Chaboche热粘塑性损伤模型的应用研究

Chaboche热粘塑性损伤模型的应用研究（共5篇）

篇1：Chaboche热粘塑性损伤模型的应用研究

Chaboche热粘塑性损伤模型的应用研究

本文讨论了Chaboche粘塑性模型的.材料参数确定问题,提出了一种简单实用的模型参数确定方法,并用本文提出的方法确定了TiAl材料的Chaboche模型参数,并用这些参数进行了不同应变率下的拉伸模拟计算、不同应力下的蠕变模拟计算和CT试样在阶梯载荷下的蠕变模拟计算.

作 者：张克实 Brocks Wolfgang 作者单位：张克实(西北工业大学,工程力学系,陕西,西安,710072)

Brocks Wolfgang(GKSS Research Center 德国)

刊 名：航空动力学报 ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF AEROSPACE POWER年，卷(期)：17(5)分类号：V231.91关键词：热粘塑性 蠕变 本构模型 模型参数

篇2：Chaboche热粘塑性损伤模型的应用研究

较之普通混凝土,钢纤维混凝土优良的抗拉、抗弯、抗剪强度及抗冲击、抗疲劳、裂后韧性和耐久性能已经被学者们所认可[1~3]。混凝土的本构模型一直是学者们研究的焦点,根据不同的理论,学者们得到了不同的本构模型。塑性理论经过改造已成功地应用于混凝土的本构模型研究[4]。相比金属塑性本构模型研究,利用塑性理论进行混凝土本构模型研究时,弹塑性耦合是岩石、混凝土类软化材相异于金属材料的一个重要研究问题[5~7]。对混凝土类软化材料,在应力空间中基于Drucker公设的塑性理论很难描述混凝土的软化和弹塑性耦合问题[7],殷有泉等[5]依据Ilyushin公式,在应变空间中建立了考虑弹塑性耦合的广义正交流动法则。由于混凝土材料没有明显的初始屈服面,这给在塑性理论基础上研究混凝土的本构带来一定困难。新兴的损伤力学被认为能很好地描述混凝土类带缺陷材料的工作性能,塑性理论和损伤力学结合为研究混凝土的本构模型提供了新的思路,取得了一定的成果[8~10]。Lemaitre[11]提出了应变等效原理,该原理是将混凝土的刚度退化和损伤联系起来,这样就将弹塑性耦合问题转化为弹性与损伤之间关系问题,如文献[12]。然而,一些学者[13~15]通过试验证实,直接利用卸载刚度变化规律描述混凝土损伤的发展并不符合实际情况。目前,针对这一问题的研究成果较少。鉴于上述分析,本文假定混凝土存在一个损伤临界值,基于这一假定确定损伤变量为内变量材料的屈服面函数,考虑材料加载过程中的刚度退化问题,推导了混凝土的弹塑性损伤本构模型,最后进行了钢纤维混凝土的单轴压缩试验,得到了损伤变量关于应变的关系式,最后根据试验结果推出了单轴压缩的简单加载条件的全量弹塑性本构模型。

1 混凝土临界损伤假定

由弹塑性理论可知,材料的总应变可分解为弹性和塑性两部分,即:

对于单轴受压状态下的混凝土,根据Lemaitre[11]等效应变原理有,弹性应变满足:

可以得到混凝土的损伤变量

直接利用由式(3)得到的损伤变量不能真实反映混凝土内部的损伤变化规律。卸载刚度在开始加载的一定范围内大于初始弹模,势必导致式(3)所定义的损伤变量小于零,这与实际情况不符。对于这种刚度增大的现象,董毓利[16]做了如下机理分析:混凝土在单轴压缩荷载作用下,约在极限荷载的2/3之内,混凝土试件的体积大致与荷载成比例减小,体积变化率在极限荷载的80%左右以前都是在减小的,在此之前混凝土处于被压实阶段,混凝土内部微裂纹的发展对混凝土宏观力学性能影响微弱,可忽略不计。当继续增加荷载时,体积将随荷载的增加而增大,横、纵向应变之比达到0.5时,混凝土体积开始发生膨胀。材料的膨胀与最后破坏是由于试件内部平行于压力方向的纵向裂纹发展所致,此时,微裂纹逐渐扩展为宏观裂纹,混凝土表现为明显损伤。

由以上分析可知,在使用卸载刚度定义混凝土损伤时,必须将混凝土内部损伤和混凝土宏观力学性能的变化二者联系起来。在加载初始阶段,混凝土的应力-应变曲线近似成线性关系,这部分的内部损伤对混凝土力学性能的影响较弱,当内部损伤达到一定程度后,则会明显引起混凝土相关性能的弱化。因此,本文假定混凝土的损伤存在一个临界值,当损伤低于该临界值时,损伤对混凝土的性能没有明显影响,混凝土的刚度随荷载增加而增大,假定损伤值为零,认为混凝土应力-应变关系满足虎克定律,不产生塑性应变;当损伤超过该临界值时,引起混凝土刚度发生退化,此后必须考虑损伤的影响,同时塑性变形开始产生。

依据上述假定,现定义如下损伤关系式:

式中,ω为实际损伤值,ωr为名义损伤值,ωr为临界损伤值。

2 试验研究

采用覫100mm×150mm圆柱体试件,水灰比恒定为0.5,制备钢纤维体积率分别为0和3%的两种混凝土试件,具体配合比见表1。试验设备为大型微机控制电液伺服多功能静动三轴材料试验机,见图1。

为测量混凝土的塑性变形,进行了等应变增量的单轴循环加卸载试验,其加载段的应变增量为1×10-3,加载段的应变速率保持10-3/s,典型加卸载曲线如图2所示。两种混凝土的基本力学性能见表2。

定义混凝土的临界损伤状态为材料处于临界损伤应力值与峰值应力值之比,并假定损伤临界值之前,混凝土的名义损伤值为零,混凝土材料的应力-应变曲线为线弹性,弹性模量为初始弹模,损伤超过临界值后才开始发展。本文初始弹模取峰值应力的3%和8%左右割线模量为混凝土的初始弹性模量。两种混凝土的损伤临界状态值见表2。根据试验结果,可以得到循环加卸载试验的累积塑性应变与应变关系图。损伤阈值之后的卸载刚度变化规律分别如图3和图4所示。

从图3可见,在相同应变水平下,钢纤维混凝土的累积塑性应变小于普通混凝土,二者最大相差0.3047%。从图4可见,普通混凝土的刚度变化幅度较大,可增大到1.2倍初始模量,衰减到0.12倍初始模量。钢纤维混凝土的刚度变化相对稳定,最大为1.06倍初始模量,最小为0.2倍初始模量,刚度退化较为平缓。

对图3中的累积塑性应变与应变之间的关系进行回归分析,可得如下关系式:

式中,α、β、γ为曲线形状参数,其值见表3。

从图3及表3中R-Square最小为0.9996可以看出,该关系式能够较好地表示累积塑性应变与应变之间的关系。图中SFC00为普通混凝土,SFC30为钢纤维混凝土。

对图5中的试验数据进行回归分析,可以得到混凝土损伤随应变增加的变化关系式:

式中,a、b为曲线的形状参数,具体取值见表4。

从图5和表4的R-Square最小为0.9944,可以看出,所得的关系式能很好表达损伤的变化规律。

本文单轴压缩试验为简单加卸载试验,宜选用全量本构关式,由式(1)、式(2)有:

将式(5)、式(6)的结果代入式(7),即可得到应力-应变之间的关系式。

3 结论

(1)相同应变水平下,钢纤维混凝土的累积塑性应变小于普通混凝土,最大累积塑性应变量相差0.3047%,根据试验数据得到了混凝土的累积塑性应变与应变之间的关系式εp=αεβ。

(2)钢纤维混凝土的刚度变化幅度较普通混凝土小,约为0.86倍初始弹模,普通混凝土约为1.1倍初始弹模。

(3)基于临界损伤假定,得到了混凝土的损伤变量关于应变的关系式ωr=aexp(bε-1.5)。

(4)在试验的基础上得到了简单加载条件下混凝土的全量弹塑性损伤本构模型。

摘要：对钢纤维含量为0和3%的混凝土进行了应变速率为10-3的等应变增量重复加卸载试验。结果表明,在相同应变水平时,钢纤维混凝土的累积塑性变形低于普通混凝土。钢纤维混凝土的刚度变化幅度较普通混凝土小,约为0.86倍初始弹性模量,而普通混凝土的约为1.1倍初始弹性模量。依据刚度退化规律,并考虑损伤临界值的影响,得到了关于应变的损伤变量表达式;依据试验结果得到了单轴受压状态下的混凝土全量弹塑性损伤全量本构模型。

篇3：Chaboche热粘塑性损伤模型的应用研究

【关键词】滑坡地质灾害；能量损伤锚固模型；应用

滑坡地质灾害是一种土体位移而造成的灾害，土体位移的原因有自然因素，也有人为因素。一般滑坡地质灾害爆发与气象水文、地形地貌以及地质灾害有关联。滑坡地质灾害的危害性能够阻碍我国社会经济的发展，所以，要把滑坡地质灾害所带来危害降至最低，就需要在滑坡地质灾害的治理上入手进行研究。

1.滑坡地质灾害

1.1形成因素

滑坡地质灾害俗称“走上”、“垮山”、“地滑”、“土溜”等，其成因包括自然因素和人为因素。

1.1.1自然因素

自然因素主要体现在地质构造和降雨量上。地质构造本身土体土质不稳是造成滑坡地质灾害的主要原因，而降雨是造成滑坡地质灾害最直接的原因。降雨将雨水渗透进土体，改变了其土质，增加了土层的重量，使土层变得松散容易位移，从而出现滑坡地质灾害。一些土层在降雨停止后经过阳光的曝晒，使得水分蒸发，土质干燥而开裂，甚至脱层，使土层在受到地心引力的影响下发生位移，滑坡地质灾害也随之出现。

1.1.2人为因素

造成滑坡地质灾害的人为因素主要体现在工程施工造成的土层松散以及人为活动造成的土体脱层。具体表现在：①工程施工对土地进行开发挖掘，使土层松散；②工程设计时为考虑不周全，排水系统未健全；③人为开地耕种使得土层松动，易移位。

1.2规律

滑坡地质灾害发生的时间有一定的规律可循，因为它与地震、温度、气候、以及人类活动有关，一般具有同时性，而有些滑坡现象发生的时间也会在诱发因素作用后，比如：融雪、风暴潮以及暴雨等来袭后，通常不会立即发生滑坡现象，但是会使得土质疏松，为之后的滑坡地质灾害留下了隐患。个人的山地开垦也使滑坡地质灾害具有滞后性，因为个人的山地开垦一般是用作耕种，不会进行大量开垦，通常会选择在坡脚处开挖，坡脚开挖后，因为其影响面积小，所以滑坡现象并不会立马显现，只有在自然因素的影响下，其坡体下滑重力累计到一定的程度，就会导致滑坡地质灾害。

2.能量损伤锚固模型在治理滑坡地质灾害中的应用

2.1建模

所谓建模是模型系统化建立的过程，建模是研究系统的重要手段和前提。所以在滑坡地质灾害治理工程中，工程施工之前，要对能量顺上锚固模型进行建模。通过建模这一步骤掌握施工中可能要用到的所有数据，这对于滑坡地质灾害治理工程成功实施有很大的帮助。滑坡地质灾害中，需要对土层土体进行岩体加锚，采用锚杆结构+削坡+排水+挡土墙的治理方案。确定好治理方案后，再进行治理滑坡地质灾害治理队伍的组建。在岩体加锚中，锚杆要与加固岩体合成损伤岩锚柱单元。在进行治理相关的计算时，把损伤岩锚柱单元的刚度与相应的裂隙岩体的刚度相叠加，就可以显示出锚杆对于围岩变形的制约作用，这样才能确定好能量损伤锚固模型的建立。

2.2治理施工部署

在确定好滑坡地质灾害治理施工隊伍后，要对其滑坡治理工程的顺序进行计划。滑坡地质灾害的治理施工内容主要由锚杆结构、挡土墙、削坡和排水四个部分组成。根据滑坡地质灾害的特点与技术规范要求，再结合治理工程师已有的经验，采取先上后下的施工顺序。

（1）要先做好治理施工前的准备，实现水通、电通、路通和场地平整。

（2）对岩体力学参数等数据测量定位，建立好滑坡监测点，做好定期观测的准备。

（3）除了削坡区域，其他的排水工程要与现有的排水系统相配合，给予修复和改造。

（4）要搭好锚杆的手脚架，然后钻孔和固定灌浆。

（5）挡土墙、滑坡区域内的排水要予以修复和改造。

（6）恢复滑坡面，进行填土、种植等恢复措施。

2.3计算模型选择

对于滑坡坡体边缘进行治理时，可以采用弹塑性损伤结构模型，先模拟出力学变形的特征，模拟出治理时可能出现土层位移问题，再对滑坡的坡体进行系统锚杆。能量损伤锚固模型的作用是能够起到模拟坡体支护的作用。

2.4计算结果

2.4.1优化滑坡地质灾害治理设计方案

能量损伤锚固模型能够在确保质量和安全的前提下，进行滑坡地质灾害的治理，使得滑坡地质灾害治理方案更优化。严格按照设计要求，对整个滑坡地质灾害治理予以控制，对小坡面控制点进行坐标和高程把控，对治理时的坡面平整度严格把关，才能实现优化滑坡地质灾害的目的。许多实例证明，平整度对锚杆的施工起关键作用，且能直接影响到整个治理的结果。在进行锚杆支护的同时，要考虑到对生态环境的影响，在保证不破坏生态环境的前提下，进行锚杆外挂，钢筋混凝土进行菱形格梁，在支护环节完成后，进行填土，种植植被，恢复其原始状态。

2.4.2设计方案应用

在设计与计算的时候，基本上已经就杆单元法和能量损伤锚固法的情况进行了比较，经过对比较结果的研究发现，一般来说，在所有的条件完全一致的情况下，要想保证滑坡坡体边缘的稳定，锚杆长度在杆单元法的设计中要比能量损伤锚固法设计长，而锚杆的数量在杆单元法设计中药比能量损伤锚固法多。在不破坏生态环境，保证其施工安全的前提下，能量损伤锚固模型能够优化设计，使工程施工的成本大大降低。值得注意的是，在进行原有的滑坡治理时，如果发现有与原设计不符的现象，必须要对设计进行修改或补充，等设计完善好以后再进行治理施工。

3.结束语

滑坡地质灾害的治理是一项复杂的工程，其多专业性与多工种性使得在治理过程长。所以，在治理之前，要充分做好计划，使设计和施工能够完美衔接。能量损伤锚固模型在滑坡地质灾害治理施工中起到的作用就在于优化设计方案、加固设计方案，在保证滑坡地质灾害治理不破坏生态环境和保证安全、质量的前提下，缩短工期、降低成本，使得滑坡治理取得了明显经济效益。

【参考文献】

[1]王永，王海棠，楼颂平.浙江地区小型土质滑坡地质灾害特征及防治方法研究—以长兴县泗安镇山门口滑坡为典型[J].科技通报，2012，28（7）.

[2]郑师谊，张绪教，杨艳等.层次分析法在滇西怒江河谷潞江盆地段崩塌与滑坡地质灾害危险性评价中的应用[J].地质通报，2012，31（2）.

篇4：Chaboche热粘塑性损伤模型的应用研究

本文考虑了损伤引起材料的刚度退化以及塑性和损伤共同对岩石软化力学性能的影响。从弹塑性力学和损伤理论的角度出发,在热动力学的基本框架下,推导了相应的热动力学力。塑性屈服函数采用采用类似Drucker-Prager线性函数,在函数中同时考虑应变硬化以及损伤软化的影响,采用非关联的流动法则来描塑性流动。考虑与时间无关行为的前提下,采用与损伤驱动力( 一种热动力学力) 相关的函数作为损伤准则,并采用标准正交法则,建立损伤演化规律。由于屈服函数和损伤准则均是关于塑性变形和损伤变量的函数,通过联立二者的一致性条件,实现了塑性和损伤的耦合,建立了弹塑性损伤耦合模型。研究表明,该模型可以较为准确地描述脆性岩石的主要力学特性,包括岩石的峰前硬化、峰后软化以及损伤演化规律等。

1 理论框架

在小变形假设的前提下,基于经典塑性理论,脆性材料的应变张量 ε 可分解为弹性和塑性的两部分。

式( 1) 中: εe为弹性应变张量; εp为塑性应变张量。

对于弹塑性损伤问题,为了简化起见,假设损伤的扩展是各向同性,以标量d表示其大小。在恒温条件下,状态变量可看作是由应变张量ε,塑性应变εp,损伤变量d和描述塑性硬化的内变量γp组成。房敬年等[5]考虑塑性与损伤的耦合作用,提出如式(2)的热动力学势函数。

式( 2) 中: C( d) 为含损伤的四阶弹性刚度矩阵。

基于自由能的W ,通过对弹性应变 εe求导,得到第一状态方程,即应力应变关系:

在本文中假设C( d) = ( 1 - d) C0,C0为初始状态下四阶弹性刚度张量,可以用初始状态下体积模量k0和剪切模量u0表示。

通过对热动力学势函数式( 2) 中损伤变量d求导得到与损伤相关的热动力学力,即损伤驱动力:

同理,通过对式( 2) 中内变量 γp,可得到与塑性硬化量相关的热动力学力:

2 弹塑性损伤本构方程

为了描述脆性岩石在压应力作用下所表现出的力学特性,本节在热动力学基本框架下提出了一个用于描述塑性变化和损伤演化的本构方程。

2. 1 塑性方程

试验研究表明[10]在压应力作用下,脆性岩石通常呈现压剪破坏,本文基于Drucker-Prager线性屈服准则,建立如下考虑损伤的屈服函数。

式( 7) 中:

式( 8) 中: p和q分别为平均应力和偏应力; s为偏应力张量; A初始破坏面摩擦角有关的系数; C0表示材料的黏聚力; h( θ) 用以考虑在复杂应力下罗德角 θ 对塑性屈服面的影响,为简化计算取h( θ) =1 ; αp是描述塑性硬化和峰后应变软化的函数。基于文献[11]的研究成果,可以将 αp表示为等效塑性剪切应变 γp和损伤变量d的函数。

结合式( 6) 和式( 9) 可以得到:

式( 10) 中: B为控制材料硬化速度的参数。γp可表示为

在压应力状态下,多数脆性材料都存在都存在着从体积压缩到膨胀的转化特征,为了更好的反映这一特性,基于Shao等[11]和Pietruszczak等[12]的研究成果,采用如下的塑性势函数。

式( 12) 中: η 为塑性体积压缩和膨胀临界点,即; I0为塑性势面与平均应力p轴的交点。

2. 2 损伤准则

在热动力学基本框架下,损伤准则是与损伤驱动力Yd相关的函数。将式( 10) 代入式( 5) 可得损伤驱动力Yd的表达式为

基于Mazars提出的损伤准则[13],引入如下的损伤演化方程

式( 14) 中: Bd控制损伤的演化速度。

2. 3 塑性损伤耦合

殷有泉[14]从岩石的塑性变形和损伤发展的微观机制出发,指出在工程条件下,塑性变形和损伤的演化规律是相互耦合的。在本文中,从式( 13) 可以看出,Yd的表达式与塑性应变以及塑性偏应变有关; 另一方面结合式( 7) 和式( 9) 可以得到,损伤的演化对塑性的发展具有推动作用。因此本文所提出的模型考虑了塑性与损伤的耦合效应。

假设塑性和损伤的发展都符合正交流动法则,可得:

式( 15) 中: λp和 λd为塑性乘子和损伤乘子。通过联立两个屈服准则和损伤准则的一致性条件,可以确定这两个乘子。

结合式( 15) ,对式( 16) 进行化简可得:

式( 17) 中: Hεd为硬化模量,其表达式为

3 模型验证

为了对所提出模型的适用性和有效性进行验证,运用该模型对大岗山辉绿岩三轴压缩试验[15]进行了模拟。

RLW-1000KN岩石全自动三轴伺服流变仪主要是研究岩石三轴状态下长时间流变特性的试验设备,同时也可以进行常规单轴、常规三轴压缩试验。杨文东等[15]在岩石全自动流变仪上对大岗山辉绿岩进行了常规三轴压缩试验,揭示了辉绿岩的变形和强度特征。试样尺寸为 Φ 50 mm × 100 mm,岩石试样根据《水利水电工程岩石试验规程》( DL/T5368—2007) 标准加工。由试验得到硬脆性辉绿岩在不同围压下的偏应力-轴向应变、横向应变如图如图1 所示。

由图1 知: 一开始在围压和偏压力作用下,岩石内部部分孔隙裂隙闭合,岩样中的孔隙比减小,应力应变曲线上凹,围压小于20 MPa时上四段十分明显; 但在较大的围压作用下( 如围压30 MPa和50MPa) ,岩样中的微缺陷已在很大程度上被压密闭合,轴向加载时初始压密阶段不明显。轴向载荷继续增加,变形随应力成比例增加,表现为相对明显的线弹性。之后,增加轴向应力,变形继续增加,岩样中已有的裂隙开始扩展并且有新的裂隙生成,并且随着应力增加裂隙的数量及尺度逐步增大,大量的裂隙连接贯通,并沿一定结构面发生剪切滑移,岩样进入裂纹非稳定展阶段,应力-应变曲线的非线性逐渐增强。当达到峰值强度后,岩样发生突发性破坏而失去承载能力。

本模型所包含的7 个参数均可通过上述三轴压缩试验予以确定。

( 1) 弹性参数E和 ν 可通过应力-应变曲线线性段的斜率进行确定。

( 2) 参数A和C0可基于不同围压条件下,材料的破坏强度进行确定。

(3)参数B可通过加卸载试验进行确定。

(4)参数η可通过。

参数的选取如表1 所示。

参数确定后,对不同围压条件下的大岗山辉绿岩三轴压缩试验应力-应变关系的模拟曲线如图2所示。从图中可以看出,数值模拟的结果与试验数据具有较好的一致性,表明本文所提出的模型可以较为完整的描述脆性岩石的宏观力学行为,包括岩石的强度、峰前硬化和峰后软化行为。此外,岩石的力学特性随着围压的增大从脆性到延性的转变也得以体现。

此外,为了对模型进行进一步的验证,笔者对加载过程中损伤的发展进行了模拟。从图3 中可以看出,在加载初期损伤发展非常缓慢; 随着偏应力的增加,损伤演化速度在不断加快并导致材料发生破坏;到达峰值之后,损伤发展速度逐渐放缓,损伤最终趋于稳定。这种模拟的趋势与陈亮等[8]通过试验观察到北山花岗岩损伤的发展趋势是相似的。

4 结论

本文在热动力学的基本框架下,提出了一个在压力作用下脆性材料的弹塑性损伤耦合模型。并通过对大岗山辉绿岩不同围压下常规三轴压缩试验的模拟,验证了模型的有效性。研究所得的主要结论如下。

( 1) 本文所提出的模型可以较好地反映脆性材料在压应力作用下的宏观力学特征,包括峰值强度、变形特征以及随着围压的增大脆性材料的力学特性发生从脆性到延性的转化。

( 2) 本模型考虑了脆性材料在压应力作用下塑性变化和损伤演化的耦合作用,可以较好地对材料的损伤演化进行预测。

( 3) 需要指出的是,脆性材料在拉、压应力条件下损伤发展机制是不相同的,因此本模型在拉伸及其复杂应力状态下是不适用的。

摘要：在压应力作用下,岩石的塑性变形和损伤演化是相互耦合的。在热动力学基本框架下,建立了一个用于描述在压缩荷载作用下脆性岩石非线性力学行为的弹塑性损伤耦合模型。模型采用基于Drucker-Prager线性屈服准则,并同时考虑损伤软化效应的函数作为加载函数。此外,为反映岩石在压应力作用下体积变形从压缩到膨胀的转化过程,引入非关联的塑性流动方程。基于已有的损伤理论,建立含有塑性剪切应变的损伤准则。通过联立屈服准则和损伤准则的一致性条件,建立塑性和损伤发展的耦合关系。运用建立的模型对不同围压下大岗山辉绿岩的常规三轴压缩试验进行模拟。模拟结果和试验数据具有较好的一致性,表明了模型的合理性和有效性。

篇5：Chaboche热粘塑性损伤模型的应用研究

【关键词】神经网络；塑性加工

1.引言

神经网络技术属于人工智能领域，最早在上世纪五十年代开始出现一些相关理论性的研究，由于受到当时软、硬件环境的约束，因此该技术的发展一直处于停滞状态，直到九十年代才得到足够的重视，并由于其在控制过程中独特的优势而受到广泛的关注和青睐，成为最热门的研究领域之一。人工神经网络的特点主要有大规模并行计算能力突出、数据存储的分布性好、超强的自学习和自适应能力等，甚至基于神经网络衍伸出的一些优化算法还可以具备相当程度的联想、识别和记忆功能，这大大强化了神经网络的适用范围。目前该技术已广泛的应用在生产控制、模式识别、网络控制、信号处理、医学工程以及其他需要智能优化处理服务的自动化控制场合。

2.人工神经网络概述

人工神经网络技术模拟人脑中由大量的神经元连接组成的复杂网络，在求解过程中充分的调动神经元之间的相互作用，从而实现对数据的感知、记忆和处理功能。虽然神经元个体相对简单且功能有限，但通过大量不同神经元的组合，便可使生成的网络系统具有多样化的功能。在人工神经网络中，神经元由三部分构成，分别是包含网络中每条连接权值的权集；用以存储某条组合连接中各个单位连接权值之和的求和单元；对加权和进行非线性映射并约束其强度的非线性激励函数。由这三部分组成的单个神经元可与其他多个神经元相连接，组成各种类型的神经网络。

神经网络的另一个优势在于其独特的分布式数据存储方式上，由于将采集到的大量数据分布存储在各个神经元之间的连接强度上，可大大增强数据的生存性和安全性，即使出现了局部数据的损毁，也不会对最终的计算结果造成太大的影响。从计算机技术方面分析，神经网络中的神经元实质上是一个非线性运算器，可同时接受多路输入数据参与运算，而计算结果则是唯一的单个输出。从数学建模的角度来看，通常使用三个函数来描述神经网络，分别是阶跃函数、分段线性函数和Sigmoid函数，如下所示：

在塑性加工领域，应用最多的是前馈型神经网络，在该类神经网络中，包括输入层、隐层和输出层三层结构。在这三层之间，内部节点相互独立，减少干扰，其实现的输入和输出之间的关联受到多种因素的影响，如节点数、层数、连接权值等等，若要实现该网络输出尽可能的逼近预设值，就必须采用误差函数来对各个连接强度进行动态调整，最常使用的是二乘误差，如下所示：

3.人工神经网络在塑性加工中的应用分析

3.1 工艺设计专家系统

工艺设计是塑性加工工序的开始，通过科学的工艺设计，可以将整个加工流程进行合理的安排，预设合适的参数组合，以使得生产出的产品合乎标准，在这一阶段，首先要完成的就是大量资料的收集，随后是数据提炼，计算量相当庞大。而利用人工神经网络来建立专家系统时可以实现大规模的数据并行处理，且不需要循序渐进的推理，直接通过大量的训练来得到最优的解集，这是其他智能算法所不具备的突出优势。而且在神经网络中，推理过程和计算过程是同步完成的，且相关信息分布存储在网络节点间的连接强度上，通过对样本不断的学习和更新来完成对存储知识的不断优化。

3.2 无损探伤及缺陷预测

在超声探伤、磁粉探伤等无损探伤中，由于得到的信息较为有限，因此传统的监测系统很难准确判断构件内部缺陷的具体情况，更谈不上精确定位了，且这种困难随着北侧物件体积的增大而直线上升。而神经网络所具有的非线性识别及映射能力则能很好的解决这一问题，通过反复的训练优化，最终定位出最有可能的缺陷位置和缺陷尺寸。若某平板内具有圆形缺陷，可先用有限元法模拟在一定载荷下圆孔的位置、尺寸变化对某些点的位移、应变的影响，将所得到的数据用来训练神经网络。一旦训练成功，就可以利用它确定同类试件内部的缺陷及其尺寸位置。

3.3 预测材料性能及参数识别

在塑性加工理论研究中，材料塑性变形行为的表述能否准确反映材料在外载作用下的响应，直接影响到理论结果的准确性。在利用传统方法建立本构模型时要引入许多假定的前提条件，还要通过大量的实践经验和实验验证来选择合适的参数组合，通过在不同环境下的仿真实验，并对结果进行对比分析，不断修正乃至最终确定本构模型，这一过程显然占用了过多的时间和资源。而利用神经网络却可以实现应力—应变的直接映射，直接从实验数据“学习”应力—应变关系，从而避免了大量的数学推导过程和验证—修改的不断反复过程。网络实现对应力—应变关系模拟就是在“训练”过程中不断改变自身各神经元间的连接强度，训练完成后，网络将应力—应变关系（某种材料）“记忆”在其连接强度上即可。

4.结束语

虽然神经网络已经被广泛的应用到各种工业控制场合并表现出强大的学习和自适应能力，但其算法的收敛性和鲁棒性仍有待加強，相信人工智能领域的不断突破，人工神经网络比价发挥出更大的作用。

参考文献

[1]时慧焯.基于人工神经网络的注塑成型翘曲优化方法[D].大连：大连理工大学，2012

[2]付子义.基于BP神经网络优化的PID控制器研究[J].软件导刊，2015，（12）：45-48

基金项目