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基于贝叶斯神经网络的金属材料p-s-n曲线估计

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华南理工大学学报（自然科学版） 2023年第11期51卷 82-92页

作者：杨旭锋刘泽清张懿西南交通大学机械工程学院四川成都610031

疲劳破坏是机械结构的主要失效形式,而依据试验数据获取高精度的s-n曲线,是开展机械结构疲劳寿命预测的前提。但疲劳试验数据往往展示出较大的分散性,采用概率疲劳寿命(p-s-n)曲线进行应力循环关系的描述更为恰当。为了克服现有经典机... 详细信息

疲劳破坏是机械结构的主要失效形式,而依据试验数据获取高精度的s-n曲线,是开展机械结构疲劳寿命预测的前提。但疲劳试验数据往往展示出较大的分散性,采用概率疲劳寿命(p-s-n)曲线进行应力循环关系的描述更为恰当。为了克服现有经典机器学习模型在材料疲劳数据分析中仅能给出疲劳寿命的确定值而无法定量其分散性的局限性,文中提出了一种基于贝叶斯神经网络(Bnn)模型的金属材料p-s-n曲线估计方法。首先将传统神经网络模型的权重参数视为随机变量,采用贝叶斯参数估计方法,根据训练样本对权重参数的后验分布进行估计;然后,考虑到已有后验分布估计方法容易低估权重参数的不确定性程度,文中引入了一种基于α散度的黑盒(BB-α)算法,对权重参数进行后验估计;最后,采用Bnn模型对2524-T3铝合金、2024-T4铝合金和s420MC钢的疲劳数据进行了分析。结果表明:Bnn可以作为一个有效、稳健的模型,用于疲劳数据的拟合和不确定性量化;基于BB-α算法的Bnn模型,可以更加准确地给出疲劳数据的不确定性量化结果。

关键词：贝叶斯神经网络疲劳数据预测 p-s-n曲线不确定性分析

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工程p-s-n曲线的小子样预测方法研究

西北工业大学学报 2018年第5期36卷 831-838页

作者：刘潇然孙秦梁珂西北工业大学航空学院陕西西安710072

基于非嵌入多项式混沌(nIpC)展开及贝叶斯更新方法,提出一种中等寿命区p-s-n曲线的小子样预测方法。该方法运用较少应力水平下的小子样疲劳寿命数据样本,采用优化方法求解Basquin应力-寿命模型参数的样本数据;由此建立nIpC展开式并进行... 详细信息

基于非嵌入多项式混沌(nIpC)展开及贝叶斯更新方法,提出一种中等寿命区p-s-n曲线的小子样预测方法。该方法运用较少应力水平下的小子样疲劳寿命数据样本,采用优化方法求解Basquin应力-寿命模型参数的样本数据;由此建立nIpC展开式并进行大子样抽样计算,通过大子样拟合优度检验,得其概率特性,继而拟合模型参数统计量与应力水平的关系。为改进模型参数统计量的预测精度,引入另一应力水平下的小子样试验数据,运用贝叶斯更新方法对模型参数统计量进行修正;由此通过nataf变换对任意应力水平下模型参数进行抽样,代入模型计算获得疲劳寿命样本,进一步统计获得其概率分布,即完成基于小子样的p-s-n曲线预测。完成了铝合金2024-T3疲劳试验,各应力水平下试验寿命均落于预测概率疲劳寿命的上下95%分位数区间内,表明新方法得到的p-s-n曲线可有效预测疲劳寿命的概率特性。

关键词：非嵌入多项式混沌小子样中等寿命区 p-s-n曲线

缺口件p-s-n曲线的随机有限元法与试验应用

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机械工程学报 2018年第10期54卷 117-123页

作者：金甲张书明李五一薛卫军北京飞机强度研究所飞机力学与载荷实验室

p-s-n曲线是结构疲劳可靠性分析的重要依据之一,获取最可靠的p-s-n曲线的方法是基于试验数据。由于耗时长,缺口形式多变等原因,缺口件p-s-n曲线往往难以全部通过试验获得。使用随机有限元法(stochastic finite element method,sFEM)计... 详细信息

p-s-n曲线是结构疲劳可靠性分析的重要依据之一,获取最可靠的p-s-n曲线的方法是基于试验数据。由于耗时长,缺口形式多变等原因,缺口件p-s-n曲线往往难以全部通过试验获得。使用随机有限元法(stochastic finite element method,sFEM)计算疲劳寿命与疲劳强度得到了一定研究,但参数常常比较复杂。考虑光滑件p-s-n曲线和缺口几何参数,使用随机有限元法模拟缺口分散性,与表示光滑件疲劳寿命分散性的p-s-n曲线结合起来,通过蒙特卡洛抽样得到相应的局部应力应变的随机样本,获取了缺口件的p-s-n曲线,并将其用于疲劳可靠性研究的一部分,低载删除的试验研究。试验表明该方法可行,可以用于缺口件p-s-n曲线的拟合折算。

关键词：缺口件 p-s-n曲线随机有限元可靠性场强法

基于样本信息重构的小子样p-s-n曲线拟合方法

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铁道学报 2018年第7期40卷 47-53页

作者：刘文飞刘志明薛海贾裕祥北京交通大学机械与电子控制工程学院北京100044 包头北方创业有限责任公司内蒙古包头014032

为了在小子样条件下拟合出精度较高的p-s-n曲线,本文提出基于样本信息重构并符合疲劳寿命等效原理的极大似然法和基于样本信息重构的最小二乘法。样本信息重构有效解决了在部分相邻的应力水平下样本的对数寿命标准差与对数应力水平不呈... 详细信息

为了在小子样条件下拟合出精度较高的p-s-n曲线,本文提出基于样本信息重构并符合疲劳寿命等效原理的极大似然法和基于样本信息重构的最小二乘法。样本信息重构有效解决了在部分相邻的应力水平下样本的对数寿命标准差与对数应力水平不呈线性关系的问题,同时该方法考虑了各应力水平下样本数量效应对整体样本分布的影响,有效降低了部分应力水平下小样本与异常样本对疲劳寿命均值与标准差的影响,保证疲劳寿命的等效精度。最后通过应用疲劳试验数据对本文提出的2种方法与传统的极大似然法和最小二乘法进行对比分析,结果表明基于样本信息重构并符合疲劳寿命等效原理的极大似然法拟合的p-s-n曲线精度高且偏于安全。

关键词： p-s-n曲线小子样样本信息重构寿命等效极大似然法

建立海洋平台管节点p-s-n曲线的模糊统计方法

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上海交通大学学报 2006年第8期40卷 1339-1342,1347页

作者：薛鸿祥唐文勇张圣坤上海交通大学海洋工程国家重点实验室上海200030

基于马氏距离的隶属函数,给出了模糊统计特征值的计算公式,采用模糊统计方法对海洋平台管节点疲劳试验的结果进行统计分析,建立了p-s-n曲线.计算结果表明,模糊方差和模糊变异系数比常规统计方法所得出的方差和变异系数小.该方法优于传... 详细信息

基于马氏距离的隶属函数,给出了模糊统计特征值的计算公式,采用模糊统计方法对海洋平台管节点疲劳试验的结果进行统计分析,建立了p-s-n曲线.计算结果表明,模糊方差和模糊变异系数比常规统计方法所得出的方差和变异系数小.该方法优于传统的统计方法,尤其适合处理分散性较大的小子样疲劳试验数据.

关键词： p-s-n曲线模糊统计方法海洋平台管节点疲劳试验

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威布尔分布下小样本p-s-n曲线拟合方法

西安交通大学学报 2019年第9期53卷 96-101页

作者：白恩军黄树涛谢里阳沈阳理工大学汽车与交通学院沈阳110159 东北大学航空动力装备振动及控制教育部重点实验室沈阳110819

为拟合疲劳寿命服从威布尔分布的小样本p-s-n(失效概率-应力-循环次数)曲线,提出了小样本疲劳寿命试验数据统计分析与p-s-n曲线拟合方法。根据疲劳寿命均值和标准差与应力水平的线性关系,基于已知的最高级应力水平的疲劳寿命分布参数,... 详细信息

为拟合疲劳寿命服从威布尔分布的小样本p-s-n(失效概率-应力-循环次数)曲线,提出了小样本疲劳寿命试验数据统计分析与p-s-n曲线拟合方法。根据疲劳寿命均值和标准差与应力水平的线性关系,基于已知的最高级应力水平的疲劳寿命分布参数,使用疲劳寿命算术平均值替代其他级应力水平均值(期望),获得疲劳寿命均值与应力水平的线性关系。根据此关系,将不同级应力水平的疲劳寿命等效到最高级应力水平,检验等效寿命与最高级应力水平疲劳寿命的均值相对误差,反推各级应力水平疲劳寿命的统计参数,从而实现了p-s-n曲线的拟合。算例结果表明:使用全部疲劳寿命数据时,所提方法拟合结果与传统方法拟合结果相对误差小于1%;对于拟合设计的2组方案(8-5-5和8-3-3),所提方法与传统方法拟合结果相对误差小于10%;所提方法能够得到较为合理的参数,获得较好的p-s-n曲线拟合结果。

关键词： p-s-n曲线小样本统计分析疲劳寿命等效威布尔分布

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样本信息聚集原理与p-s-n曲线拟合方法

机械工程学报 2013年第15期49卷 96-104页

作者：谢里阳刘建中东北大学机械工程与自动化学院沈阳110819 中航工业北京航空材料研究院北京100095

基于不同应力水平下试样疲劳寿命对应的概率分位点的一致性,研究小样本疲劳试验数据信息提取原理与p-s-n曲线试验数据统计处理方法。通过聚集不同应力水平下的寿命试验数据、融合不同应力水平下的寿命分布信息,实现各级应力水平下寿命... 详细信息

基于不同应力水平下试样疲劳寿命对应的概率分位点的一致性,研究小样本疲劳试验数据信息提取原理与p-s-n曲线试验数据统计处理方法。通过聚集不同应力水平下的寿命试验数据、融合不同应力水平下的寿命分布信息,实现各级应力水平下寿命分散性信息的集成应用。借助失效迹线和等效寿命概念,以及等效寿命分布与真实寿命分布一致性判据,提出确定寿命标准差与循环应力水平之间关系的方法。在寿命中值(均值)-应力水平关系已知、寿命标准差-应力水平关系待定的情况下,基于等效寿命分布与真实寿命分布一致性的统计检验,应用摄动寻优技术确定疲劳寿命标准差-循环应力水平方程。这种方法相当于把不同应力水平下的疲劳寿命试验数据转换为任一指定应力下的等效寿命,从而得到等效大样本数据,拟合出较为精确的p-s-n曲线。试验表明,此方法能在较小样本量(20～30)的条件下,获得与传统成组法(40～60个样本)接近的p-s-n曲线,且容易应用。

关键词： p-s-n曲线小样本样本集聚信息融合等效寿命

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估计疲劳寿命三参数p—s—n曲线的新方法

机械强度 2007年第2期29卷 300-304页

作者：李洪双吕震宙西北工业大学航空学院西安710072

由于不同应力水平下对数疲劳寿命的方差不等,因而不同应力水平下的对数疲劳数据不满足最小二乘估计的Gauss-Markov假设条件,此时采用常规最小二乘法估计的三参数p—s—n曲线不是统计意义下的最佳线性无偏估计,而加权最小二乘法则可以给... 详细信息

由于不同应力水平下对数疲劳寿命的方差不等,因而不同应力水平下的对数疲劳数据不满足最小二乘估计的Gauss-Markov假设条件,此时采用常规最小二乘法估计的三参数p—s—n曲线不是统计意义下的最佳线性无偏估计,而加权最小二乘法则可以给出异方差条件下的最佳线性无偏估计。为此基于加权最小二乘和Bootstrap方法提出一种疲劳寿命三参数p—s—n曲线估计方法,在所提方法中,Bootstrap方法被用来确定不同应力水平下疲劳试验寿命数据的协方差矩阵对角线元素,避免迭代确定加权最小二乘法中的权矩阵。对三种材料的四组疲劳试验寿命数据进行分析的结果表明,所提方法具有工程实用性,传统最小二乘法由于忽略了Gauss-Markov假设条件可能得到偏危险的结果,而由于所提方法得到的是最佳线性无偏估计,因而在子样容量增大时将趋于估计的真值,并且参数估计的方差将是最小的。

关键词：疲劳 p-s-n曲线最佳线性无偏估计加权最小二乘法 Bootstrap方法

汽车变速箱圆柱齿轮弯曲疲劳p-s-n曲线测定

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上海理工大学学报 2006年第4期28卷 370-372页

作者：杨承三寇宏滨卢曦郑松林邵晨上海理工大学机械工程学院上海200093

利用大小两级载荷,对国产某汽车变速箱倒档圆柱齿轮单齿弯曲疲劳强度进行了试验.通过对试验数据的处理,表明该齿轮单齿弯曲对数疲劳寿命在高低载荷级下均呈正态分布,在高低载荷级下的成活率分别与其弯曲疲劳寿命对数之间存在线性函数关... 详细信息

利用大小两级载荷,对国产某汽车变速箱倒档圆柱齿轮单齿弯曲疲劳强度进行了试验.通过对试验数据的处理,表明该齿轮单齿弯曲对数疲劳寿命在高低载荷级下均呈正态分布,在高低载荷级下的成活率分别与其弯曲疲劳寿命对数之间存在线性函数关系,以及不同成活率下的p s n曲线和齿轮单齿弯曲疲劳极限.为进一步研究齿轮弯曲疲劳强度提供了基本曲线和数据.

关键词： p-s-n曲线变速箱齿轮弯曲疲劳寿命弯曲疲劳强度