基于动态贝叶斯网络的机体数字孪生断裂风险分析方法技术

本发明专利技术属于飞行器结构风险分析技术领域，公开一种基于动态贝叶斯网络的机体数字孪生断裂风险分析方法,步骤一：构建动态贝叶斯网络；步骤二：从时间步t＝0的动态贝叶斯网络中抽取样本，生成n个初始粒子和各自对应的权重；步骤三：将时间步t加1，基于上一时间步t

【技术实现步骤摘要】
基于动态贝叶斯网络的机体数字孪生断裂风险分析方法


[0001]本专利技术属于飞行器结构风险分析
，具体涉及一种基于动态贝叶斯网络的机体数字孪生断裂风险分析方法。

技术介绍

[0002]机体数字孪生的总体目标是提高结构健康诊断和预测的准确性，以便做出更好的维护决策。这可以通过结构疲劳断裂风险分析来完成，它基于概率损伤容限分析(或概率断裂力学模型)，将各种不确定性变量/因素纳入结构疲劳裂纹扩展预测，计算飞机结构在全寿命周期内因疲劳断裂发生失效的概率，并融合飞机使用和检查数据以诊断和更新预测中的不确定性。
[0003]断裂失效概率通常用单次飞行失效概率(SFPOF)来表征，指结构在之前飞行未失效的前提下当前飞行发生失效的概率，或者结构在当前飞行未失效的前提下下一次飞行发生失效的概率。
[0004]断裂失效概率需采用概率可靠性分析方法来计算，常用的方法有一次二阶距近似解析法(SORM)、蒙特卡洛数值模拟法(Monte Carlo)、响应面代理模型法(RSM)等。每种方法各有优缺点，SORM法的优势是计算简捷，但精度有限；Monte Carlo法最为直接，也最为准确，但是常规Monte Carlo法的计算成本大、收敛速度慢，尤其对于随机变量较多的情况。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的：本专利技术提出一种基于动态贝叶斯网络(DBN)的机体数字孪生断裂风险分析方法，通过构建跟踪疲劳裂纹扩展的动态贝叶斯网络，采用粒子滤波贝叶斯推理算法，不仅能够计算全寿命周期内结构发生疲劳断裂失效的概率，而且可融合来自实际观测(或测量)数据的多源异构信息来逐步降低状态变量的不确定性，从而实现裂纹扩展跟踪、失效概率预测和贝叶斯推理(或诊断)，以支持积极的机群结构维护决策。
[0006]本专利技术的技术方案：
[0007]一种基于动态贝叶斯网络的机体数字孪生断裂风险分析方法，包括以下步骤：
[0008]步骤一：梳理结构断裂风险分析涉及的各种不确定性来源和概率分布类型，选择静态节点和动态节点，构建跟踪概率裂纹扩展的动态贝叶斯网络；
[0009]步骤二：从时间步t＝0的动态贝叶斯网络联合概率分布中抽取样本，生成n个初始粒子和各自对应的权重；
[0010]步骤三：将时间步t加1，采用粒子滤波算法的前向传播，基于上一时间步t
‑
1的粒子位置预测时间步t的粒子位置，粒子权重保持不变；根据裂纹尺寸和断裂失效准则，计算每个粒子的失效概率；
[0011]根据粒子权重对失效概率进行加权平均，得到时间步t的失效概率期望值；
[0012]若在时间步t内结构未失效，则采用粒子滤波算法的反向推理，更新每个粒子的权重并归一化；
[0013]步骤四：判断时间步t是否达到设计使用寿命，若是，则结束；否则进入步骤五；
[0014]步骤五：判断在时间步t是否对结构进行检查，若否，则进入步骤三，若是，则判断检查结果是否已知；
[0015]若结果未知，则根据步骤三中的粒子位置和权重，预测裂纹检查结果并对当前粒子进行比例替换和权重更新，替换更新之后进入步骤三；若结果已知，则基于裂纹检查结果对当前粒子的权重进行更新，更新后进入步骤三。
[0016]进一步，所述步骤一中，不确定性来源包括：初始裂纹尺寸、材料断裂韧度、材料裂纹扩展速率参数、几何尺寸、飞行载荷谱、每次飞行最大应力、裂纹检出概率、修理后裂纹尺寸。
[0017]进一步，所述步骤一中，静态节点包括：断裂韧度K
c
，裂纹扩展速率参数θ；
[0018]动态节点包括：每个时间步t的初始裂纹尺寸a
t0
、飞行载荷历程F
t
、应力强度因子历程ΔK
t
、裂纹扩展增量Δa
t
、裂纹尺寸a
t
。
[0019]进一步，所述步骤一中，动态贝叶斯网络具有如下联合概率分布：
[0020][0021]其中，p(Δa
t
|ΔK
t
,θ)＝1.0，
[0022]进一步，所述步骤二中，粒子是在一个时间步中从动态贝叶斯网络联合概率分布抽取的一个样本，用x
t(i)
表示，其权重用ω
t(i)
表示，上标(i)表示第i个粒子，i＝1～n；
[0023]对于初始时间步t＝0，每个粒子均包含断裂韧度、裂纹扩展速率参数和初始裂纹尺寸。
[0024]进一步，所述步骤三中，每个粒子的失效概率计算公式如下：
[0025][0026]其中，POF
t(i)
表示时间步t第i个粒子的失效概率，σ
max
表示每次飞行中遇到的最大应力，通常服从Gumbel分布，和是时间步t第i个粒子的裂纹尺寸和断裂韧度，是第i个粒子在给定裂纹尺寸和断裂韧性下导致失效的临界应力，H(
·
)是σ
max
的累积分布函数，1
‑
H(σ
c
)表示每次飞行最大应力σ
max
超过临界应力σ
c
的概率。
[0027]进一步，所述步骤三中，粒子滤波算法的反向推理，通过以下公式更新每个粒子的权重：
[0028][0029]其中，和分别表示在时间步t按结构未失效更新后和更新前的粒子权重，且由于在前向传播时粒子权重保持不变，则
∝
表示成正比。
[0030]进一步，所述步骤五中，预测裂纹检查结果并对当前粒子进行比例替换和权重更
新，具体过程如下：
[0031](1)根据检查前每个粒子的裂纹尺寸和权重，计算裂纹检出概率期望值PCD，公式如下：
[0032][0033]其中和是时间步t第i个粒子在检查前的裂纹尺寸和权重，POD(
·
)是裂纹检出概率函数；
[0034](2)若检查出裂纹则直接进行修理，从当前粒子中随机抽取n
repair
个粒子替换为修理后初始状态，并将替换后的粒子权重归一化为PCD，其中n
repair
＝n*PCD；
[0035](3)将剩余的n
miss
个粒子按裂纹未检出进行权重更新，并将权重归一化为1
‑
PCD；其中，n
miss
＝n
‑
n
repair
；权重更新公式如下：
[0036][0037]其中，和分别表示按裂纹检查结果更新后和更新前的粒子权重，归一化后，
[0038]进一步，所述步骤五中，基于裂纹检查结果对当前粒子的权重进行更新，过程如下：
[0039][0040]其中，表示在状态下观测到y
t
的似然概率；
[0041]若裂纹检查结果为裂纹有/无，分别对应hit/miss，则似然概率为：
[0042][0043]若裂纹检查结果为裂纹尺寸测量值，用表示，则本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于动态贝叶斯网络的机体数字孪生断裂风险分析方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤一：梳理结构断裂风险分析涉及的各种不确定性来源和概率分布类型，选择静态节点和动态节点，构建跟踪概率裂纹扩展的动态贝叶斯网络；步骤二：从时间步t＝0的动态贝叶斯网络中抽取样本，生成n个初始粒子和各自对应的权重；步骤三：将时间步t加1，采用粒子滤波算法的前向传播，基于上一时间步t
‑
1的粒子位置预测时间步t的粒子位置，粒子权重保持不变；根据裂纹尺寸和断裂失效准则，计算每个粒子的失效概率；根据粒子权重对失效概率进行加权平均，得到时间步t的失效概率期望值；若在时间步t内结构未失效，则采用粒子滤波算法的反向推理，更新每个粒子的权重并归一化；步骤四：判断时间步t是否达到设计使用寿命，若是，则结束；否则进入步骤五；步骤五：判断在时间步t是否对结构进行检查，若否，则进入步骤三，若是，则判断检查结果是否已知；若结果未知，则根据步骤三中的粒子位置和权重，预测裂纹检查结果并对当前粒子进行比例替换和权重更新，替换更新之后进入步骤三；若结果已知，则基于裂纹检查结果对当前粒子的权重进行更新，更新后进入步骤三。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤一中，不确定性来源包括：初始裂纹尺寸、材料断裂韧度、材料裂纹扩展速率参数、几何尺寸、飞行载荷谱、每次飞行最大应力、裂纹检出概率、修理后裂纹尺寸。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤一中，静态节点包括：断裂韧度K
c
，裂纹扩展速率参数θ；动态节点包括：每个时间步t的初始裂纹尺寸a
t0
、飞行载荷历程F
t
、应力强度因子历程ΔK
t
、裂纹扩展增量Δa
t
、裂纹尺寸a
t
。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述步骤一中，动态贝叶斯网络具有如下联合概率分布：其中，p(Δa
t
|ΔK
t
,θ)＝1.0，5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤二中，粒子是在一个时间步中从动态贝叶斯网络联合概率分布抽取的一个样本，用x
t(i)
表示，其权重用ω
t(i)
表示，上标(i)表示第i个粒子，i＝1～n；对于初始时间步t＝0，每个粒子均包含断裂韧度、裂纹扩展速率参数和初始裂纹尺寸。6.根据权利要求5所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：兑红娜，潘绍振，聂凯，董江，钟贵勇，刘小冬，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司成都飞机设计研究所，
类型：发明
国别省市：