CN111369141A - 焊接结构疲劳寿命影响因素评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及焊接技术领域，具体公开了一种焊接结构疲劳寿命影像因素评价方法，包括建立包括材料类型、焊接方法、板厚、应力比、载荷类型、接头类型、等效结构应力范围和疲劳循环次数这些属性的疲劳数据库，设定条件属性和决策属性，构建疲劳邻域决策系统，对疲劳邻域决策系统进行属性约简，计算各条件属性的权重，得到属性约简结果集，依据属性约简结果集确定焊接结构疲劳寿命关键影响因素。本发明构建了基于改进邻域粗糙集的焊接结构疲劳寿命影响因素评价模型，为焊接结构疲劳寿命影响因素分析和疲劳寿命预测提供了有效的技术支持。

Description

焊接结构疲劳寿命影响因素评价方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种基于改进邻域粗糙集的焊接结构 疲劳寿命影响因素评价方法。

背景技术

焊接结构是轨道交通装备制造业中最广泛应用的一种结构形式，疲劳断裂 是其在复杂服役过程中的最主要失效方式。由于焊接结构疲劳断裂具有很强的 隐蔽性，一旦发生，会酿成灾难性事故，造成严重经济损失。因此，分析焊接 结构疲劳寿命影响因素，准确预测其疲劳寿命，对确保轨道车辆安全运行意义 重大。

目前对于焊接结构疲劳寿命影响因素的分析，主要是通过试验的方法，得 到对某个单一影响因素的定性评价，缺乏对各影响因素的综合分析和定量评价。 因此，如何构建各影响因素评价模型，揭示疲劳寿命各影响因素间的隐性关系， 辨识关键影响因素，并定量计算各影响因素对于焊接结构疲劳寿命影响的贡献 度，是需要深入探讨的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种焊接结构疲劳寿命影响因素评价方法，以构建基 于改进邻域粗糙集的焊接结构疲劳寿命影响因素评价模型，为焊接结构疲劳寿 命影响因素分析和疲劳寿命预测提供了有效的技术支持。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种焊接结构疲劳寿命影像因素评 价方法，包括以下步骤：

S1.建立包括材料类型、焊接方法、板厚、应力比、载荷类型、接头类型、 等效结构应力范围和疲劳循环次数这些属性的疲劳数据库；

S2.设定疲劳数据库中材料类型、焊接方法、板厚、应力比、载荷类型、接 头类型和等效结构应力范围这些疲劳寿命的影响因素为条件属性C＝{材料类型(a₁)，焊接方法(a₂)，板厚(a₃)，应力比(a₄)，载荷类型(a₅)，接头类型(a₆)，等效结 构应力范围(a₇)}，设定疲劳循环次数为决策属性D＝{lg(N)}，构建疲劳邻域决策 系统；

S3.对疲劳邻域决策系统进行属性约简，计算各条件属性的权重，

定义邻域决策系统，

邻域决策系统NDS＝(U,C,D,V,f,N)，其中，U＝{x₁,x₂,x₃,...x_|U|}是有限非空 集，称为论域，U中的元素称为对象，C为条件属性集合，D为决策属性集合， CI D＝φ，对于a∈CUD，V＝UV_a，V_a是属性a的值域，f:U×(CUD)→V是一 个信息函数，为每个对象的属性赋予一个值，即f(x,a)∈V_a，N是由条件属性C 生成的邻域关系，

定义δ-邻域，

对于x_i∈U，定义其δ-邻域为：

δ(x_i)＝{x|x∈U,△(x,x_i)≤δ} (1)

其中，δ≥0，△是一个距离函数，对于

△满足：

△(x₁,x₂)≥0,△(x₁,x₂)＝0当且仅当x₁＝x₂

△(x₁,x₂)＝△(x₂,x₁)

△(x₁,x₃)≤△(x₁,x₂)+△(x₂,x₃)

给定n维欧几里德空间任意两点x_i(x_1i,x_2i,x_3i,…,x_ni),x_j(x_1j,x_2j,x_3j,…,x_nj),两点 之间的距离为：

定义上近似、下近似和边界域，

邻域决策系统NDS＝(U,C,D,V,f,N)，若由

生成U上的邻域关系为N_B， 则对

X关于B的上近似、下近似和边界域分别定义为：

定义邻域条件熵，

给定邻域决策系统NDS＝(U,C,D,V,f,N)，若

为条件属性子集，U/D＝{[x₁]_D,[x₂]_D,...,[x_n]_D}，则决策属性D关于条件属性子集B的条件熵定义为：

定义属性重要度，

给定邻域决策系统NDS＝(U,C,D,V,f,N)，和条件属性子集

则条件属性

相对于B的属性重要度定义为：

SIG(a,B,D)＝E_δ(D|BUa)-E_δ(D|B) (7)

定义约简，

给定邻域决策系统NDS＝(U,C,D,V,f,N)，和条件属性子集

称B是C的约 简，如果B满足：

基于邻域条件熵的邻域粗糙集属性约简算法，步骤如下：

Input：邻域决策系统NDS＝(U,C,D,V,f,N)和邻域半径δ

Output：约简集合red

Step1初始化，令red＝φ；

Step2对于

计算邻域关系N_a；

Step3对于

循环执行：

依据属性重要度计算公式(7)计算属性a的属性重要度，其中，邻域条件熵 E_δ(D|B)的计算包括如下子步骤：

i初始化，令E_δ(D|B)＝0；

ii对于每个1≤i≤|U|，计算对象x_i的邻域类δ_B(x_i)和决策类[x_i]_D；

iii计算邻域条件熵

iv计算邻域条件熵

并返回；

选择满足条件SIG(a_i,red,D)＝max{SIG(a,red,D)}的属性a_i；

Step 4 if SIG(a_i,red,D)>0，令red＝redUa_i，go to Step3，else go to Step 5；

Step5 return red；

最后，得到属性约简结果集；

S4.依据属性约简结果集确定焊接结构疲劳寿命关键影响因素，约简结果集 中各属性的重要度值即为疲劳寿命各影响因素的定量表示。

优选的，所述步骤S1中，针对多组疲劳试验数据建立疲劳数据库，对疲劳 试验数据进行预处理，手工去除不完整、有缺失信息的数据记录。

优选的，所述步骤S2中，以等效结构应力范围作为应力影响因素，构建疲 劳寿命影响因素分析邻域决策系统。

优选的，所述步骤S4之后，进一步扩展考虑不同焊接结构疲劳寿命影响因 素，构建疲劳影响因素分析邻域决策系统，并进行属性约简和分析，获取对不 同焊接结构疲劳寿命影响因素的定量评定。

本发明的焊接结构疲劳寿命影响因素评价方法以焊接结构疲劳寿命影响因 素定量评价为目标，结合已有疲劳试验数据，提出一种基于条件熵的邻域粗糙 集属性约简算法，构建了基于改进邻域粗糙集的焊接结构疲劳寿命影响因素评 价模型，为焊接结构疲劳寿命影响因素分析和疲劳寿命预测提供了有效的技术 支持。

附图说明

图1为本发明实施例的焊接结构疲劳寿命影响因素评价方法的流程图。

图2为本发明实施例的焊接接头疲劳寿命影响因素权重表示图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施 例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

如图1所示，本实施例的焊接结构疲劳寿命影响因素评价方法，包括以下 步骤：

S1.建立疲劳数据库

建立包括材料类型、焊接方法、板厚、应力比、载荷类型、接头类型、等 效结构应力范围和疲劳循环次数这些属性的疲劳数据库；针对多组疲劳试验数 据建立疲劳数据库，对疲劳试验数据进行预处理，手工去除不完整、有缺失信 息的数据记录。

铝合金焊接接头疲劳数据库(部分)，如下表所示：

S2.构建疲劳邻域决策系统

设定疲劳数据库中材料类型、焊接方法、板厚、应力比、载荷类型、接头 类型和等效结构应力范围这些疲劳寿命的影响因素为条件属性C＝{材料类型 (a₁)，焊接方法(a₂)，板厚(a₃)，应力比(a₄)，载荷类型(a₅)，接头类型(a₆)，等效结 构应力范围(a₇)}，设定疲劳循环次数为决策属性D＝{lg(N)}，构建疲劳邻域决策 系统；以等效结构应力范围作为应力影响因素，构建疲劳寿命影响因素分析邻 域决策系统。

铝合金焊接接头疲劳寿命影响因素分析邻域决策系统，如下表：

S3.提出一种基于邻域条件熵的邻域粗糙集属性约简算法，对疲劳邻域决策 系统进行属性约简，计算各条件属性的权重。

(1)邻域粗糙集相关理论

定义邻域决策系统

邻域决策系统NDS＝(U,C,D,V,f,N)，其中，U＝{x₁,x₂,x₃,...x_|U|}是有限非空 集，称为论域，U中的元素称为对象，C为条件属性集合，D为决策属性集合， CI D＝φ，对于a∈CUD，V＝UV_a，V_a是属性a的值域，f:U×(CUD)→V是一 个信息函数，为每个对象的属性赋予一个值，即f(x,a)∈V_a，N是由条件属性C 生成的邻域关系；

定义δ-邻域

对于x_i∈U，定义其δ-邻域为：

δ(x_i)＝{x|x∈U,△(x,x_i)≤δ} (1)

其中，δ≥0，△是一个距离函数，对于

△满足：

△(x₁,x₂)≥0,△(x₁,x₂)＝0当且仅当x₁＝x₂

△(x₁,x₂)＝△(x₂,x₁)

△(x₁,x₃)≤△(x₁,x₂)+△(x₂,x₃)

给定n维欧几里德空间任意两点x_i(x_1i,x_2i,x_3i,…,x_ni),x_j(x_1j,x_2j,x_3j,…,x_nj),两点 之间的距离为：

定义上近似、下近似和边界域

邻域决策系统NDS＝(U,C,D,V,f,N)，若由

生成U上的邻域关系为N_B， 则对

X关于B的上近似、下近似和边界域分别定义为：

定义邻域条件熵

给定邻域决策系统NDS＝(U,C,D,V,f,N)，若

为条件属性子集， U/D＝{[x₁]_D,[x₂]_D,...,[x_n]_D}，则决策属性D关于条件属性子集B的条件熵定义为：

定义属性重要度

给定邻域决策系统NDS＝(U,C,D,V,f,N)，和条件属性子集

则条件属性

相对于B的属性重要度定义为：

SIG(a,B,D)＝E_δ(D|BUa)-E_δ(D|B) (7)

定义 约简

给定邻域决策系统NDS＝(U,C,D,V,f,N)，和条件属性子集

称B是C的约简，如果B满足：

(2)基于邻域条件熵的邻域粗糙集属性约简算法，步骤如下：

Input：邻域决策系统NDS＝(U,C,D,V,f,N)和邻域半径δ

Output：约简集合red

Step1初始化，令red＝φ；

Step2对于

计算邻域关系N_a；

Step3对于

循环执行：

①依据属性重要度计算公式(7)计算属性a的属性重要度，其中，邻域条件 熵E_δ(D|B)的计算包括如下子步骤：

i初始化，令E_δ(D|B)＝0；

ii对于每个1≤i≤|U|，计算对象x_i的邻域类δ_B(x_i)和决策类[x_i]_D；

iii计算邻域条件熵

iv计算邻域条件熵

②选择满足条件SIG(a_i,red,D)＝max{SIG(a,red,D)}的属性a_i；

Step 4 if SIG(a_i,red,D)>0，令red＝redUa_i，go to Step3，else go to Step 5；

Step5 return red；

最后，得到属性约简结果集。

S4.依据属性约简结果集确定焊接结构疲劳寿命关键影响因素，约简结果集 中各属性的重要度值即为疲劳寿命各影响因素的定量表示。

使用基于邻域条件熵的属性约简算法对步骤S2中的表所示的铝合金焊接接 头疲劳寿命决策系统进行属性约简，得到属性约简结果集合为：{材料类型(a₁)， 载荷类型(a₅)，接头类型(a₆)，等效结构应力范围(a₇)}，得到焊接接头疲劳寿命影 响因素权重表示，如图2所示。

所述步骤S4之后，进一步扩展考虑不同焊接结构疲劳寿命影响因素，构建 疲劳影响因素分析邻域决策系统，并进行属性约简和分析，获取对不同焊接结 构疲劳寿命影响因素的定量评定。

本发明的焊接结构疲劳寿命影响因素评价方法以焊接结构疲劳寿命影响因 素定量评价为目标，结合已有疲劳试验数据，提出一种基于条件熵的邻域粗糙 集属性约简算法，构建了基于改进邻域粗糙集的焊接结构疲劳寿命影响因素评 价模型，为焊接结构疲劳寿命影响因素分析和疲劳寿命预测提供了有效的技术 支持。

引入邻域粗糙集理论，能够直接处理取值连续的条件属性，克服了传统粗 糙集在处理连续型属性时需要先进行离散化，难免会带来信息丢失的缺点，使 得其更贴近工程实际，更有研究意义与价值；建立了焊接结构疲劳寿命影响因 素评价的数学模型，获得了对焊接结构疲劳寿命各影响因素的定量评定；提出 一种基于邻域条件熵的属性约简算法，使得算法能在保证分类准确率的前提条 件下，得到更小的属性约简子集。

虽然国内外学者对焊接结构疲劳寿命影响因素评价做了很多的分析和研 究，但对于疲劳寿命各影响因素的定量评定方面的研究比较少，缺乏对各影响 因素重要度的比较和分析，本发明在焊接结构疲劳寿命影响因素评价过程中引 入邻域粗糙集理论，提出一种基于邻域条件熵的邻域粗糙集属性约简算法，建 立了焊接结构疲劳寿命影响因素评价的数学模型，可以为焊接结构疲劳寿命影 响因素评价和疲劳寿命预测提供依据，在总结已有成果的基础上，使得该焊接 结构疲劳寿命影响因素评价模型，能够直接处理连续型数据属性，误差较小， 试验结果更准确。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者 将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言 是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用， 并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各 种修改的各种实施例。

Claims (4)

1.一种焊接结构疲劳寿命影像因素评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.建立包括材料类型、焊接方法、板厚、应力比、载荷类型、接头类型、等效结构应力范围和疲劳循环次数这些属性的疲劳数据库；

S2.设定疲劳数据库中材料类型、焊接方法、板厚、应力比、载荷类型、接头类型和等效结构应力范围这些疲劳寿命的影响因素为条件属性C＝{材料类型(a₁)，焊接方法(a₂)，板厚(a₃)，应力比(a₄)，载荷类型(a₅)，接头类型(a₆)，等效结构应力范围(a₇)}，设定疲劳循环次数为决策属性D＝{lg(N)}，构建疲劳邻域决策系统；

S3.对疲劳邻域决策系统进行属性约简，计算各条件属性的权重，

定义邻域决策系统，

邻域决策系统NDS＝(U,C,D,V,f,N)，其中，U＝{x₁,x₂,x₃,...x_|U|}是有限非空集，称为论域，U中的元素称为对象，C为条件属性集合，D为决策属性集合，CI D＝φ，对于a∈CUD，V＝UV_a，V_a是属性a的值域，f:U×(CUD)→V是一个信息函数，为每个对象的属性赋予一个值，即f(x,a)∈V_a，N是由条件属性C生成的邻域关系，

定义δ-邻域，

对于x_i∈U，定义其δ-邻域为：

δ(x_i)＝{x|x∈U,△(x,x_i)≤δ} (1)

其中，δ≥0，△是一个距离函数，对于

△满足：

△(x₁,x₂)≥0,△(x₁,x₂)＝0当且仅当x₁＝x₂

△(x₁,x₂)＝△(x₂,x₁)

△(x₁,x₃)≤△(x₁,x₂)+△(x₂,x₃)

给定n维欧几里德空间任意两点x_i(x_1i,x_2i,x_3i,…,x_ni),x_j(x_1j,x_2j,x_3j,…,x_nj),两点之间的距离为：

定义上近似、下近似和边界域，

邻域决策系统NDS＝(U,C,D,V,f,N)，若由

生成U上的邻域关系为N_B，则对

X关于B的上近似、下近似和边界域分别定义为：

定义邻域条件熵，

给定邻域决策系统NDS＝(U,C,D,V,f,N)，若

为条件属性子集，U/D＝{[x₁]_D,[x₂]_D,...,[x_n]_D}，则决策属性D关于条件属性子集B的条件熵定义为：

定义属性重要度，

给定邻域决策系统NDS＝(U,C,D,V,f,N)，和条件属性子集

则条件属性

相对于B的属性重要度定义为：

SIG(a,B,D)＝E_δ(D|B Ua)-E_δ(D|B) (7)

定义约简，

给定邻域决策系统NDS＝(U,C,D,V,f,N)，和条件属性子集

称B是C的约简，如果B满足：

基于邻域条件熵的邻域粗糙集属性约简算法，步骤如下：

Input：邻域决策系统NDS＝(U,C,D,V,f,N)和邻域半径δ

Output：约简集合red

Step1初始化，令red＝φ；

Step2对于

计算邻域关系N_a；

Step3对于

循环执行：

依据属性重要度计算公式(7)计算属性a的属性重要度，其中，邻域条件熵E_δ(D|B)的计算包括如下子步骤：

i初始化，令E_δ(D|B)＝0；

ii对于每个1≤i≤|U|，计算对象x_i的邻域类δ_B(x_i)和决策类[x_i]_D；

iii计算邻域条件熵

iv计算邻域条件熵

并返回；

选择满足条件SIG(a_i,red,D)＝max{SIG(a,red,D)}的属性a_i；

Step 4 if SIG(a_i,red,D)>0，令red＝red Ua_i，go to Step3，else go to Step 5；

Step5 return red；

最后，得到属性约简结果集；

S4.依据属性约简结果集确定焊接结构疲劳寿命关键影响因素，约简结果集中各属性的重要度值即为疲劳寿命各影响因素的定量表示。

2.根据权利要求1所述的焊接结构疲劳寿命影像因素评价方法，其特征在于，所述步骤S1中，针对多组疲劳试验数据建立疲劳数据库，对疲劳试验数据进行预处理，手工去除不完整、有缺失信息的数据记录。

3.根据权利要求1所述的焊接结构疲劳寿命影像因素评价方法，其特征在于，所述步骤S2中，以等效结构应力范围作为应力影响因素，构建疲劳寿命影响因素分析邻域决策系统。

4.根据权利要求1所述的焊接结构疲劳寿命影像因素评价方法，其特征在于，所述步骤S4之后，进一步扩展考虑不同焊接结构疲劳寿命影响因素，构建疲劳影响因素分析邻域决策系统，并进行属性约简和分析，获取对不同焊接结构疲劳寿命影响因素的定量评定。

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