一种金属材料裂纹扩展路径预测方法技术

本发明专利技术公开了一种金属材料裂纹扩展路径预测方法，包括：基于相场断裂理论引入描述弥散列连续相场损伤系数和应变能历史变量，并进行有限元计算相场损伤系数；将获得的损伤系数进行处理获得神经网络训练的目标矩阵和神经网络输入矩阵，之后导入事先训练好的具有时序预测功能的时间延时神经网络对相场损伤变量进行机器学习；在满足均方误差值时输出动态裂纹扩展路径，将输出结果转化为0和1的形式。将输出结果转化为0和1的形式。将输出结果转化为0和1的形式。

【技术实现步骤摘要】
一种金属材料裂纹扩展路径预测方法


[0001]本专利技术涉及金属材料裂纹路径扩展预测算法领域，具体涉及一种基于相场法与时间延时神经网络的金属材料裂纹扩展路径预测方法。

技术介绍

[0002]在工程实际问题中，导致金属材料发生永久破坏的原因主要可分为2类，即发生断裂和产生塑性变形。而断裂又是金属工程材料最主要的失效模式。在大多数情况下，设计规范中通过设置较高的安全系数，避免金属构件发生危险的脆性断裂。在实际工程问题中，由于裂纹尖端存在严重应力奇异性(裂纹尖端的应力是无穷大)，导致裂纹尖端存在一定范围的塑性损伤，进而晶体发生大量的位错损伤，正向激励了裂纹的扩展演变。综上所述，无论是金属构件发生脆性断裂，还是在疲劳载荷作用下发生的疲劳裂纹扩展，损伤断裂过程复杂，难以突破唯象的方法进行研究吗，更无法准确的预测裂纹的扩展路径。因此准确预测金属材料断裂萌生位置和传播路径，对于解决实际工程安全问题具有十分重要的指导和参考意义。
[0003]各国断裂力学领域的科研工作者与科学家，在解决裂纹扩展路径预测的研究中常使用的数值分析方法包括3类，即奇异单元法(Quasi Static Methods)、内聚力单元法(Cohesive Element Methods)、扩展有限元法(Extension Finite Element Methods,XFEM)。这3种方法在成熟的商用有限元分析软件中有较为广泛的应用，以ABAQUS为例：
[0004]奇异单元法：通过在裂纹尖端设置奇异单元，通过交互积分计算裂纹尖端的断裂参数，后再根据断裂准则重新与裂纹扩展准则重新划分网格。该方法仅适用于准静态裂纹尖端应力强度因子计算的情况，也就是裂纹静态问题，若想实现裂纹路径的模拟计算，就需要不断更新复杂的裂纹尖端奇异网格，操作极其复杂，难以实现裂纹扩展路径的预测。
[0005]内聚力法：需要预先知道裂纹扩展路径，在裂纹扩展路径上设置厚度为0的Cohesive单元，进而模拟出由于结构断裂而引起的非连续断裂位移场。该方法的不足处在于，需要预先设置裂纹扩展路径，在复杂裂纹扩展问题中。
[0006]扩展有限元法：目前应用最多的方法，基于断裂力学中断裂能量释放率准则，并且在裂纹尖端采用水平集函数的方式，描述网格不连续体的裂纹面的扩展路径，进而实现了裂纹扩展模拟。在该方法中，裂纹的扩展路径的计算精度，严重依赖于有限元网格的划分精度，计算成本较大并且精度不高。
[0007]上述3种方法是目前应用较广泛的计算断裂的方法，但是由于断裂问题复杂性，每种方法的不足与劣势也十分明显。在预测裂纹萌生位置与裂纹扩展路径问题中，不能准确的模拟裂纹扩展路径。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于克服现有技术的缺陷，通过断裂变分原理构建断裂平衡方程求解相场损伤变量，不使用复杂的相场法计算，而是利用相场损伤变量描述弥散裂纹的扩展
过程即裂纹的扩展路径。
[0009]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0010]一种基于相场法与时间延时神经网络的金属材料裂纹扩展路径预测方法，包括
[0011]步骤一：对待测试的构件建立有限元模型；基于相场断裂理论构建断裂平衡方程并得到相场断裂控制方程，引入相场断裂计算的关键参数进行有限元计算求解弥散裂纹损伤变量；其中，所述关键参数包括描述弥散列连续标量场的损伤系数和防止裂纹闭合的应变能历史变量；
[0012]步骤二：将步骤一得到的相场损伤变量进行处理获得神经网络训练的目标矩阵和神经网络输入矩阵；将神经网络输入矩阵和目标矩阵导入事先训练好的具有时序预测功能的时间延时神经网络对相场损伤变量进行机器学习；其中正向为神经网络训练过程，反向为更新神经网络学习参数过程；同时采用均方误差作为性能评价函数进行迭代预测，直至满足均方误差值时输出裂纹扩展路径；其中，所述神经网络层为三层神经网络层，最后一层采用Hardlin 输出层，将输出结果转化为0和1的形式，再把训练后的数据可视化后输出灰度图；
[0013]步骤三：使用精度系数评价预测裂纹扩展路径与实际裂纹扩展路径的累计偏差
[0014]以机械缺口尖端为原点的局部坐标系下，计算无量纲精度系数η，即预测精度：
[0015][0016]其中x
pi
表示步骤二获得的动态裂纹扩展路径的横向坐标值，x
ti
表示为相同纵坐标下真实裂纹的横向坐标，l
t
表示真实裂纹长度；
[0017]进一步的，使用Fortran编写相场断裂UEL子程序进行有限元计算，并在计算中定义边界条件、载荷信息和材料属性信息。
[0018]进一步的，所述步骤一包括：
[0019]对待测试的构件建立有限元模型；
[0020]根据材料断裂过程中的能量守恒关系，构建断裂平衡方程(还是：计算有限元模形的总体势能)：
[0021]Π
int
＝E(u，d)+W(d)
[0022]其中，d是描述弥散列连续标量场的损伤变量；当d＝0时，材料完整；d＝1，材料完全破坏，u为位移向量，E(u，d)是考虑损伤的弹性应变能，W(d)是裂纹面生成所消耗的断裂能；
[0023]根据裂纹面生成的能量守恒关系，构建伽辽金等效积分形式计算弹性应变能和材料断裂过程中的断裂能，引入应变能历史变量根据断裂路径是沿最小自由能扩展原理，对能量守恒方程求一阶变分得到相场控制方程
[0024][0025]利用相场控制方程，既驻值等于零时函数有极值求解相场控制方程，计算弥散裂纹损伤变量
[0026]进一步的，神经网络训练前，还包括对步骤一构建的有限元模型的裂纹扩展区域进行网格细化处理处理，即调整最小网格和整体网格尺寸，中间采用线性过度。
[0027]进一步的，步骤二中神经网络训练的目标矩阵的获得包括如下步骤：将步骤一得到的相场损伤变量进行二值化处理，作为时间序列神经网络训练的目标值，并将目标值重构为与输入矩阵维度相同的目标矩阵，再构建神经网络输入矩阵；
[0028]神经网络输入矩阵的构建包括如下步骤：以试件的尺寸、预制裂纹位置、约束位置、载荷位置、约束形式、载荷大小作为输入条件构建三维矩阵，再通过reshape函数将矩阵转换为一维有序数组。
[0029]进一步的，所述步骤二中迭代预测条件为：迭代计算次数上限为10000次，均方误差小于1e
‑
5。
[0030]与现有技术相比，本专利技术的技术方案所带来的有益效果是：
[0031]本专利技术采用有限元(FEM)方法具体实现金属材料的相场法断裂模拟，采用Matlab编程实现利用神经网络(ANN)进行机器学习，输出裂纹扩展路径。最后使用Q420制作SENB(单边缺口三点弯曲试样)试件进行试验验证，并对比本专利技术提出裂纹扩展路径算法预测结果与实际试验结果。对比结果可知，本专利技术提出的预测算法与实际裂纹扩展路径的累计误差小于8％，证明本专利技术具有极高的预测精度。
附图说明
[0032]图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属材料裂纹扩展路径预测方法，包括：步骤一：对待测试的构件建立有限元模型；基于相场断裂理论构建断裂平衡方程并得到相场断裂控制方程，引入相场断裂计算的关键参数进行有限元计算求解弥散裂纹损伤变量；其中，所述关键参数包括描述弥散列连续标量场的损伤系数和防止裂纹闭合的应变能历史变量；步骤二：将步骤一得到的相场损伤变量进行处理获得神经网络训练的目标矩阵和神经网络输入矩阵；将神经网络输入矩阵和目标矩阵导入事先训练好的具有时序预测功能的时间延时神经网络对相场损伤变量进行机器学习；其中正向为神经网络训练过程，反向为更新神经网络学习参数过程；同时采用均方误差作为性能评价函数进行迭代预测，直至满足均方误差值时输出裂纹扩展路径；其中，所述神经网络层为三层神经网络层，最后一层采用Hardlin输出层，将输出结果转化为0和1的形式，再把训练后的数据可视化后输出灰度图；步骤三：使用精度系数评价预测裂纹扩展路径与实际裂纹扩展路径的累计偏差；以机械缺口尖端为原点的局部坐标系下，计算无量纲精度系数η，即预测精度：其中x
pi
表示步骤二获得的动态裂纹扩展路径的横向坐标值，x
ti
表示为相同纵坐标下真实裂纹的横向坐标，l
t
表示真实裂纹长度。2.根据权利要求1所述的金属材料裂纹扩展路径预测方法，其特征在于，使用Fortran编写相场断裂UEL子程序进行有限元计算，并在计算中定义边界条件、载荷信息和材料属性信息。3.根据权利要求1所述的金属材料裂纹扩展路径预测方法，其特征在于，所述步骤一具体包括：对待测试的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李思远，王东坡，邓彩艳，龚宝明，赵海微，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：