鋁合金腐蝕損傷研析
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論文導(dǎo)讀：高強(qiáng)鋁合金。其實(shí)通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。本文采用概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來完成腐蝕損傷的分類任務(wù)。可把最大腐蝕深度分為三組。
關(guān)鍵詞：鋁合金，最大腐蝕深度，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，統(tǒng)計(jì)分析
1 引言
高強(qiáng)鋁合金，如LY12和LC4，在飛機(jī)上得到廣泛的應(yīng)用。由于飛機(jī)的特殊服役環(huán)境，如鹽霧、高溫潮濕等，這些結(jié)構(gòu)材料表面和搭接件部位出現(xiàn)廣布的腐蝕坑，并成為疲勞裂紋源，給結(jié)構(gòu)的安全帶來很大的危害。特別是隨著大量飛機(jī)的服役年限超過其設(shè)計(jì)壽命，腐蝕損傷對鋁合金結(jié)構(gòu)的完整性影響越來越引起人們的重視。
高強(qiáng)鋁合金的腐蝕是一種局部腐蝕，腐蝕的發(fā)生是隨機(jī)的，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)往往分散性大，重復(fù)性差[1]，給腐蝕損傷的統(tǒng)計(jì)研究帶來很大的困難，以至不同學(xué)者在把最大腐蝕深度作為腐蝕損傷衡量指標(biāo)研究時(shí)，對腐蝕損傷的統(tǒng)計(jì)規(guī)律得出不同的結(jié)果。綜合起來，腐蝕損傷最大深度分布形式有正態(tài)分布[2]、Gumbel第一型極值分布[3-4]、Gamma分布[5]、威布爾分布[6-7]等。本文將根據(jù)鋁合金材料的失效機(jī)理和失效模式，用概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對最大腐蝕深度進(jìn)行分類，然后對各組數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以獲得盡可能反映真實(shí)腐蝕損傷的分布特征，為腐蝕損傷可靠性評估奠定基礎(chǔ)。
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2 最大腐蝕損傷深度的分類
2.1鋁合金腐蝕的動力學(xué)特性
一般來說，總體樣本服從什么分布與失效機(jī)理和失效模式有很大的關(guān)系。LY12和LC4等高強(qiáng)鋁合金在大氣環(huán)境中的腐蝕失效模式是點(diǎn)蝕—晶間腐蝕—剝蝕，其腐蝕規(guī)律和機(jī)理與單一腐蝕類型有很大的不同。點(diǎn)蝕發(fā)展成的腐蝕深度往往差異很大，腐蝕坑底部的腐蝕深度要比沒有腐蝕坑的區(qū)域大得多，且最大腐蝕深度隨時(shí)間增長很快。在晶間腐蝕過程中，腐蝕沿晶界擴(kuò)展，在晶界形成連續(xù)的陽極通道，由于腐蝕產(chǎn)物的體積膨脹，在晶界發(fā)生“楔入效應(yīng)”而產(chǎn)生張應(yīng)力，導(dǎo)致沿晶界裂紋的形成和發(fā)展。對具有平行于表面、有高度方向性的扁平晶粒結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)鋁合金來說，沿晶裂紋很容易沿著與表面平行的方向擴(kuò)展，從而使表面層的金屬發(fā)生層狀開裂和剝落，即剝蝕[8-9]，此時(shí)沿深度方向的腐蝕速率減慢。可見，飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕損傷的發(fā)展規(guī)律隨時(shí)間而變化，其分布規(guī)律也許更適合于用多個分布函數(shù)來表征，而非單一分布函數(shù)。
其實(shí)通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，也表明用單一分布函數(shù)不能精確地表征腐蝕損傷的分布規(guī)律。例如，圖1中給出了文獻(xiàn)[2-3]中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的累積分布，可以發(fā)現(xiàn)，很難用一個合適的分布函數(shù)來描述全部數(shù)據(jù)的分布特性。論文大全。只有把腐蝕損傷分成幾組，才有可能得到更精確的分布。
總之，無論是基于材料的失效機(jī)理和失效模式，還是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分布特點(diǎn)，為了得到有效的腐蝕損傷分布，都需要對其進(jìn)行細(xì)分，然后針對分類后的腐蝕損傷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究。本文采用概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來完成腐蝕損傷的分類任務(wù)。論文大全。
2.2概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型
概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（PNN）是一種適合于模式分類的徑向基網(wǎng)絡(luò)。其原理是，輸入數(shù)據(jù)后，網(wǎng)絡(luò)首先計(jì)算輸入矢量與訓(xùn)練矢量之間的距離，并產(chǎn)生一個矢量，來表征輸入矢量和訓(xùn)練矢量之間的接近程度；然后網(wǎng)絡(luò)總結(jié)輸入矢量對各類的貢獻(xiàn)程度，輸出一個表征概率的矢量，最后網(wǎng)絡(luò)用競爭傳遞函數(shù)選擇一個最大的概率，對適合的類輸出為1，其他的類輸出為0[10]。
概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以把聲音、圖像、信號和譜等信息映射成“類別號”，以實(shí)現(xiàn)對客體特定類別的識別。它已成功地應(yīng)用于軍事、醫(yī)學(xué)、工業(yè)等多個領(lǐng)域，如心電圖的正常或非正常劃分、基于聲納信號的船體識別和基于光譜的鉆石鑒別等。本文用MATLAB的PNN函數(shù)來建立對腐蝕損傷分類的概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。
把最大腐蝕損傷深度作為訓(xùn)練對象，輸入和輸出目標(biāo)矢量都是單行矩陣，這兩個矩陣輸入到NEWPNN函數(shù)中進(jìn)行訓(xùn)練。
根據(jù)材料的失效模式：點(diǎn)蝕—晶間腐蝕—剝蝕，可把最大腐蝕深度分為三組，從圖1也可看出分為三組是合理的，并分別用數(shù)字1～3表示。以文獻(xiàn)[3]中的數(shù)據(jù)為研究對象（圖1中黑點(diǎn)表示的數(shù)據(jù)）。用一半的數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，輸出為分類代號1～3。最大腐蝕深度的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果如圖2所示，可見概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠很好地對最大腐蝕深度進(jìn)行分類。由于數(shù)據(jù)有限，該模型精度有待進(jìn)一步驗(yàn)證。
3 最大腐蝕深度的概率分布
所選數(shù)據(jù)來自于高強(qiáng)鋁合金的腐蝕實(shí)驗(yàn)。論文大全。為了剔除材料對分布的影響，本文基于目前對高強(qiáng)鋁合金LY12CZ腐蝕損傷分布的研究結(jié)果：正態(tài)分布[2]、Gumbel第一型極值分布[3]、威布爾分布[7]，分別對分類后的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，以找出適合各組數(shù)據(jù)的最佳分布。
經(jīng)過統(tǒng)計(jì)處理，各種分布針對各組數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)見表1�？梢钥闯觯瑢Φ谝唤M數(shù)據(jù)，最佳分布為Gumbel第一型極值分布，正態(tài)分布和三參數(shù)威布爾分布都比較適合第二組數(shù)據(jù)，第三組數(shù)據(jù)最佳分布為三參數(shù)威布爾分布。這說明，高強(qiáng)鋁合金點(diǎn)蝕的最大腐蝕深度服從Gumbel第一型極值分布，晶間腐蝕階段服從正態(tài)分布和三參數(shù)威布爾分布，發(fā)生剝蝕后的最大腐蝕深度服從三參數(shù)威布爾分布。由此可見，對高強(qiáng)鋁合金的最大腐蝕深度，特別當(dāng)數(shù)值范圍較大時(shí)，應(yīng)對其進(jìn)行分類并分別研究，采用三種或兩種分布來表征其分布規(guī)律，而非單一分布,圖3給出了分別應(yīng)用Gumbel分布、正態(tài)分布和三參數(shù)威布爾對1～3類數(shù)據(jù)的累積分布。文獻(xiàn)[3,2,7]的研究對象及結(jié)論分別為點(diǎn)蝕坑(Gumbel第一型極值分布)、加速腐蝕后以晶間腐蝕為主的腐蝕損傷(正態(tài)分布)和已服役6～13年發(fā)生剝蝕后的飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕損傷(三參數(shù)威布爾分布)，它們都用優(yōu)勢數(shù)據(jù)掩蓋了弱勢數(shù)據(jù)的信息，從而得出不同的結(jié)論，不過這也從側(cè)面驗(yàn)證了本文結(jié)論的正確性。
表1 各擬合模型的相關(guān)系數(shù)
| 分類號 | 擬 合 模 型 的  |
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| 正態(tài) | Gumbell | Weibull | |
| 1 | 0.9854 | 0.9965 | 0.9862 |
| 2 | 0.9909 | 0.9700 | 0.9926 |
| 3 | 0.9479 | 0.9117 | 0.9869 |
4 結(jié)論
1)材料的失效模式和失效機(jī)理決定著腐蝕損傷的分布類型。高強(qiáng)鋁合金的失效模式：點(diǎn)蝕—晶間腐蝕—剝蝕，決定了在對其腐蝕損傷的統(tǒng)計(jì)規(guī)律研究時(shí)，特別當(dāng)腐蝕損傷數(shù)據(jù)范圍較大時(shí)，應(yīng)根據(jù)失效模式劃分三組，用多個分布類型而非單一分布類型來表征腐蝕損傷的分布特性。
2)建立的概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能很好地對最大腐蝕深度進(jìn)行分類，為腐蝕損傷的可靠性評估奠定了基礎(chǔ)。由于訓(xùn)練數(shù)據(jù)有限，在進(jìn)一步應(yīng)用該模型前，還需大量的數(shù)據(jù)對其進(jìn)行訓(xùn)練，以提高其精度。
3)以高強(qiáng)鋁合金LY12CZ的腐蝕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為對象，對其分組后的最大腐蝕損傷深度統(tǒng)計(jì)研究表明，高強(qiáng)鋁合金點(diǎn)蝕的最大腐蝕深度服從Gumbel第一型極值分布，晶間腐蝕階段服從正態(tài)分布和三參數(shù)威布爾分布，發(fā)生剝蝕后的最大腐蝕深度服從三參數(shù)威布爾分布。由此可見，對高強(qiáng)鋁合金的最大腐蝕深度，應(yīng)用三種或兩種分布來表征其分布規(guī)律。
參 考 文 獻(xiàn)
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2 謝偉杰，李荻，胡艷玲等. LY12CZ和7075T7351鋁合金在EXCO溶液中腐蝕動力學(xué)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律. 航空學(xué)報(bào)，1999,20（1）：34-38
3 胡艷玲，李荻，郭寶蘭. LY12CZ鋁合金型材的腐蝕動力學(xué)統(tǒng)計(jì)規(guī)律研究及日歷壽命預(yù)測方法探討。航空學(xué)報(bào)，2000,21（Sup.）：S53-S57
4 任和，馮元生，王琛.運(yùn)七機(jī)翼腐蝕失效模型及其可靠性分析. 腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，1998，10(4):212-216.
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7陳躍良,呂國志,段成美. 服役條件下飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕損傷概率模型研究. 航空學(xué)報(bào),2002,23:249-251.
8 謝偉杰. LY12CZ和7075T7351鋁合金耐腐蝕壽命預(yù)測的探討. 北京，北京航空航天大學(xué)，1998。
9 李荻，左尚志，郭寶蘭. LY12鋁合金剝蝕行為的研究. 中國腐蝕防護(hù)學(xué)報(bào)，1995，15(3):203-209.
10Demuth, H.,Beale,M. Neural Network Toolbox: For use with MATLAB, User’s Guide.Jan 1998.
