(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211031725.8 (22)申请日 2022.08.26 (71)申请人 南昌航空大 学 地址 330000 江西省南昌市丰和南大道696 号 (72)发明人 秦国华　金杨杨　林锋　王华敏　 (74)专利代理 机构 苏州德萃知识产权代理有限 公司 3262 9 专利代理师 商晓莉 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 30/27(2020.01) G06N 3/08(2006.01) G06F 113/26(2020.01) G06F 119/14(2020.01)G06F 119/02(2020.01) (54)发明名称 一种碳纤维复合材料超声振动辅助钻孔质 量的GABP网络预测方法 (57)摘要 本发明公开了一种碳纤维复合材料超声振 动辅助钻孔质量的GABP网络预测方法。 首先， 综 合考虑层内材料哈辛 ‑帕克失效准则和内聚力黏 性层损伤失效机制， 建立碳纤维复合材料钻孔有 限元模型。 其次， 通过正交实验设计方法、 碳纤维 复合材料钻孔有限元仿真模型确定的训练样本、 预测样本， 构建轴向力和分层因子(即碳纤维复 合材料钻孔质量定量评估参数)BP神经网络 预测 模型。 最后， 将输出样本的预测误差作为适应度 函数， 采用遗传算法优化BP神经网络， 构建了轴 向力和分层因子的GABP神经网络 预测模型。 本发 明不仅建立了一种准确的碳纤维复合材料钻孔 有限元模型， 为碳纤维复合材料钻孔研究提供计 算机辅助， 减少试验成本； 而且建立了碳纤维复 合材料钻孔质量的GABP预测模型， 提高轴向力和 分层因子的计算效率， 为碳纤维复合材料钻孔工 艺参数的合理选择提供切实可 行的理论基础。 权利要求书5页 说明书11页 附图1页 CN 115526072 A 2022.12.27 CN 115526072 A 1.一种碳纤维复合材料超声振动辅助钻孔质量的GABP网络预测方法， 其特征在于： 所 述预测方法包括以下步骤： 步骤一、 建立碳纤维复合材料钻孔有限元模型： 在ABAQUS中， 建立碳纤维复合材料工件 的实体模 型， 并将麻花钻模 型导入ABA QUS中， 划分工件与钻头网格， 定义边界条件与接触属 性， 其模型如图1所示； 步骤二、 建立碳纤维复合材料层内失效模型： 利用有限元ABAQUS提供的用户自定义 VUMAT子程序接口， 编写层内材 料损伤子程序 “In‑layer Damage”； 步骤三、 建立碳纤维复合材料层间失效模型： 碳纤维复合材料工件结构是单层板在一 定条件下形成的多层复合结构， 层与层之间有一层很 薄的树脂层， 其 强度比纤维层强度弱， 因此加工时碳纤维复合材料经常产生分层缺陷， 为了使仿真结果更接近实际加工， 本文在 层与层之间构建了一层内聚力单 元黏性层， 并采用双线本构模型， 如图2所示； 步骤四、 碳纤维复合材料钻孔BP神经网络预测： BP神经网络包括输入层、 隐含层和输出 层三部分， 其结构如图3所示， 输入层有 m＝4个神经元： 转速x1、 进给速度x2、 频率x3、 振幅x4， 输出层有n ＝2个神经 元， 分别为轴向力a1和分层因子a2， 隐藏层为u个神经 元； 步骤五、 训练网络： 假设样本总数为Z， 则第z个样本的输入向量X(z)、 隐含层输出向量H (z)、 输出层网络 输出向量A(z)和实际输出向量T(z)可表示 为 步骤六、 优化网络模型： 初始权值和阈值对于训练过程能否达到局部最小或训练是否 能够收敛关系很大， 为此采用遗传算法优化神经网络， 通过寻找误差最小的权值和阈值代 替BP神经网络的随机初始权值和阈值， 然后训练网络进行 预测； 步骤七、 根据 步骤一到步骤三， 在ABAQUS软件中建立碳纤维复合材料钻孔有限元模型， 通过正交实验设计方法得到网络的输入样本和训练样本， 步骤四至步骤六， 采用遗传算法 建立碳纤维复合材料钻孔轴向力和分层因子的GABP预测模 型， 为碳纤维复合材料钻孔工艺 参数的合理选择提供切实可 行的理论基础。 2.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料超声振动辅助钻孔质量的GABP网络预测 方法， 其特 征在于： 所述建立 碳纤维复合材 料层内失效模型包括以下步骤： Sa1： 碳纤维复合材料是正交各向异性材料， 其本构应力 ‑应变关系通过广义胡克定律 的刚度矩阵来构建， 关系式为： 权　利　要　求　书 1/5 页 2 CN 115526072 A 2式中， σij为应力， εij为应变， Ei为弹性模量， Gij为剪切模量， νij为泊松比， Δ＝1 ‑ν12ν21‑ ν23ν32‑ν13ν31‑2 ν21ν13ν32； Sa2： 碳纤维复合材料具有一定韧性， 纤维受到拉力和压力的破坏原理不相同， 过大载 荷也会导致基体失效， 为此， 建立碳纤维复合材料的哈辛 ‑帕克失效准则， 即纤维失效判断 采用哈辛 准则， 基体失效判断采用帕克准则， 表达式如下： (1)碳纤维复合材 料纤维拉伸失效( σ11≥0) (2)碳纤维复合材 料纤维压缩失效( σ11<0) (3)碳纤维复合材 料基体拉伸失效( σ22+σ33≥0) (4)碳纤维复合材 料基体压缩失效( σ22+σ33<0) 式中， σij为各应力分量， Sij为剪切强度， X1t、 X1c分别为方向1的拉伸和压缩 强度， X2t、 X2c 分别为方向2的拉伸和压缩强度； Sa3： 当复合材料出现损伤时， 材料承载 能力改变， 刚度发生退化， 随着损伤程度加剧刚 度逐渐减小为零， 最 终导致材料失效， 假定材料失效前是线弹性， 发生损伤后， 刚度 矩阵C退 化为 其表达式为： 权　利　要　求　书 2/5 页 3 CN 115526072 A 3