基于应变监控数据的金属结构疲劳裂纹量化模型研究.pdf
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1、 年 月第 卷第 期西 北 工 业 大 学 学 报 :收稿日期:基金项目:国家自然科学基金(,)与国家级重点实验室基金(,)资助作者简介:李坤鹏(),西北工业大学硕士研究生,主要从事航空结构疲劳与断裂研究。通信作者:李彪(),西北工业大学副教授,主要从事航空结构疲劳与断裂研究。:基于应变监控数据的金属结构疲劳裂纹量化模型研究李坤鹏,李彪,张彦军,周颜,张腾,李亚智西北工业大学 航空学院,陕西 西安;航空工业第一飞机设计研究院强度设计研究所,陕西 西安;空军工程大学 航空工程学院,陕西 西安 摘 要:实时获取金属结构的疲劳裂纹长度是开展飞机单机寿命监控和剩余寿命估算的基础。采用深度学习方法,提出
2、了一种基于应变监控数据的金属结构疲劳裂纹长度预测模型,通过构造循环对抗网络模型、裂纹尺寸的分类模型和裂纹长度的量化模型,分别实现了含裂纹结构的应变试验数据与有限元模型数据的映射、裂纹尺寸范围的准确分类、裂纹长度的精确量化。将上述方法应用于中心带孔金属板在随机载荷谱下的疲劳裂纹监测,有效实现了疲劳裂纹长度的实时预测。与试验结果对比表明,单孔板的孔边疲劳裂纹长度预测误差小于 ,满足工程实际的需求。关 键 词:疲劳裂纹;应变监测;深度学习;数据驱动模型;疲劳裂纹预测中图分类号:;文献标志码:文章编号:()近年来,先进飞行器的研制和制造成本急速攀升,对飞行器结构的耐久性、可靠性、经济性等提出了挑战。掌
3、握飞行器结构在服役过程中的损伤数据,是开展飞行器结构健康状态评估的基础,也是实施其寿命消耗计算、检修维护时机确定、延寿等寿命工作的基础。基于物理模型的结构寿命预测方法被广泛用于飞机结构寿命评定工作,尤其是损伤容限设计思想指导下的结构扩展寿命评定时,主要采用断裂力学相关方法工具,通过求解结构裂纹尖端应力强度因子,并结合裂纹扩展速率公式,可实现结构裂纹扩展过程的预测。经典的裂纹扩展速率公式包括 公式、公式、公式等,在工程实际上得到了广泛应用。采用裂纹传感器直接获取结构服役过程中的疲劳裂纹信息,是目前实现结构健康监控的重要手段。按照是否可以在服役过程中实时得到裂纹信息,可分为在线检测方法与离线检测方
4、法。在线检测方法是指通过永久布置在结构上的传感器网络,实现对结构状态的实时、连续、长期评估,是未来飞行器实现自感知、自诊断等智能化发展的主要方向。目前常用的裂纹长度在线检测技术有:主动 波方法、涡流阵列传感器检测法、压电阻抗法、光纤传感器检测法等。主动 波在结构中被激励时,随着裂纹扩展,波响应信号会发生变化,通过分析响应信号与裂纹尺寸的规律,可实现复杂结构的裂纹长度与位置的检测;涡流阵列传感器由一个或多个感应线圈构成,对涡流检测输出信号进行分析,得出裂纹长度信息;压电阻抗法通过检测传感器在工作环境下的电阻抗性而推断结构裂纹扩展情况;光纤传感器的反射光会随着外界应力梯度的变化而变化,通过测量应力
5、场的变化,进而推断结构裂纹信息。上述裂纹在线监测方法为先进飞第 期李坤鹏,等:基于应变监控数据的金属结构疲劳裂纹量化模型研究行器的服役与维护提供了很好的基础,但其拓展至工程应用时还面临较多困难,主要原因是新式传感器的可靠性、使用寿命、轻量化、空地一致性等还需要进行大量工程验证。设计一种精度高、响应快、成本低的结构疲劳裂纹在线检测方法,对飞机结构健康监控技术的发展具有重要意义。结构应变的飞行采集,是当前飞机飞行测试技术中较成熟的测试手段,通过在结构表面粘贴应变计(如电阻式应变片、光纤光栅传感器等),获得飞机在飞行过程中结构表面应变的实时变化,进而获得载荷变化历程,计算得到结构疲劳损伤的累积和寿命
6、消耗量。因此,实时采集的应变数据常被用于单机寿命监控。当结构出现裂纹时,结构刚度、载荷传递路径等会发生改变,使得结构某些位置的局部应变值发生显著变化。基于该原理,有学者尝试将结构表面应变值与其裂纹特征建立关联,进而根据实测采集的应变值推断出裂纹的长度、方向、形式等信息。等建立了紧凑拉伸试件裂纹长度与试件背面应变和试件载荷之间关系,进而从载荷与应变测量结果推断出裂纹长度。等建立了粘接结构背侧应变与损伤之间的关系,进而通过应变实测数据推断出粘接结构疲劳损伤演化。这种方法较方便、简易,可准确得到结构损伤信息,但对于几何形式较复杂的结构,裂纹长度与应变、载荷之间关系较难建立,可能并非一一映射关系,且应
7、变测量位置如何确定成为主要难点。等进一步考虑紧凑拉伸试件的厚度,并且引入更多的非线性参数拟合裂纹长度与试件背面应变、载荷之间关系,精度进一步提高,但没有提出如何解决其他类型试件裂纹长度预测的应变测量位置问题,并且拟合方程只适用紧凑拉伸试件,无法做进一步推广。机器学习方法近年来被广泛用于结构寿命研究,该方法可准确建立输入、输出数据之间的非线性关系。庞杰提出了基于机器学习的裂纹识别方法,实现了裂纹长度、位置、形状等信息的准确预测。王珲玮使用()神经网络对导弹模型的飞行载荷进行识别,使用速度、高度、迎角等飞行参数作为输入,输出关键截面的载荷。等使用神经网络对飞机尾翼的疲劳载荷进行预测,利用应变片获取
8、的应变值预测尾翼的载荷。郑星等采用分段线性回归方法实现了基于实测应变数据的结构疲劳裂纹检测,取得了较准确的结果。综上所述,传统的基于物理模型裂纹预测方法容易受到结构服役过程与试验过程之间不一致性的影响,而现有的裂纹传感器在工程实用上尚有差距。本文提出一种基于应变监控数据的疲劳裂纹深度学习实时预测方法,将实时采集的应变数据输入建立的裂纹量化模型中,可得到当前裂纹长度,该方法解决了因试验与服役偏差带来的裂纹长度预测不准确的问题,为飞机的检修与维护、寿命管理、寿命监控等提供理论依据。基于应变监控数据的结构疲劳裂纹量化模型 方法原理本文提出了一种结构疲劳裂纹量化模型方法。建立测点应变与裂纹长度的关系,
9、通过实时采集应变数据,输入模型中,得到裂纹长度的预测值。该方法建立试验数据与有限元模拟数据之间的映射,从而减小试验数据与有限元模拟数据之间因试验过程、试验设备、有限元建模等因素导致的偏差;将结构裂纹尺寸分类,不同尺寸的裂纹分别建立裂纹量化模型,提高裂纹长度的预测精度。图 基于应变监控数据的结构疲劳裂纹量化模型方法流程图该模型建立方法流程如图 所示,涉及 个主要内容:确定应变监控部位、建立循环生成对抗网络(,)、建立裂纹尺寸的分类模型(,)、建立裂纹长度的量化模型(,)。通过建立含裂纹结构的有限元分析(,)模型,采用 节方法确定出应西 北 工 业 大 学 学 报第 卷变监控部位,依据计算结果获得
10、监控部位的有限元分析应变数据(,)。进入训练步,用 训练、模型,判断 个模型的精度是否满足要求,当不满足要求时重新选择应变监控部位,直到满足精度要求,结 束 训 练 步。进 入 预 测 步,首 先 通 过 将试验数据映射为“假”数据(,)输入到 中得到裂纹尺寸范围的预测,再将 输入到符合裂纹尺寸范围预测的裂纹长度量化子模型(,)中,得到裂纹长度的量化预测。判断量化预测是否达到可接受的精度要求,若没有,则需重新选择应变监控部位后进入训练步,若可接受,则结束模型的训练。训练完成的模型可用于实时裂纹预测,将实时采集的监控点应变数据经过预测步输入模型得到当前裂纹长度的预测。上述 类机器学习模型的主要作
11、用为:)模型建立试验数据与 之间的映射关系。由于试验与 计算过程不可避免地存在偏差,为增加裂纹预测模型的准确性,将试验实测的应变数据输入 的生成器(),得到与 相似的,实现 与试验数据的映射,减小试验数据与 差异对模型精度的影响。)模型基于人工神经网络(,),用于对结构裂纹的尺寸进行分类。模型输入为经过 节方法处理后的,输出为裂纹尺寸范围的判断,当裂纹尺寸较短时应变值对裂纹长度的变化不敏感,为增强短裂纹预测能力,需要减少长裂纹应变数据干扰。根据裂纹扩展范围设置阈值并划分裂纹尺寸范围,通过 模型对裂纹尺寸分类。)模型基于,用于预测结构裂纹长度。模型输入为经过 节方法处理后的,输出为裂纹量化预测,
12、含有多个用于裂纹长度量化的,根据建立 过程中裂纹扩展范围设置的阈值,可分别建立用于预测不同尺寸范围的,将 得到的 代入符合 裂纹尺寸范围判断的 中,得到裂纹长度量化的预测值。数值分析数据的预处理方法机器学习模型的建立依赖于大量的数据,若仅依靠试验获得这些数据,其成本无法接受。随着数值模拟方法的不断完善,采用 可实现结构疲劳裂纹扩展的高保真计算。通过建立 模型可快速获得大量与试验结果相似的模拟数据,大大降低成本。为获得大量的用于机器学习模型训练数据,可建立待预测结构的 模型,通过更改 模型裂纹长度、位置、方向等变量,形成用于训练的数据源。根据结构形式和受载特点,判断可能出现的裂纹具有的形式及位置
13、特点,推断裂纹可扩展范围。假设某条裂纹长度范围 ,步长 ,则该裂纹可能出现的长度有 种,;若结构上可能有条裂纹,且每条裂纹的变量个数相同,则共需要建立 个 模型。将建立的所有 模型表面应变数据全部输出,计算相同应变监控点位置在不同 模型中应变值的方差。当方差较大时,可认为该位置对裂纹敏感度高,则应变数据隐含的裂纹信息(如裂纹长度、裂纹方向等)较多,应变监控点优先设置在敏感度较高的位置。根据结构自身状况以及应变采集方式,确定应变采集位置及个数;应变采集位置应避免相互干扰,采集方式与位置应避免干扰裂纹扩展过程。为了增强模型预测能力,提高模型的鲁棒性,从 结果提取应变数据时,应主动引入应变采集位置偏
14、差和角度偏差,分别对应了在实际粘贴应变片时可能存在的位置偏差与角度偏差。假设应变片粘贴位置(,)符合正态分布,其均值为预定位置(,),方差分别为,即 (,),(,);类似地,粘贴角度 也符合正态分布,均值为预定角度,方差为,即 (,)。根据具体结构应变片粘贴情况设置,与。按照概率分布随机选取 组应变监控点位置和角度的组合,即(,),采集每组对应的应变值,最终输出 组。由于应变片实测采集时存在零漂现象,应变片采集的应变值与实际应变值可能存在偏差,若直接采用应变片采集的应变值作为输入时,模型的鲁棒性较差。此外,应变值与外载荷大小有关,应变值不同的 组数据可能对应相同的裂纹长度,这导致模型所需训练数
15、据增多、预测精度降低等问题。为解决上述问题,本文提出一种基于测点应变之间关系的等效应变法。第 期李坤鹏,等:基于应变监控数据的金属结构疲劳裂纹量化模型研究采用裂纹尖端小范围屈服假设,应变监控点的应变值与外载荷呈线性关系。对于给定的监控点(如图 所示),定义其等效应变 为 ()()()式中:表示载荷 的变化值(,);表示引起监控点的应变变化(,(,),是应变监控点的总个数。由()式可知,对于任意给定的含裂纹结构,当裂纹没有发生扩展,外载变化 时,若 不变,则 不变,消元后结果显示 仅与应变监控点 有关,而与 无关。消除了载荷绝对量的影响,仅体现了由于裂纹长度变化引起不同监控点之间应变数据变化的关
16、系。是用于训练机器学习模型的输入数据。图 含裂纹结构的应变监控示意图 基于循环对抗网络方法的裂纹量化模型修正方法为了解决实际结构试验结果与 数值计算结果之间存在偏差,采用 模型实现试验结果与模拟计算结果之间的映射。常用于实现图像风格转换功能的生成对抗网络(,),本 文 借 鉴 网络架构处理有限元数值计算应变数据与试验数据,建立两者映射关系。在实时预测的过程中,通过 修正模型将试验数值映射为有限元数值计算结果,将此结果输入到、,从而提高模型的预测精度。用于训练 个生成器,以及 个判别器,并实现 种数据相互的转换,结构如图 所示。图 结构图从图中可以看出 含有 个生成器(,),其中生成器()将 生
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