本發(fā)明涉及材料斷裂失效研究，特別涉及一種船用止裂鋼厚板止裂溫度預(yù)測(cè)模型的建立方法。

背景技術(shù)：

1、集裝箱船結(jié)構(gòu)具有大型化和超大型化的特點(diǎn)。為滿(mǎn)足剛度和強(qiáng)度要求，船體結(jié)構(gòu)所用鋼板的強(qiáng)度等級(jí)和板厚規(guī)格也不斷增大，最高強(qiáng)度水平已達(dá)460mpa，最大板厚規(guī)格趨近100mm。隨著強(qiáng)度的升高和板厚規(guī)格的增大，鋼板的抗斷性能下降，安全可靠性問(wèn)題突出。為保證結(jié)構(gòu)的安全，要求大型集裝箱船關(guān)鍵部位用高強(qiáng)度厚鋼板必須具有止裂性能，即結(jié)構(gòu)中一旦產(chǎn)生脆性裂紋，鋼板能夠?qū)⑵渲棺。瑥亩苊鉃?zāi)難性破壞。為此，iacs船體委員會(huì)專(zhuān)門(mén)成立了pt52工作組以制定50-100mm厚度的船用高強(qiáng)鋼厚板安全應(yīng)用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，提出了止裂性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法和止裂性能的技術(shù)指標(biāo)（板厚≤80mm，-10℃下kca≥6000n/mm3/2；板厚＞80mm，-10℃下kca≥8000n/mm3/2），kca為止裂韌性。此外，根據(jù)國(guó)際船級(jí)社規(guī)范，止裂性能表征參量除了止裂韌性，還有止裂溫度，即一定應(yīng)力水平下裂紋發(fā)生止裂時(shí)的溫度，其本質(zhì)上屬于韌脆轉(zhuǎn)變溫度范疇，表征了在一定應(yīng)力條件下裂紋發(fā)生止裂的最低溫度。

2、針對(duì)止裂性能如何評(píng)價(jià)和止裂性能如何調(diào)控的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量的研究，建立了多種止裂韌度/止裂溫度與小尺寸試樣表征參量之間的相關(guān)性模型。目前國(guó)內(nèi)已建立了止裂溫度和側(cè)面無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度的相關(guān)性模型、止裂溫度和心部動(dòng)態(tài)撕裂韌脆轉(zhuǎn)變溫度相關(guān)性模型等，其中止裂溫度和側(cè)面無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度的相關(guān)性模型已納入國(guó)際規(guī)范urw31，成為了國(guó)際認(rèn)可的三種止裂性能小尺寸替代試驗(yàn)方法之一。國(guó)外相繼提出了止裂溫度與表面無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度及1/4板厚沖擊韌脆轉(zhuǎn)變溫度、止裂溫度與壓制缺口沖擊試樣特定吸收能量對(duì)應(yīng)溫度的相關(guān)性模型等兩種止裂性能小尺寸替代試驗(yàn)方法。上述模型主要目的在于尋找一種操作性強(qiáng)、預(yù)測(cè)精度高的止裂性能小尺寸替代試驗(yàn)方法，其小尺寸試驗(yàn)取樣位置較為單一，而對(duì)于高強(qiáng)度止裂厚板來(lái)說(shuō)，由于成分、組織的不均勻?qū)е卵匕搴穹较虿豢杀苊獾拇嬖谛阅芴荻?，單一位置的試樣并不能完全反映高?qiáng)度厚板的整體止裂性能。同時(shí)，除了板厚效應(yīng)，止裂鋼承受的載荷大?。粗鲬?yīng)力）也是影響其止裂性能的重要因素。基于此，影響船用止裂鋼厚板的止裂性能的因素眾多而錯(cuò)綜復(fù)雜，而以往的預(yù)測(cè)模型都是采用回歸擬合的方式構(gòu)建預(yù)測(cè)模型，回歸公式雖然在特定范圍內(nèi)可以給出相對(duì)準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)結(jié)果，但仍不能避免回歸公式的最大缺點(diǎn)，即不能體現(xiàn)多因素之間的交互作用。船用止裂鋼厚板的止裂性能是多種因素相互作用的結(jié)果，具有高度非線(xiàn)性特征，采用傳統(tǒng)的回歸擬合方法難以得到較好的預(yù)測(cè)結(jié)果。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算能力得到大幅提高，人工智能技術(shù)興起，數(shù)據(jù)積累越來(lái)越豐厚，一些研究者將具有自學(xué)習(xí)功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用于鋼材性能預(yù)測(cè)領(lǐng)域。如清華大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校利用誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，建立了熔敷金屬力學(xué)性能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（文獻(xiàn)：李連勝，魏艷紅，楊于銀.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的焊縫熔敷金屬力學(xué)性能預(yù)測(cè)[j].焊接，2001(7):3.doi:10.3969/j.issn.1001-1382.2001.07.006.）。

3、綜上所述，止裂溫度是影響船用止裂鋼服役安全的關(guān)鍵性能，準(zhǔn)確的止裂溫度預(yù)測(cè)模型有利于開(kāi)展船用止裂鋼的止裂性能評(píng)估，有效減少試驗(yàn)成本和周期，優(yōu)化艦船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者們建立了一些預(yù)測(cè)公式，但均是采用回歸擬合的方法建立相關(guān)模型，模型考慮的影響因素較為單一，且適用范圍和預(yù)測(cè)精度有待提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明旨在提出一種船用止裂鋼厚板止裂溫度預(yù)測(cè)模型的建立方法，以解決現(xiàn)有止裂溫度預(yù)測(cè)模型使用不便，且預(yù)測(cè)精度低，無(wú)法合理、準(zhǔn)確評(píng)估船用止裂鋼止裂性能的問(wèn)題。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

3、一種船用止裂鋼厚板止裂溫度預(yù)測(cè)模型的建立方法，確定心部抗拉強(qiáng)度、側(cè)面無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度、板厚和主應(yīng)力這四個(gè)參量作為輸入特征參量，并采用機(jī)器學(xué)習(xí)極致梯度提升機(jī)開(kāi)展模型構(gòu)建。心部抗拉強(qiáng)度的影響系數(shù)最高，測(cè)試較為便捷且數(shù)值穩(wěn)定，側(cè)面無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度的影響系數(shù)僅次于心部抗拉強(qiáng)度，且目前很多止裂韌性的計(jì)算模型都將其作為主要考慮因素，厚度是鋼板的固有屬性，主應(yīng)力是測(cè)試止裂溫度的一項(xiàng)試驗(yàn)條件，因此，應(yīng)將厚度和主應(yīng)力列為輸入特征參量。通過(guò)這四個(gè)參量的選擇和確定，不僅能使建立的止裂溫度的預(yù)測(cè)模型具有高精度，能夠精確反映止裂鋼厚板的溫度，而且具有低成本的優(yōu)勢(shì)，便于大規(guī)模推廣使用。

4、進(jìn)一步的，所述止裂溫度預(yù)測(cè)模型的建立方法具體包括如下步驟：

5、步驟一：通過(guò)收集或測(cè)試獲得船用止裂鋼厚板的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立樣本數(shù)據(jù)庫(kù)；

6、步驟二：特征篩選，確定心部抗拉強(qiáng)度、側(cè)面無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度、板厚和主應(yīng)力這四個(gè)參量作為輸入特征參量；

7、步驟三：標(biāo)準(zhǔn)化處理；

8、步驟四：采用極致梯度提升機(jī)開(kāi)展模型構(gòu)建；

9、步驟五：驗(yàn)證優(yōu)化。

10、進(jìn)一步的，步驟一中，所述試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括來(lái)自小尺寸試驗(yàn)的不同板厚位置的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率、斷面收縮率、低溫沖擊功、動(dòng)態(tài)撕裂性能和無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度，以及不同主應(yīng)力下的止裂鋼的止裂溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

11、進(jìn)一步的，步驟三中，在建模前對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，通過(guò)變換處理將輸入特征轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。用于確保所有特征在后續(xù)建模中具有相同的重要性，避免某些特征因素?cái)?shù)值范圍過(guò)大或過(guò)小而主導(dǎo)模型的學(xué)習(xí)過(guò)程。

12、進(jìn)一步的，采用以下公式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將輸入特征轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，

13、z=（x-μ）/σ

14、其中，μ和σ分別表示特征參量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)值，z表示所述特征參量處理后的值。

15、進(jìn)一步的，步驟四中，將樣本隨機(jī)劃分為訓(xùn)練集和測(cè)試集，機(jī)器學(xué)習(xí)模型在訓(xùn)練集上訓(xùn)練，在測(cè)試集上預(yù)測(cè)，采用五折交叉驗(yàn)證和網(wǎng)格搜索方法對(duì)模型進(jìn)行調(diào)參，交叉驗(yàn)證的每次劃分都計(jì)算獲得精度值，對(duì)每種超參數(shù)設(shè)置計(jì)算平均驗(yàn)證精度，最后，選擇平均驗(yàn)證精度最高的超參數(shù)作為模型超參數(shù)。

16、進(jìn)一步的，步驟五中，對(duì)建立的預(yù)測(cè)模型采用決定系數(shù)r2、誤差和標(biāo)準(zhǔn)差指標(biāo)分析模型的預(yù)測(cè)精度，并采用未參與訓(xùn)練的測(cè)試集數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的預(yù)測(cè)性能，當(dāng)符合決定系數(shù)r2＜0.9、平均誤差百分比＞15%、標(biāo)準(zhǔn)差＞5℃任一條件時(shí)，說(shuō)明模型的預(yù)測(cè)精度較差，重復(fù)步驟四中采用五折交叉驗(yàn)證和網(wǎng)格搜索的方法對(duì)模型超參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

17、相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明所述的一種船用止裂鋼厚板止裂溫度預(yù)測(cè)模型的建立方法具有以下優(yōu)勢(shì)：

18、（1）從眾多影響因素中選擇心部抗拉強(qiáng)度、側(cè)面無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度、板厚和主應(yīng)力這四個(gè)參量作為輸入特征參量，綜合考慮板厚效應(yīng)以及主應(yīng)力等因素，適用于船用止裂鋼的止裂溫度預(yù)測(cè)。

19、（2）通過(guò)對(duì)特征進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并結(jié)合極致梯度提升機(jī)開(kāi)展模型構(gòu)建，從而獲得預(yù)測(cè)精度較高的止裂溫度預(yù)測(cè)模型，克服了經(jīng)驗(yàn)公式不能體現(xiàn)相互作用的缺點(diǎn)。

20、（3）針對(duì)性較強(qiáng)，所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立的模型適用范圍較廣，強(qiáng)度級(jí)別跨度大，適用于強(qiáng)度為300mpa-600mpa的止裂鋼厚板，可為船用高強(qiáng)度厚板止裂性能的提升提供指導(dǎo)。