Page 136 - 机械工程材料2024年第十一期

2024 年 11 月 第 48 卷 第 11 期 Vol. 48 No. 11 Nov. 2024

DOI：10. 11973/jxgccl230284

基于响应面法和 BP 神经网络的 7050 铝合金

腐蚀疲劳寿命预测及对比

汲高飞，李志鹏，宋贤海

（南昌航空大学材料科学与工程学院，南昌 330000）
摘 要： 对7050铝合金依次进行腐蚀和疲劳试验，获得了腐蚀后合金的疲劳寿命；分别利用响应
面法和BP神经网络得到腐蚀时间、NaCl溶液浓度、 加载频率、最大应力与腐蚀疲劳寿命之间的映射
关系，并对该合金进行腐蚀疲劳寿命预测，比较了两种模型的预测误差。结果表明：在不同载荷条
件下，两种模型的可靠性均较好，响应面模型和BP神经网络模型预测得到的腐蚀后合金的对数疲
劳寿命与试验值的均方根误差分别为0.071 0，0.068 3，决定系数分别为0.951 9，0.998 0；BP神经网
络模型的预测精度优于响应面模型。
关键词： BP神经网络；响应面法；7050铝合金；疲劳寿命预测；腐蚀疲劳
中图分类号：TG13 文献标志码：A 文章编号：1000-3738（2024）11-0128-07

0 引 言 命联系起来，相较于传统蒙特卡洛模拟法，双响应面
法的精度和计算效率更高。刘娜等 ［14］ 利用响应曲面
7xxx系列铝合金由于具有较高的比强度、优良
优化法优化轮毂结构后进行径向疲劳分析，发现优
的耐腐蚀性能和抗损伤性能而被广泛用于航空航 ［15］
［1］
天、汽车、船舶等领域 。其中，7050铝合金主要用 化后的径向疲劳寿命延长了约300%。刘治国等
基于已有LY12CZ铝合金腐蚀疲劳试验数据，建立
于制造飞机的重要受力结构件，如飞机蒙皮、翼梁、
了腐蚀年限和应力幅值对应腐蚀疲劳寿命的BP神
隔框、长桁、起落架及液压系统部件等，其用量占飞
［2］
机结构质量的40%~70% 。飞机经常服役于海洋 经网络映射模型来预测其腐蚀疲劳寿命。ZHONG
等 ［16］ 利用从金属疲劳失效过程中提取的数据，建立
环境中，其结构件经常因受高湿、盐雾等腐蚀环境的
了一种新的BP神经网络模型，考虑机械载荷的误
［3］
影响 ，发生腐蚀疲劳而过早失效，从而缩短飞机寿
差和材料的几何形状，将金属的疲劳寿命作为一个
命。因此，有必要对7050铝合金开展高湿度盐雾环
区间进行预测。WANG等 ［17］ 提出了一种基于连续
境下的腐蚀疲劳研究。
近年来，诸多学者通过对铝合金进行腐蚀和疲 损伤力学模型的钛合金结构件低周疲劳寿命估算方
劳加载试验，研究了在腐蚀条件下铝合金的疲劳寿 法，采用遗传算法优化的反向传播人工神经网络对
命、损伤特性、断裂机理和疲劳寿命预测模型 ［4-8］ 。 钛合金结构件的低周疲劳寿命进行了准确预测。目
响应面法是一种用于试验设计和过程优化的统计分 前，材料疲劳寿命预测模型的研究主要集中在BP神
［9］
析工具 ，该方法基于数学模型（线性、多项式函数） 经网络方面，也有部分研究聚焦在响应面法，但较少
对试验结果进行拟合以及统计 ［10-11］ 。BP神经网络 对BP神经网络和响应面法进行对比研究。
是一种多层前馈神经网络，主要特点是信号前向传 作者通过对7050铝合金依次进行腐蚀和疲劳试
递，误差反向传播 ［12］ 。响应面法和BP神经网络由于 验，建立腐蚀时间、NaCl溶液浓度、加载频率、最大
具有强大的非线性拟合和模型可视化等优势，近年 应力对应腐蚀疲劳寿命的响应面模型和BP神经网
来在材料疲劳寿命预测中得到一定应用。MISRA 络模型来分别预测该合金的腐蚀疲劳寿命，以期为
等 ［13］ 在利用双响应面法进行概率疲劳寿命预测研究 腐蚀疲劳寿命预测研究提供参考。
时发现，生成的方程直接将输入因素与概率疲劳寿
1 试验方法与结果
收稿日期：2023-06-19；修订日期：2024-05-08
1.1 试验方法
作者简介： 汲高飞（1998—），男，河南周口人，硕士研究生
导师：宋贤海高级工程师 试验材料为南山锻造公司生产的 7050 铝合金
128