基于缺陷特征與機(jī)器學(xué)習(xí)的增材制造鈦合金高周疲勞壽命預(yù)測(cè)

作者：劉堯，高祥熙，朱思銚，何玉懷，許巍
單位：中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院

近年來(lái)，增材制造技術(shù)不斷提升，但增材制造件內(nèi)部隨機(jī)分布的缺陷仍難以完全避免。微小缺陷對(duì)疲勞性能的影響難以通過(guò)傳統(tǒng)物理模型準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。隨著缺陷特征復(fù)雜性和數(shù)據(jù)維度的增加，依賴于物理公式的模型預(yù)測(cè)變得愈發(fā)困難，尤其針對(duì)考慮氣孔缺陷的增材制造材料高周疲勞壽命預(yù)測(cè)中，傳統(tǒng)模型的適用性顯著降低。這種局限性迫切需要引入基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，通過(guò)挖掘缺陷特征參數(shù)與疲勞性能間的潛在規(guī)律，為增材制造材料的疲勞壽命預(yù)測(cè)提供新的解決途徑。

本團(tuán)隊(duì)在前期工作中，利用機(jī)器學(xué)習(xí)模型AutoGluon并基于大量的高周疲勞實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)TC17鈦合金的高周疲勞壽命進(jìn)行了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)（見Engineering Fracture Mechanics, 2023, 289: 109485）。然而，針對(duì)增材制造材料，如何引入缺陷特征參數(shù)并基于有限數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)相對(duì)準(zhǔn)確的高周疲勞壽命預(yù)測(cè)仍是亟待解決的問(wèn)題。鑒于此，本團(tuán)隊(duì)利用增材制造鈦合金TA15的性能數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提出了一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)并考慮缺陷特征參數(shù)的高周疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，顯著提升了疲勞壽命預(yù)測(cè)精度，為工程應(yīng)用提供了重要參考。

本研究中的宏觀數(shù)據(jù)主要包括抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷口伸長(zhǎng)率、斷面收縮等拉伸性能參數(shù)以及疲勞性能參數(shù)；微觀數(shù)據(jù)則來(lái)源于氣孔缺陷疲勞源區(qū)提取的特征值，包括缺陷面積、缺陷等效直徑，以及缺陷距試樣邊緣的有效距離。這些宏、微觀數(shù)據(jù)共同構(gòu)建了機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)集。本研究流程如圖1所示。通過(guò)篩選與疲勞壽命高度相關(guān)的缺陷特征參數(shù)，構(gòu)建包含這些特征參數(shù)的訓(xùn)練集，利用機(jī)器學(xué)習(xí)模型進(jìn)行計(jì)算，最終獲得疲勞壽命的預(yù)測(cè)結(jié)果。圖2展示了缺陷特征對(duì)模型預(yù)測(cè)精度的影響程度。當(dāng)訓(xùn)練集中不含缺陷特征參數(shù)時(shí)，機(jī)器學(xué)習(xí)模型對(duì)訓(xùn)練集的預(yù)測(cè)結(jié)果中，至少10個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)明顯超出±3倍誤差帶（見圖2（a））。然而，當(dāng)訓(xùn)練數(shù)據(jù)中引入缺陷特征參數(shù)后，僅有2個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)超出±3倍誤差帶，大部分預(yù)測(cè)結(jié)果分布在±2倍誤差帶以內(nèi)（見圖2（b））。預(yù)測(cè)結(jié)果表明：考慮缺陷特征參數(shù)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型顯著提升了疲勞壽命預(yù)測(cè)精度，且考慮缺陷特征的預(yù)測(cè)S-N曲線與試驗(yàn)測(cè)得的S-N曲線的一致性良好（見圖3）。

本研究建立的考慮缺陷特征參數(shù)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型不但揭示了缺陷特征對(duì)疲勞性能的影響規(guī)律，還顯著提高了疲勞壽命預(yù)測(cè)精度，為考慮缺陷的疲勞壽命分析提供了新的研究途徑，尤其為增材制造材料的設(shè)計(jì)優(yōu)化與服役可靠性提升提供了技術(shù)支持。

上述研究發(fā)表在Engineering Fracture Mechanics, 2025, 314: 110676。第一作者為航材院的劉堯博士，后續(xù)研究仍在開展中，歡迎同行關(guān)注指正，通訊作者：wxu621@163.com（許巍研究員）。

圖1 本研究中考慮缺陷特征的機(jī)器學(xué)習(xí)壽命預(yù)測(cè)方法流程圖

(a)

(b)

圖2 基于不同訓(xùn)練集的預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比：（a）無(wú)缺陷特征參數(shù)的訓(xùn)練集預(yù)測(cè)結(jié)果；（b）包含缺陷特征參數(shù)的訓(xùn)練集預(yù)測(cè)結(jié)果

圖3 考慮缺陷特征參數(shù)的預(yù)測(cè)S-N曲線與試驗(yàn)測(cè)得S-N曲線的對(duì)比，其中sd、ssd、id分別表示表面缺陷（surface defect），亞表面缺陷（subsurface defect）以及內(nèi)部缺陷（internal defect）