LY12CZ腐蚀疲劳寿命的神经网络研究

24装备环境工程E Q U I PM E N T E N V I R O N M E N T A L E N G I N EE R I N G第5卷第3期2008年06月L Y l2C Z腐蚀疲劳寿命的神经网络研究．刘治国1’2，穆志韬1，金平1(1．海军航空工程学院青岛分院航空机械系，山东青岛266041；2．东南大学机械工程学院，南京211189)摘要：通过对已有L Y l2C Z腐蚀疲劳试验数据分析，建立腐蚀年限和应力幅值对应疲腐蚀劳寿命的B P 网络映射模型来预测其腐蚀疲劳寿命。

为了提高网络模型预测精度，采用牛顿插值法扩充历史试验数据，满足神经网络对训练数据致密性要求。

研究结果表明，网络预测结果误差较小。

利用网络预测结果计算，l gS。

和l gN具有较高的线性相关性，R=0。

94～0．99，且斜率8为一3．3～一3．4。

关键词：LY l2CZ铝合金；牛顿插值法；BP神经网络；腐蚀疲劳；寿命预测中图分类号：TG l72；V252文献标识码：A文章编号：1672—9242(2008)03一0024—04St udy of C or r os i on Fat i gue Li f e ofL Y l2C Z B as ed on A r t i f i c i a l N e ur a l N et w or kL／U Zhi．g u01”，M U Zhi—t a01，删P垤1(1．N aval A er ona ut i cal E ng i nee r i ng A cadem y Q i ngdao B r a nch，Q i ngda o266041，Chi n a；2．Sout heas t U ni ver si t y，N a nj i ng211189，C hi na)A bs t r act：B P net w or k m odel of cor r os i o n t i m e a nd s t r e ss l evel co r r es pon di ng t o cor r os i o n f ati gue l i fe W a S es t abl i s he d t hr ough al i a—l yzing t he obt ai ned e o r r osi oll f at igue t est dat a t o pr edi ct cor r os i o n f at i gue l i f e．N ew t on i nter pol at i on w a s app l i ed t o fi t t he hi st or y t e s t da-t a t o i m pr ove t he pr edict i on pr eci s i o n of B P ne t w or k m ode l，and t hi s w ay no t onl y m ade up t he def i ci ency of t rai ni n g dat a but als o f i t t he dat a de ns ene ss r eq ui r e m ent of neur al ne t w o r k．T h e r es ult s how e d t hat t he B P net w or k m odel pr edi ct i on er r or i s l i t t le．U s i ng t he predi c—t ion r es ult t o fi t t he l ineari t y cor rel at i on of l ss。

an d l gN，t he f i t t i ng r es ult show ed t ha t R=0．94—0．99a nd sl ope B=一3．3一一3．4．K ey w or ds：L Y I2C Z"a l um i nu m al l oy；N e w t on i nt e r pol at i on；B P neur al net w o r k；cor r o si on f ati gue；l i f e pr edi ct i on海军用飞机大都分布在沿海一带，服役环境恶劣，飞机结构普遍腐蚀严重。

并且海军用飞机大部分时间(约97％～99％的El历时间)处于停放状态，空中疲劳受载时间短暂(约l％～3％E l历时间)，因此可以认为决定海军用飞机结构疲劳寿命的模式为：腐蚀一疲劳一再腐蚀一再疲劳……直至破坏f l。

]。

此种服役模式决定飞机结构疲劳寿命的确定应在纯疲劳定寿的全部试验，特别是决定性的全尺寸飞机结构疲劳试验基础上施加载荷谱和对应的地面腐蚀环境谱，但此种方法在工程上难以实现。

因此应当针对飞机结构中主体材料及关键部位，在其疲劳试验过程中考虑环境因素影响，进行腐蚀疲劳寿命分析。

作为军机主体结构材料的L Y l2C Z铝合金具有质量轻、强度好等性能，但其对机场腐蚀环境的作用却相当敏感，极易凶环境作用引起裂纹萌生、扩展直收稿日期：2008-01一06作者简介：刘治国(1976一)，男，辽宁瓦房店人，硕士研究生，讲师，研究向为飞机机体结构强度、疲劳可靠性。

第5卷第3期刘治国等：L Y I芝CZ腐蚀疲劳寿命的神经网络研究．25．至断裂。

因其腐蚀后的疲劳寿命对全机疲劳寿命有较大的影响，所以目前对L Y l2C Z的腐蚀疲劳性能研究较多。

研究主要方式是：根据机场腐蚀环境谱，依据腐蚀当量关系进行加速腐蚀试验，然后再对预腐蚀试件进行相关的疲劳试验，进而使用不同方法从不同方面分析其疲劳性能。

如：文献[3]使用扫描电镜和光学显微镜分析了L Y l2C Z腐蚀坑深度和表面损伤度对其疲劳寿命的影响；文献[4]研究了LY l2C Z的腐蚀疲劳机理和腐蚀疲劳全寿命工程模型；文献[5]研究了腐蚀环境下的细节疲劳额定值定义，进而用其分析飞机L Y l2C Z具体结构腐蚀疲劳作用下的产生T程可检裂纹a。

的13历年限方法；文献[6]研究了日历腐蚀环境对LY l2C Z静强度和5一Ⅳ曲线的影响；文献[7]研究了腐蚀溶液环境下对含中心孔的LY l2C Z铝合金紧固件的疲劳裂纹扩展规律。

根据LY l2C Z材料在实际服役环境中腐蚀疲劳过程复杂、影响因素众多的特点，可以将其腐蚀疲劳过程看作是一种多因素(时问、介质、应力水平、温度等)综合作用的非线性动力系统，笔者尝试应用神经网络理论分析L Y l2CZ材料腐蚀疲劳寿命问题。

1牛顿插值法应用神经网络分析疲劳寿命问题时，需要数量充足且足够宽泛的腐蚀疲劳寿命试验数据用于训练神经网络，但目前腐蚀疲劳试验数据难以满足此要求-8J。

因此考虑采用插值法对文献[8]历史试验数据进行拟合扩充，满足神经网络训练对数据致密性的要求，以提高网络模型训练仿真的精度。

插值就是通过已知的I t+l对数据点，作1个n 次或低于n次函数Y=p(石)来近似模拟数据变化规律函数Y=以戈)，使p(xi)=八菇i)，并要求P(咒)既便于计算，又能反映f(石)的变化特性。

捕值方法很多，考虑到腐蚀后LY l2C Z试件的对数疲劳寿命均值l gN和应力幅值l gS。

仍满足线性关系：l g N=A+口l gS。

(Ⅳ≥5X103)(1)斜率B和试验室纯环境下斜率相比变化微小，且口变化对对数疲劳寿命均值影响不大”J，因此使用线性插值法能够满足精度要求。

文中对文献[8]的腐蚀疲劳历史试验进行整理，见表l，然后使用牛顿插值法一1对表1中数据进行拟合扩充，具体计算结果见表2。

插值计算所得的数据能够较好地反应疲劳寿命试验值的变化规律，因此由牛顿捅值法所得数据能够满足神经网络训练需要。

在具体插值计算过程中，并不是插值多项式的次数越高，精度越好，当次数较高时，数值常常不稳定；也并不是插值节点越多，逼近效果越好。

使用表2中的数据进行神经网络训练仿真汁箅。

表l腐蚀年限和应力幅值对应的对数疲劳寿命值试验数据T a bl e1T he t est dat a of l ogar i t h m f ati gue l i f e cor r espo ndi ng t o cor r os i on t i m e a nd s t r e ss r a nge表2牛顿插值计算扩充后的腐蚀疲劳数据T a bl e2The C O I T O$i on f ati gue data fi t t ed by N e w t o n i nter polat i on …—。

对数疲劳寿命值腐蚀年限1磊—弋石—面≠坚篙孑i蒿≯ti—百而／aM Pa M Pa M Pa M Pa M Pa M Pa M Pa M Pa2神经网络预测模型神经网络方法现已经应用于腐蚀领域研究，文献[10—12]分别使用各种算法建立映射网络模型进行腐蚀问题分析，文中采用误差逆传播(B P)算法¨3|。

B P神经网络通常使用3层网络结构即输入层、隐含层、输出层，概括为某一个学习样本经隐含层计算后，将输出层输出的计算结果与已知的结果相比较，若误差大于设定要求，则根据相差值进行逆向运算(向输入层方向运算)，调整神经元节点间的连接权值。

如此反复计算，直至误差满足设定的要求或运算次数达到设定值。

文中将根据经牛顿捅值法扩充后的腐蚀疲劳试验，考虑腐蚀年限和应力幅值两种因素对L Y l2C Z试件疲劳寿命的影响，建立腐蚀年限、应力幅值对应对疲劳寿命的网络映射模型来分析崩m一44吲瑚一44928323444∞笼凹4445312l144482732844348375533336473333338B2008每06月2．3黑娜¨邝舢艚为≥黼一第5卷第3期刘治国等：LY l2C z腐蚀疲劳寿命的神经网络研究．27．培Sa图2不同预腐蚀年限的l gS。

和l gⅣ对应关系Fi g．2R el a t i on s hi p bet w ee n lgS4and l gJ】、，under di ff ere nt c o r rosi o n t i m e从对数疲劳寿命的总体变化趋势上不难判断：在同一应力幅值下，对数疲劳寿命随着预腐蚀年限的增加而降低；在同一腐蚀年限下，对数疲劳寿命随应力幅值的增加而降低。

可见网络预测结果符合L Y l2C Z材料服役规律和试验规律。

图3为经过预腐蚀3a后由神经网络预测的对4．84．64．4乏4．2算4．03．83．6培Sn图3预腐蚀3年的l gS。

和l∥拟合直线Fig．3T he f i t t i ng l i n e of l gS。