹力獲得金屬管材的軸向應(yīng)力和周向應(yīng)力，解決了配備復(fù)雜反饋控制系統(tǒng)的管材液脹試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)費(fèi)用昂貴的問題。

2、本發(fā)明提供了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加載金屬管材軸向應(yīng)力與周向應(yīng)力的方法，包括：

3、步驟1、利用有限元軟件建立金屬管材脹形模型；獲取多個(gè)液壓脹力和多個(gè)軸向位移；基于所述多個(gè)液壓脹力、多個(gè)軸向位移和金屬管材脹形模型得到應(yīng)力比數(shù)據(jù)集；

4、優(yōu)選的，步驟1所述得到應(yīng)力比數(shù)據(jù)集的具體步驟包括：

5、步驟1.1、利用abaqus有限元軟件建立金屬管材脹形模型；

6、進(jìn)一步的，所述金屬管材脹形模型包括金屬管材1、中空?qǐng)A柱體夾具一2和中空?qǐng)A柱體夾具二3；

7、所述中空?qǐng)A柱體夾具一2和中空?qǐng)A柱體夾具二3按照綁定約束分別連接金屬管材兩端。

8、步驟1.2、根據(jù)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，獲得多個(gè)液壓脹力和多個(gè)軸向位移；

9、步驟1.3、將各個(gè)軸向位移和各個(gè)管材液壓脹力進(jìn)行兩兩組合，作為加載路徑組合，得到多組加載路徑組合；

10、步驟1.4、將各組加載路徑組合分別輸入金屬管材脹形模型中，分別獲得金屬管材脹形區(qū)域以及產(chǎn)生在金屬管材脹形區(qū)域中間單元的軸向應(yīng)力和周向應(yīng)力，并獲得軸向應(yīng)力和周向應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)力比；基于各組加載路徑組合對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)力、周向應(yīng)力及其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力比，建立應(yīng)力比數(shù)據(jù)集；

11、步驟2、搭建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入為液壓脹力和應(yīng)力比；輸出為軸向位移；

12、示例性的，所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型包括一層輸入層、兩層隱藏層和一層輸出層；所述兩層隱藏層中間設(shè)置激活函數(shù)sigmoid層，每一層設(shè)置若干個(gè)神經(jīng)元，層與層之間神經(jīng)元都互相連接；

13、步驟3、基于應(yīng)力比數(shù)據(jù)集對(duì)所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練，得到金屬管材加載路徑預(yù)測(cè)模型；

14、優(yōu)選的，得到金屬管材加載路徑預(yù)測(cè)模型的具體步驟包括：

15、步驟3.1.將應(yīng)力比數(shù)據(jù)集進(jìn)行歸一化處理，得到處理后的應(yīng)力比數(shù)據(jù)集；將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重和閾值進(jìn)行初始化處理；

16、步驟3.2.當(dāng)k＝1時(shí)，表示第一個(gè)液壓脹力、應(yīng)力比以及軸向位移；

17、選取處理后的應(yīng)力比數(shù)據(jù)集中第k個(gè)液壓脹力和應(yīng)力比；

18、步驟3.3.將所述第k個(gè)液壓脹力和應(yīng)力比輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型ak，獲得第k個(gè)實(shí)際軸向位移；基于應(yīng)力比數(shù)據(jù)集獲得第k個(gè)液壓脹力和應(yīng)力比對(duì)應(yīng)的第k個(gè)軸向位移；

19、步驟3.4.將所述第k個(gè)實(shí)際軸向位移與第k個(gè)軸向位移進(jìn)行比較，是否存在誤差；若存在，則基于誤差對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型ak的權(quán)重進(jìn)行更新，獲得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型ak+1，進(jìn)入下一步驟；若不存在，直接進(jìn)入下一步；

20、步驟3.5.判斷k是否大于等于k，k為應(yīng)力比數(shù)據(jù)集中液壓脹力的個(gè)數(shù)，若是，則訓(xùn)練結(jié)束，得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型ak+1，將所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型ak+1作為金屬管材加載路徑預(yù)測(cè)模型；若否令k＝k+1，返回步驟3.3；

21、進(jìn)一步的，所述金屬管材加載路徑預(yù)測(cè)模型表達(dá)式為：

22、

23、其中，yk為預(yù)測(cè)的第k個(gè)軸向位移，wjk為第k個(gè)軸向位移在第j層隱藏層神經(jīng)元的權(quán)值，j＝1,2,3...j，j表示隱藏層數(shù)量，aj為隱藏層偏置權(quán)重，wij為第i層輸入層與第j層隱藏層之間的權(quán)重，bc為輸出層上偏置權(quán)重；sig(·)為sigmoid激活函數(shù)；xi,k為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型ak輸入層i的輸入值，i＝1,2,3...i，i表示輸入層數(shù)量；yk為第k個(gè)實(shí)際軸向位移。

24、步驟4、按照試驗(yàn)條件設(shè)定應(yīng)力比和液壓脹力；

25、將所述設(shè)定應(yīng)力比和液壓脹力輸入金屬管材加載路徑預(yù)測(cè)模型，輸出預(yù)測(cè)的軸向位移；

26、將所述預(yù)測(cè)的軸向位移輸入管材液脹試驗(yàn)機(jī)，基于設(shè)定應(yīng)力比和液壓脹力獲得金屬管材的軸向應(yīng)力和周向應(yīng)力。

27、優(yōu)選的，所述金屬管材的軸向應(yīng)力和周向應(yīng)力的表達(dá)式為：

28、

29、其中，σ為應(yīng)力，ε是應(yīng)變，e是材料的彈性模量，k是材料的強(qiáng)度系數(shù)，n是材料的硬化指數(shù)。

30、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有現(xiàn)如下有益效果：

31、本發(fā)明只需以數(shù)值模擬生成所需的邊界條件、軸向側(cè)推位移和壓力分布，可不再使用管材多軸試驗(yàn)機(jī)上復(fù)雜昂貴的控制系統(tǒng)，能有效降低試驗(yàn)機(jī)的成本。

技術(shù)特征：

1.一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加載金屬管材軸向應(yīng)力與周向應(yīng)力的方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加載金屬管材軸向應(yīng)力與周向應(yīng)力的方法，其特征在于，步驟1所述得到應(yīng)力比數(shù)據(jù)集的具體步驟包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加載金屬管材軸向應(yīng)力與周向應(yīng)力的方法，其特征在于，步驟2所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型包括一層輸入層、兩層隱藏層和一層輸出層；所述兩層隱藏層中間設(shè)置激活函數(shù)sigmoid層，每一層設(shè)置若干個(gè)神經(jīng)元，層與層之間神經(jīng)元都互相連接。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加載金屬管材軸向應(yīng)力與周向應(yīng)力的方法，其特征在于，

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的加載金屬管材軸向應(yīng)力與周向應(yīng)力的方法，其特征在于，

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加載金屬管材軸向應(yīng)力與周向應(yīng)力的方法，其特征在于，所述金屬管材的軸向應(yīng)力和周向應(yīng)力的表達(dá)式為：

7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的加載金屬管材軸向應(yīng)力與周向應(yīng)力的方法，其特征在于，所述金屬管材脹形模型包括金屬管材(1)、中空?qǐng)A柱體夾具一(2)和中空?qǐng)A柱體夾具二(3)；

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的加載金屬管材軸向應(yīng)力與周向應(yīng)力的方法，其特征在于，所述金屬管材脹形區(qū)域的長(zhǎng)度與金屬管材(1)外直徑的比例關(guān)系為1:2。

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的加載金屬管材軸向應(yīng)力與周向應(yīng)力的方法，其特征在于，所述綁定約束基于abaqus/cae有限元軟件制定。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加載金屬管材軸向應(yīng)力與周向應(yīng)力的方法，其特征在于，所述金屬管材為6061鋁合金o態(tài)管。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加載金屬管材軸向應(yīng)力和周向應(yīng)力的方法，屬于金屬管件多軸應(yīng)力測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明首先建立金屬管材脹形模型，獲得多個(gè)軸向位移和液壓脹力對(duì)管材產(chǎn)生的軸向應(yīng)力和周向應(yīng)力的應(yīng)力比，進(jìn)一步建立應(yīng)力比數(shù)據(jù)集；其次基于應(yīng)力比數(shù)據(jù)集獲得金屬管材加載路徑預(yù)測(cè)模型；最后，將試驗(yàn)所述應(yīng)力比和液壓脹力輸入金屬管材加載路徑預(yù)測(cè)模型，輸出預(yù)測(cè)的軸向位移；將所述預(yù)測(cè)的軸向位移輸入管材液脹試驗(yàn)機(jī)，基于設(shè)定應(yīng)力比和液壓脹力獲得金屬管材的軸向應(yīng)力和周向應(yīng)力，解決了配備復(fù)雜反饋控制系統(tǒng)的管材液脹試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)費(fèi)用昂貴的問題。

技術(shù)研發(fā)人員：李小強(qiáng),李崢,張宗江,王春瀟
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2