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        起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析與評估

        2024-12-19 00:00:00劉慧
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2024年23期
        關(guān)鍵詞:疲勞壽命金屬結(jié)構(gòu)起重機(jī)

        摘 要:傳統(tǒng)方法在預(yù)測精度和適用性方面有局限性,因此本研究采用深度學(xué)習(xí)技術(shù)對起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的疲勞壽命進(jìn)行分析與評估,通過構(gòu)建卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)和長短期記憶網(wǎng)絡(luò)(LSTM)的混合模型,處理顯微結(jié)構(gòu)圖像和應(yīng)力應(yīng)變時間序列數(shù)據(jù),對疲勞裂紋特征進(jìn)行自動提取和壽命預(yù)測。研究結(jié)果顯示,模型預(yù)測的相對誤差較小,驗證了其在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的高預(yù)測精度。本研究將深度學(xué)習(xí)應(yīng)用于特種設(shè)備領(lǐng)域,提高了預(yù)測的準(zhǔn)確性和可靠性,為起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化和維護(hù)策略提供了科學(xué)依據(jù),具有重要的工程應(yīng)用價值和推廣前景。

        關(guān)鍵詞:起重機(jī);金屬結(jié)構(gòu);疲勞壽命;深度學(xué)習(xí)

        中圖分類號:TH 21 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn),起重機(jī)在各類工程中的應(yīng)用越來越廣泛。在長期使用過程中,起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)會承受循環(huán)載荷,因此容易發(fā)生疲勞破壞。疲勞破壞是金屬結(jié)構(gòu)最常見的失效形式之一,對起重機(jī)的安全運(yùn)行和使用壽命有至關(guān)重要的影響[1]。因此,研究起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的疲勞壽命具有重要的現(xiàn)實意義。

        1 起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)疲勞破壞機(jī)理

        起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的疲勞破壞主要是金屬材料在循環(huán)載荷作用下逐漸積累損傷,最終導(dǎo)致斷裂的過程[2]。這個過程可以分為疲勞裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展和最終的疲勞斷裂3個階段,具體見表1。

        盡管疲勞破壞機(jī)理已有廣泛研究,但深度學(xué)習(xí)技術(shù)為進(jìn)一步揭示金屬結(jié)構(gòu)在微觀層面的疲勞行為提供了新的視角。通過分析大量顯微結(jié)構(gòu)圖像,深度學(xué)習(xí)模型能夠識別與疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展相關(guān)的微觀特征,從而為理解疲勞破壞機(jī)理提供參考。

        2 影響起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)疲勞壽命的因素

        當(dāng)分析起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的疲勞壽命時,必須深入探討影響其疲勞行為的主要因素。這些因素包括材料特性、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝以及工作載荷[3]。

        2.1 材料特性

        材料的特性對金屬結(jié)構(gòu)的疲勞壽命有直接影響,主要包括材料的成分、微觀結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能和表面狀態(tài)等。

        材料成分:合金元素的種類和含量直接影響材料的疲勞性能。例如適量的鉻、鎳可以提高鋼材的疲勞強(qiáng)度,而碳含量過多可能使材料變脆。

        微觀結(jié)構(gòu):材料的晶粒大小和分布、相變等微觀結(jié)構(gòu)特征對疲勞壽命影響顯著。細(xì)小均勻的晶粒結(jié)構(gòu)通常能夠延長材料的疲勞壽命。

        機(jī)械性能:抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延展性等機(jī)械性能參數(shù)對疲勞壽命有直接關(guān)系。通常情況下,較高的抗拉強(qiáng)度和良好的延展性能夠增強(qiáng)材料的抗疲勞性能。

        表面狀態(tài):表面粗糙度、殘余應(yīng)力和表面缺陷都會影響疲勞壽命。表面光滑、無缺陷且有壓應(yīng)力殘余的材料,通常疲勞壽命更長。

        2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

        結(jié)構(gòu)設(shè)計對疲勞壽命的影響主要體現(xiàn)在應(yīng)力集中、結(jié)構(gòu)形狀和連接方式等方面。

        應(yīng)力集中:設(shè)計中存在的應(yīng)力集中部位,例如孔洞、焊縫、突變截面等,往往是疲勞裂紋的萌生點。采取圓滑過渡和合理地加強(qiáng)措施,可以減少應(yīng)力集中效應(yīng)。

        結(jié)構(gòu)形狀:復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形狀會導(dǎo)致應(yīng)力分布不均,進(jìn)而影響疲勞壽命。優(yōu)化結(jié)構(gòu)形狀,均勻分布應(yīng)力,有助于延長疲勞壽命。

        連接方式:不同的連接方式,例如焊接、鉚接、螺栓連接等,會產(chǎn)生不同的應(yīng)力分布和殘余應(yīng)力,影響疲勞壽命。優(yōu)化連接方式和工藝,可以改善疲勞性能。

        2.3 制造工藝

        制造工藝對金屬結(jié)構(gòu)的疲勞壽命有重要影響,主要包括焊接、熱處理和加工方法等。

        焊接工藝:焊接過程中產(chǎn)生的熱影響區(qū)和殘余應(yīng)力會顯著影響疲勞壽命。采用合理的焊接參數(shù)和后續(xù)處理(例如焊后熱處理、噴丸處理等),可以改善焊接接頭的疲勞性能。

        熱處理工藝:適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚕ɡ绱慊?、回火、退火等)可以?yōu)化材料的微觀結(jié)構(gòu),提高其抗疲勞性能。

        加工方法:機(jī)械加工中的切削參數(shù)、冷加工方式等會影響表面粗糙度和殘余應(yīng)力,從而影響疲勞壽命。可以優(yōu)化加工參數(shù),采用高精度加工方法,可以提高疲勞性能。

        3 疲勞壽命分析方法

        傳統(tǒng)疲勞壽命分析方法,例如應(yīng)力壽命法(S-N曲線法)和應(yīng)變壽命法,依賴于經(jīng)驗公式和試驗數(shù)據(jù),可能在復(fù)雜或未知的工作條件下準(zhǔn)確性受限。相比之下,深度學(xué)習(xí)方法能夠通過學(xué)習(xí)大量數(shù)據(jù),自動提取特征并建立更為精確的預(yù)測模型。特別是在處理多變量、非線性和高維數(shù)據(jù)方面,深度學(xué)習(xí)展現(xiàn)出了卓越的能力,顯著提高了預(yù)測的適用性和準(zhǔn)確性[4]。

        3.1 應(yīng)力壽命法

        應(yīng)力壽命法是疲勞分析中最常用的一種方法,主要通過試驗得到S-N曲線(應(yīng)力-壽命曲線)來描述材料在不同應(yīng)力幅值下的疲勞壽命。S-N曲線是基于試驗數(shù)據(jù)繪制的雙對數(shù)坐標(biāo)圖,其中,橫坐標(biāo)為疲勞壽命(循環(huán)次數(shù)),縱坐標(biāo)為應(yīng)力幅值。在實際應(yīng)用中,可以通過S-N曲線預(yù)測結(jié)構(gòu)在特定應(yīng)力幅值下的疲勞壽命,如公式(1)所示。

        σa=σ'f(2Nf)b (1)

        式中:σa為應(yīng)力幅值;σ'f為疲勞強(qiáng)度系數(shù);Nf為疲勞壽命(循環(huán)次數(shù));b為疲勞強(qiáng)度指數(shù)。

        在試驗中,須對材料進(jìn)行疲勞測試,測定不同應(yīng)力幅值下的疲勞壽命,試驗結(jié)果見表2。

        將這些數(shù)據(jù)點繪制在雙對數(shù)坐標(biāo)系中,并擬合S-N曲線。以鋼材為例,假設(shè)通過試驗得到數(shù)據(jù)點,將這些數(shù)據(jù)點繪制在雙對數(shù)坐標(biāo)系中,并進(jìn)行線性擬合,得到擬合直線的方程,如公式(2)所示。

        logσa=logσ'f+blog(2Nf) " (2)

        通過擬合得到疲勞強(qiáng)度系數(shù)σ'f和疲勞強(qiáng)度指數(shù)b。擬合結(jié)果σ'f=500 MPa,b=-0.12。則S-N曲線方程:σa=500(2Nf)-0.12。

        因此,當(dāng)應(yīng)力幅值為220 MPa時,該材料的疲勞壽命約為875000次。

        3.2 應(yīng)變壽命法

        通常用應(yīng)變壽命法分析塑性變形占主導(dǎo)地位的疲勞問題。該方法通過應(yīng)變-壽命(ε-N)曲線來描述材料在不同應(yīng)變幅值下的疲勞壽命[5]。應(yīng)變壽命法考慮材料的彈性和塑性應(yīng)變,能夠更準(zhǔn)確地反映材料在高應(yīng)變幅值下的疲勞行為,如公式(3)所示。

        εa=εe+εp " (3)

        式中:εa為總應(yīng)變幅值;εe為彈性應(yīng)變幅值;εp為塑性應(yīng)變幅值??刹捎霉剑?)描述應(yīng)變壽命關(guān)系。

        (4)

        式中:σ'為疲勞強(qiáng)度系數(shù);E為彈性模量;ε'為疲勞延性系數(shù);c為疲勞延性指數(shù)。

        通過試驗得到某種材料的疲勞強(qiáng)度系數(shù)σ'、疲勞強(qiáng)度指數(shù)b、疲勞延性系數(shù)ε'和疲勞延性指數(shù)c分別為700 MPa、-0.09、0.5、-0.5。則應(yīng)變壽命的計算過程如公式(5)所示。

        (5)

        彈性模量為210 GPa。當(dāng)應(yīng)變幅值為0.005時,代入公式(5),得到:。通過迭代法或數(shù)值求解方法,計算疲勞壽命Nf的值。假設(shè)通過數(shù)值求解,得出Nf≈10000,那么當(dāng)應(yīng)變幅值為0.005時,該材料的疲勞壽命約為10000次循環(huán)。

        3.3 累積損傷模型

        累積損傷模型基于Miner法則,可以假設(shè)材料在每個應(yīng)力循環(huán)中的損傷可以累積,并且當(dāng)累積損傷達(dá)到某一臨界值時,材料發(fā)生疲勞破壞,計算流程如圖1所示。Miner法則如公式(6)所示。

        (6)

        式中:D為累積損傷值;ni為在應(yīng)力幅值σi下經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù);Ni為在該應(yīng)力幅值下的疲勞壽命。當(dāng)D=1時,材料發(fā)生疲勞破壞。

        3.4 基于深度學(xué)習(xí)的疲勞壽命預(yù)測

        隨著深度學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展,基于深度學(xué)習(xí)的疲勞壽命預(yù)測方法展現(xiàn)出了極大的潛力和優(yōu)勢。采用構(gòu)建卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)和長短期記憶網(wǎng)絡(luò)(LSTM)的混合模型,可以處理顯微結(jié)構(gòu)圖像和應(yīng)力應(yīng)變時間序列數(shù)據(jù),實現(xiàn)疲勞裂紋特征自動提取和壽命預(yù)測[6]。

        為了充分利用不同深度學(xué)習(xí)模型的優(yōu)勢,本研究設(shè)計了一個混合模型架構(gòu),將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)與長短期記憶網(wǎng)絡(luò)(LSTM)結(jié)合起來。CNN擅長處理二維圖像數(shù)據(jù),可以提取顯微結(jié)構(gòu)圖像中的局部特征,LSTM擅長處理時間序列數(shù)據(jù),可以捕捉應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)中的時間依賴性特征。

        在模型的實現(xiàn)過程中,將顯微結(jié)構(gòu)圖像數(shù)據(jù)輸入CNN中,并進(jìn)行處理。CNN由多個卷積層、池化層和全連接層組成,采用卷積層提取圖像中的局部特征,通過池化層減少特征維度并提高模型的魯棒性。卷積層使用ReLU激活函數(shù),池化層使用最大池化操作。在經(jīng)過多個卷積和池化層后,將得到的高維特征向量輸入全連接層中,進(jìn)行進(jìn)一步處理,用最終輸出表示后續(xù)步驟的特征。與此同時,將應(yīng)力和應(yīng)變的時間序列數(shù)據(jù)輸入LSTM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行處理。LSTM網(wǎng)絡(luò)由多個LSTM單元組成,每個單元包括輸入門、遺忘門和輸出門,通過這些門控機(jī)制能夠捕捉時間序列數(shù)據(jù)中的長短期依賴關(guān)系。在經(jīng)過LSTM網(wǎng)絡(luò)處理輸入數(shù)據(jù)后,輸出一個時間序列的特征向量。將CNN和LSTM提取到的特征向量進(jìn)行拼接,形成一個綜合特征向量,輸入全連接層中,對疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測。為了提高模型的預(yù)測能力,在模型訓(xùn)練過程中使用了Adam優(yōu)化器,并選擇均方誤差作為損失函數(shù)。通過網(wǎng)格搜索優(yōu)化模型的超參數(shù),找到最佳的參數(shù)組合。為了提高模型的泛化能力,本文采用交叉驗證技術(shù),并采用數(shù)據(jù)增強(qiáng)方法擴(kuò)充訓(xùn)練數(shù)據(jù)集。在模型訓(xùn)練完成后,通過獨(dú)立的驗證集評估其性能,結(jié)果表明模型的預(yù)測誤差較小,具有較高的預(yù)測精度。試驗結(jié)果顯示,混合模型在疲勞壽命預(yù)測中的表現(xiàn)優(yōu)于單一的CNN或LSTM模型,結(jié)果見表3。

        從表3可以看出,混合模型在各項評估指標(biāo)上均優(yōu)于單一模型,特別是在均方誤差和平均絕對誤差上表現(xiàn)突出,R2值也達(dá)到了0.95,表明其在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下具有較高的預(yù)測精度。

        4 起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的疲勞壽命評估

        起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的疲勞壽命評估是保障其安全運(yùn)行和延長使用壽命的關(guān)鍵步驟。為了提高評估的準(zhǔn)確性和可靠性,本文采用深度學(xué)習(xí)方法對起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的疲勞壽命進(jìn)行分析。綜合利用試驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),建立深度學(xué)習(xí)模型,預(yù)測疲勞壽命,并進(jìn)行試驗驗證和評估。

        4.1 試驗數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取

        在進(jìn)行疲勞壽命評估前,需要收集大量高質(zhì)量的試驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)。試驗數(shù)據(jù)包括不同應(yīng)力水平下的疲勞試驗數(shù)據(jù)、材料的機(jī)械性能參數(shù)以及顯微結(jié)構(gòu)圖像等。現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)則包括起重機(jī)在實際工作中的應(yīng)力、應(yīng)變、載荷循環(huán)次數(shù)等。

        為了建立有效的深度學(xué)習(xí)模型,須對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。將應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化,去除噪聲和異常值,對顯微結(jié)構(gòu)圖像進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理,提取裂紋、孔隙等微觀特征。這些預(yù)處理步驟可以提高模型的泛化能力和預(yù)測精度。

        4.2 深度學(xué)習(xí)模型構(gòu)建與訓(xùn)練

        在數(shù)據(jù)預(yù)處理完成后,構(gòu)建深度學(xué)習(xí)模型。本文采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)和長短期記憶網(wǎng)絡(luò)(LSTM)相結(jié)合的方法,分別處理顯微結(jié)構(gòu)圖像和應(yīng)力應(yīng)變時間序列數(shù)據(jù)。

        用CNN部分提取顯微結(jié)構(gòu)圖像中的特征,通過多層卷積和池化操作,獲取材料微觀結(jié)構(gòu)與疲勞壽命之間的關(guān)系。用LSTM部分處理應(yīng)力和應(yīng)變的時間序列數(shù)據(jù),通過捕捉長時間依賴關(guān)系,預(yù)測未來的疲勞壽命。

        在模型訓(xùn)練過程中,將均方誤差作為損失函數(shù),使用Adam優(yōu)化器進(jìn)行優(yōu)化。訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和驗證數(shù)據(jù)集按照7∶3的比例進(jìn)行劃分,采用交叉驗證的方法,評估模型的性能。

        4.3 疲勞壽命預(yù)測與評估

        在訓(xùn)練完成后,將實際的監(jiān)測數(shù)據(jù)輸入模型,對其進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測。為了驗證模型的準(zhǔn)確性和可靠性,選取一部分試驗數(shù)據(jù)作為測試集,比較模型預(yù)測結(jié)果與實際測量值之間的誤差。表4展示了部分測試數(shù)據(jù)的實際疲勞壽命和模型預(yù)測值。

        從表4可以看出,深度學(xué)習(xí)模型的預(yù)測值與實際值之間的相對誤差較小,說明模型具有較高的預(yù)測精度。通過預(yù)測結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析,可以評估起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的疲勞壽命分布情況。

        為了更直觀地展示疲勞壽命預(yù)測的效果,可以繪制實際值與預(yù)測值的散點圖,如圖2所示。

        從散點圖中可以看出,大多數(shù)預(yù)測值與實際值接近,進(jìn)一步驗證了模型的準(zhǔn)確性。

        5 結(jié)語

        采用深度學(xué)習(xí)方法對起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的疲勞壽命進(jìn)行評估,能夠提高預(yù)測的準(zhǔn)確性和可靠性。本文結(jié)合試驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)建立的深度學(xué)習(xí)模型在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)和多軸加載條件下表現(xiàn)出色。試驗結(jié)果表明,該方法可以有效預(yù)測起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的疲勞壽命,為設(shè)計優(yōu)化和維護(hù)策略提供了重要依據(jù)。未來的研究可以進(jìn)一步優(yōu)化模型結(jié)構(gòu),增加更多特征數(shù)據(jù),提高疲勞壽命預(yù)測的精度和適用性。

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