基于机器学习的增材制造合金材料力学性能预测研究进展与挑战

增材制造是现代高端装备制造领域的革命性突破技术之一.其中,增材构件的大批量生产和高可靠应用,关键在于制造可重复性、质量可靠性与性能可预测性.而在各向异性组织、广域分布缺陷、深部残余应力和复杂表面粗糙度等诸多因素的共同影响下,基于传统经验模型和有限数据的增材制造金属力学性能预测效率与准确性面临着严峻挑战.近年来,作为大数据与人工智能发展到一定阶段的必然产物,机器学习(machine learning,ML)方法为有效处理高维物理量之间的复杂非线性关系提供了契机,在增材制造合金材料力学性能预测领域得到持续关注.文章综述了机器学习在增材制造材料及构件力学性能预测中的国内外研究进展.首先简述了常见的机器学习算法和通用的机器学习流程,重点分析了融合物理信息的机器学习(physics-informed machine learning,PIML)方法的特点与构造方式;然后概述了增材制造合金材料力学性能4大影响因素的形成原因及机器学习在这些影响因素预测中的应用现状;重点介绍了ML和PIML在拉伸性能和疲劳断裂性能预测中的代表性研究成果;最后指出当前机器学习在力学性能预测中的局限性,并探讨了发展趋势和技术前景.

基于机器学习和遗传算法的非局部晶体塑性模型参数识别

非局部晶体塑性模型考虑了由非均匀变形引起的位错在空间上的重排,使得其本构模型变得复杂,可调节参数众多,因此采用常规的“试错法”难以准确确定这些参数.虽然遗传算法能够稳健地全局优化解决参数确定问题,但对于非局部晶体塑性模型,其计算成本相对较高.为解决这一问题,提出了一种耦合机器学习模型的遗传算法,以有效降低计算成本.针对含有冷却孔的镍基高温合金的拉伸响应问题,以单拉应力-应变曲线为目标,基于屈服应力和最终应力建立评价公式,使得优化结果与实验尽可能接近.在这一方法中,机器学习模型能够通过非局部晶体塑性模型的参数来预测相应的应力值,从而替代了遗传算法中原本需要的有限元计算过程.为了分析本构模型参数对单拉力学响应的影响,研究采用SHAP框架,并通过有限元结果进行验证.结果表明,通过该方法可以有效获取非局部晶体塑性模型参数,使得参数计算得到的应力-应变响应与实验结果吻合较好.此外, SHAP框架能够提供本构模型参数的重要程度分析,以及对屈服应力和最终应力的影响.

带孔形状记忆合金薄板弹热性能的实验和理论研究

NiTi形状记忆合金因其优异的弹热效应在新兴固态制冷领域具备广阔的应用前景.然而,该类合金较高的相变临界应力使得其弹热效应需要很高的机械载荷来驱动,对固态制冷器件的小型化和大规模应用带来了挑战.文章通过在NiTi形状记忆合金薄板上引入孔洞,揭示了孔洞体积分数、分布形式对薄板弹热性能的影响.结果表明,孔洞造成的应力集中效应能够在显著降低薄板相变驱动力的同时,有效增加薄板的整体制冷温度和吸热量.薄板在变形过程中的整体力-位移响应和温度演化强烈依赖于孔洞体积分数,孔洞分布形式仅仅影响薄板的局部应力-应变-温度场,而对整体的热-力响应影响较小.进一步地,基于应力对数客观率,在不可逆热力学框架下建立了形状记忆合金有限变形热-力耦合本构模型,并完成了模型的有限元移植.通过与实验结果的对比发现,提出的本构模型能够很好地预测孔洞对NiTi形状记忆合金薄板变形行为和弹热性能的影响,从而为该类合金带孔薄板的设计提供理论工具.

U75V钢轨钢耦合损伤循环塑性本构模型研究

针对我国重载铁路和地铁用钢在实际服役过程中的全寿命棘轮行为,开展U75V钢轨钢耦合损伤循环塑性本构模型研究。首先通过不同平均应力和不同应力幅值的循环实验,研究U75V钢轨钢在室温下的全寿命棘轮行为;然后基于损伤力学和循环塑性框架,采用损伤修正的Chaboche随动硬化模型,引入指数型损伤演化律,建立耦合损伤的循环塑性本构模型;最后针对材料的失效模式,建立基于损伤临界值的疲劳失效判据,预测失效寿命。研究结果表明,模拟循环稳定时的棘轮应变率误差小于22.0%,失效时的棘轮应变误差小于38.0%;预测U75V钢轨钢的低周疲劳寿命均在1.5倍误差带内。总的来说,该耦合损伤循环塑性本构模型能描述U75V钢轨钢在非对称单轴应力循环下的全寿命棘轮行为。

用于厚壁结构中激励低频SH导波的换能器

零阶水平剪切波(SH_(0)波)因其独特的非频散(即波速不随频率改变)特性在厚壁板壳结构的智能监测中具有可观的应用前景。然而,当前能够在厚壁板壳结构中激励单模态低频SH_(0)波的换能器十分匮乏。鉴于此,本研究设计了一种低频SH_(0)波压电换能器,该换能器由两个反对称布置的厚度剪切压电晶片和一个含有微结构的基底构成。有限元仿真和实验结果表明,该压电换能器可以在45~65 kHz频率范围内激励高信噪比的SH_(0)波,且能够将SH_(0)波的能量聚焦在两个相反的主方向。此外,基底中的微结构设计可以提高换能器激励的SH_(0)波的信噪比,基底有微结构的换能器所激励的SH_(0)波的信噪比比基底无微结构的换能器提高了277%。本研究所提出的压电换能器可为在厚壁板壳结构中激励单模态的低频SH_(0)波提供一个可行的途径。

SS304不锈钢高温非比例多轴加载下时相关循环变形行为的实验研究

在973K下,对SS304不锈钢多轴循环加载下的时相关应变循环特性和时相关棘轮行为进行了实验研究.揭示了材料在不同加载路径、不同加载速率以及不同保持时间下的循环软/硬化特性和棘轮变形行为.结果表明:在高温下,材料的循环软/硬化和棘轮变形均体现出明显的时相关效应,即其循环变形行为不仅强烈依赖于加载速率,而且还明显依赖于保持时间;另外,材料的变形行为在高温下也具有强烈的加载路径依赖性.研究得到了一些有助于后续建立时相关本构模型的结论.

SS304不锈钢单轴时相关棘轮行为的本构描述

在SS304不锈钢室温和高温单轴时相关棘轮行为实验研究的基础上,基于Abdel-Karim-Ohno非线性随动硬化律,发展了一个新的统一粘-塑性本构模型。由于该模型考虑了具有应力保持时间和高温下不可忽略的静力恢复或热恢复效应,通过与实验结果的比较发现,新发展的统一粘-塑性本构模型对室温和高温下的时相关棘轮行为均能给予合理的预测结果。

超弹性NiTi合金相变棘轮行为的实验研究

超弹性NiTi合金在应力控制循环载荷下会产生峰值应变和谷值应变的循环累积——相变棘轮行为.室温实验表明,峰值应变和谷值应变的演化规律与加载应力水平和加载波形密切相关;同时,在循环加载过程中,随着循环周次的增加,奥氏体名义弹性模量减小,马氏体名义弹性模量增大,奥氏体向马氏体转变的名义开始应力下降,耗散能降低,并在一定的循环次数下趋于一个稳定值.研究得到了一些有助于后续建立超弹性循环本构模型的结论.

304不锈钢非比例多轴时间相关棘轮行为的本构模型研究

基于304不锈钢在不同加载速率和不同保持时间下得到的非比例多轴时相关棘轮行为的实验研究结果,在Abdel-Karim-Ohno模型的基础上,建立了一个非比例多轴时间相关循环本构模型。该模型通过在背应力演化律中引入与非比例度相关的静力恢复项,在各向同性硬化律中引入Tanaka非比例度来考虑非比例路径对时间相关棘轮行为的影响。模拟结果与实验结果的比较表明:该本构模型对室温和高温下多轴时间相关棘轮行为的演化规律均能给予较合理的描述。

SS304不锈钢室温非比例多轴时相关棘轮行为实验研究

在室温下,对SS304不锈钢非比例多轴循环加载下的时相关棘轮行为进行了实验研究。揭示了材料在不同加载速率、不同保持时间以及不同加载路径下的棘轮变形特性。结果显示:即使在室温下,棘轮变形也有明显的时相关效应,其棘轮行为不仅强烈依赖于加载速率而且还明显依赖于保持时间;此外,材料的棘轮行为还对加载路径有强烈的依赖性。

残余应变对镍钛形状记忆合金超弹性抑制效应的实验研究

镍钛形状记忆合金在特定的加载条件下超弹性将严重退化并导致结构发生功能性失效。通过单调加载和循环加载实验研究来揭示镍钛形状记忆合金超弹性性能的退化机制。结果表明:在单调载荷下,残余马氏体和马氏体塑性屈服将导致残余应变的产生,残余应变能稳定应力诱发的马氏体并阻碍其逆相变,导致耗散能的降低;在拉伸-卸载的应力循环载荷下,残余应变和耗散能与加载应力水平密切相关,当峰值应力高于马氏体塑性屈服应力时,由于逆相变被塑性变形约束,逆相变在循环初期即被完全抑制,耗散能急剧下降,超弹性几乎丧失殆尽。上述结论将为镍钛形状记忆合金元器件的设计和安全评估提供重要的参考。

SS304不锈钢在室温单轴循环加载下的时相关棘轮行为

对SS304不锈钢在室温单轴循环加载下的时相关棘轮行为和时相关应变循环特性进行了实验研究.讨论了材料在不同 加载速率,不同保持时间和不同加载波形下的循环软／硬化行为和棘轮行为特征.结果表明:即使在室温下, SS304不锈钢也表 现出明显的时相关效应;材料的循环变形行为,特别是棘轮行为明显地依赖于加载速率和保持时间以及加载波形的形状.研究得到 了一些有助于时相关循环变形行为本构描述的结论.

拉压弹性模量差异对泡沫铝夹芯板三点弯曲模拟的影响

泡沫铝材料是一种典型的拉压双模量材料,即受拉与受压时弹性模量不同。使用ABAQUS有限元软件对泡沫铝夹芯板的三点弯曲行为进行了模拟。首先,对泡沫铝芯层采用可压缩泡沫模型,通过对芯层的受拉区和受压区采用不同的弹性模量来讨论拉压弹性模量差异对夹芯板三点弯曲行为的影响。同时,在泡沫铝压缩响应一致的情况下,对可反映拉压弹性模量差异的孔洞模型和未考虑拉压弹性模量差异的可压缩泡沫模型的夹芯板三点弯曲模拟结果进行了比较。研究表明,泡沫铝芯层的弹性模量对夹芯板的三点弯曲行为模拟有较大影响。若不考虑泡沫铝拉压弹性模量的差异,得到的夹芯板三点弯曲情况下的加载刚度和屈服荷载明显偏低。

粘接界面泡沫铝夹芯板的三点弯曲失效数值模拟

对粘接界面泡沫铝夹芯板三点弯曲载荷下的变形特性进行了实验和数值模拟方面的研究。基于有限元软件ABAQUS建立了泡沫铝夹芯板的三维有限元模型,应用内聚力模型对三点弯曲过程中典型的破坏模式——面板与芯层的界面脱粘给予了合理的模拟,模拟所得的结果与实验结果比较吻合。并在此基础上分析了面板和芯层厚度对夹芯板承载能力和吸收能量能力的影响。结果表明,增加芯层的厚度能够更大程度上提高泡沫铝夹芯板的承载能力和吸收能量的能力。

钢轨焊接接头不平顺演变条件下的轮轨接触分析

钢轨焊接接头处容易出现短波几何不平顺,严重制约着钢轨的服役寿命并影响行车安全。为研究钢轨焊接接头几何不平顺演变对轮轨接触行为的影响,首先,基于有限元方法建立三维轮轨滚动接触模型,分析我国某线路实测钢轨焊接接头几何不平顺处的轮轨动态响应;随后,建立局部钢轨有限元模型,通过引入钢轨材料的循环本构模型,研究循环荷载作用下钢轨接头处的应力-应变响应。研究表明:(1)随着钢轨焊接接头几何不平顺的演变,轮轨接触力和接触应力逐渐增大,其变化率也随之提高;(2)考虑列车牵引工况时,在轮轨切向力的作用下,钢轨焊接接头处的材料响应在其几何不平顺演变过程中均处于棘轮效应状态,尤其是几何不平顺演变中后期,循环积累的应变显著增加,累积应变变化率由之前的22.4%增长到53.2%,即加快了钢轨的劣化;(3)若不考虑列车牵引或制动操作时的作用力,材料响应则为塑性安定。

超弹性NiTi合金循环相变诱发塑性本构模型

为定量描述镍钛形状记忆合金循环相变诱发塑性导致的超弹性退化行为,在广义粘塑性框架下对Graesser模型进行了拓展,考虑了奥氏体和马氏体弹性模量的差异以及马氏体非线性硬化行为,引入循环相变过程中相变应力和残余应变的演化方程,建立了超弹性Ni Ti合金循环相变诱发塑性本构模型,总结了模型参数确定方法.通过镍钛形状记忆合金微管的循环相变试验结果和模拟结果的对比表明,提出的模型能够很好地预测镍钛形状记忆合金的循环相变诱发塑性行为。

路基含水量对水泥混凝土路面疲劳寿命的影响分析

含水量对路基的回弹模量有显著的影响,而回弹模量是水泥混凝土路面板应力和路面弯沉的重要影响因素。为克服采用线弹性当量回弹模量进行路面结构分析带来的偏差,通过对粉土三轴试验数据拟合,获得了不同含水量下应力相关的非线性回弹模量参数。推导了精确的一致切线刚度矩阵,利用Abaqus用户材料子程序UMAT对应力相关的回弹模量模型进行有限元实现。基于路基-路面协调变形,建立三维有限元分析模型,调用移植的回弹模量模型对典型的水泥混凝土路面结构进行结构分析,获取路基土在不同含水量下的路面结构的应力应变响应,结合水泥混凝土路面的疲劳寿命关系分析路基土含水量对混凝土路面疲劳寿命的影响。研究结果表明:路基土含水量从最佳含水量-3%增加到最佳含水量+3%,回弹模量相应显著减小,路面顶面最大弯沉增加,路面板的板底最大拉应力增加,路面结构的疲劳寿命减少。

颗粒形状对复合材料单轴棘轮行为及其细观塑性变形特征的影响

在细观有限元模型基础上,利用ABAQUS有限元程序对具有不同颗粒形状(球形、立方体、短棱柱和短圆柱)的SiCP/6061Al合金复合材料的单调拉伸行为和单轴棘轮行为进行数值模拟,讨论颗粒形状对复合材料棘轮行为的影响。结果表明:颗粒形状对复合材料的弹性模量、单拉行为和单轴棘轮行为均有较大影响。在所讨论的几种颗粒形状中,球形颗粒的增强效果最弱,抵抗棘轮变形的能力最差;不同短棱柱颗粒的增强效果与其拥有的棱边数有关,即五棱柱颗粒的增强效果最好,然后随棱边数的增加逐渐下降,最后接近于短圆柱形颗粒。通过有限元分析结果讨论了不同颗粒形状下基体的细观塑性变形特征及其演化规律,这些结果有助于分析该类复合材料损伤和失效机制。

温度相关的镍钛形状记忆合金循环相变行为研究

对镍钛形状记忆合金在-20~120℃的温度区间内进行了应变控制下的循环加/卸载实验研究。实验结果表明,在温度低于80℃时,相变应力和耗散能均随循环周次的增加而迅速降低,残余应变随循环周次的增加而增加,它们均在一定的循环周次后均趋于稳定值；一旦温度超过80℃,逆相变开始应力随循环周次的增加反而增加,向前相变开始应力和逆相变结束应力与温度的线性关系不再保持。温度低于奥氏体完成温度之前,初始为马氏体相或马氏体-奥氏体混合相,残余应变随温度增加而减小,耗散能随着温度的增加而增加；温度高于奥氏体完成温度时,初始为奥氏体相,残余应变随温度的增加而增加,耗散能随温度的增加而下降,二者分别在40和20℃达到最小值和最大值。

高分子材料涂层碰撞剥落机理的有限元分析

为研究碰撞工况下高分子涂层材料响应,采用有限元软件ABAQUS/Explicit模拟了高分子材料涂层结构在碰撞条件下的应力/应变场,揭示高分子材料涂层在碰撞条件下的剥落机制。根据与不同破坏形式相对应的应力分析,得出倒角半径和碰撞角度对高分子材料涂层抗碰撞性能的影响。计算结果表明碰撞导致的界面剥离以I型破坏为主,合理调整基底材料倒角半径能有效提高涂层抗碰撞性能。研究结果对高分子涂层结构的设计提供了指导。