
兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (10): 250424-.doi: 10.12382/bgxb.2025.0424
葛朴昕1, 宋子豪1, 李志洋1, 王海任2, 雷建银1,3,*(
), 刘志芳1
收稿日期:2025-05-29
上线日期:2025-11-05
通讯作者:
基金资助:
GE Puxin1, SONG Zihao1, LI Zhiyang1, WANG Hairen2, LEI Jianyin1,3,*(
), LIU Zhifang1
Received:2025-05-29
Online:2025-11-05
摘要:
在爆炸载荷作用下,预测结构响应的关键在于准确建立输入载荷、材料性能与力学响应之间的关系。提出了一种结合数据驱动和量纲不变性分析的方法,用于识别在脉冲载荷作用下圆板动态塑性响应中的关键无量纲参数,并构建挠度预测模型。通过在ABAQUS中建立固支圆板的显式动力学模型,设置圆板半径L、厚度H、密度ρ、屈服强度σ0及脉冲冲量I为变量生成数据;以人工神经网络拟合响应面并求梯度,结合指数矩阵法与主动子空间分析完成特征构造与降维,识别主导无量纲量。结果表明,通过指数矩阵耦合和主动子空间分析,最终将五个原始变量表示为Johnson损伤数I2/(ρσ0H2)与几何参数H/L的组合,将问题从多维输入降维至一个核心变量。识别的无量纲量能有效表征冲击损伤和动力响应,并展现出良好的适用性。研究成果为冲击动力学问题提供了一种高效的数据驱动分析工具,体现了机器学习在工程物理问题中可能的应用前景。
葛朴昕, 宋子豪, 李志洋, 王海任, 雷建银, 刘志芳. 基于数据驱动的均匀脉冲载荷作用下低碳钢圆板动力学响应的量纲分析[J]. 兵工学报, 2025, 46(10): 250424-.
GE Puxin, SONG Zihao, LI Zhiyang, WANG Hairen, LEI Jianyin, LIU Zhifang. Data-Driven Dimensional Analysis of the Dynamic Response of Low-Carbon Steel Circular Plates under Uniform Impulsive Loading[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(10): 250424-.
| ρ/(g·mm-3) | E/MPa | ν | σo/MPa |
|---|---|---|---|
| 0.007861 | 207×103 | 0.3 | 233 |
表1 低碳钢材料参数
Table 1 Low-carbon steel parameters
| ρ/(g·mm-3) | E/MPa | ν | σo/MPa |
|---|---|---|---|
| 0.007861 | 207×103 | 0.3 | 233 |
| 参数 | 符号 | 下限 | 上限 |
|---|---|---|---|
| 半径 | L/mm | 27.03 | 36.57 |
| 厚度 | H/mm | 1.64 | 2.22 |
| 密度 | ρ/(g·mm-3) | 0.00663 | 0.00897 |
| 脉冲载荷 | I/(N·ms) | 3150 | 7150 |
| 屈服强度 | σ0/MPa | 189.55 | 256.45 |
表2 数据集参数变动范围
Table 2 Parameter variation range for the dataset
| 参数 | 符号 | 下限 | 上限 |
|---|---|---|---|
| 半径 | L/mm | 27.03 | 36.57 |
| 厚度 | H/mm | 1.64 | 2.22 |
| 密度 | ρ/(g·mm-3) | 0.00663 | 0.00897 |
| 脉冲载荷 | I/(N·ms) | 3150 | 7150 |
| 屈服强度 | σ0/MPa | 189.55 | 256.45 |
图4 均匀脉冲载荷作用下低碳钢圆板动力学响应的数据驱动量纲分析示意图
Fig.4 Schematic diagram of the data-driven dimensional analysis of the dynamic response of a low-carbon steel circular plate under uniform pulse load
| 物理量 | 符号 | 量纲向量[M,L,T] |
|---|---|---|
| 密度/(g·mm-3) | ρ | [1,-3,0] |
| 初始屈服强度/(N·mm-2) | σ0 | [1,-1,-2] |
| 半径/mm | L | [0,1,0] |
| 厚度/mm | H | [0,1,0] |
| 单位面积所受脉冲/(N·ms·mm-2) | I | [1,-1,-1] |
表3 脉冲载荷下圆板中的量纲向量
Table 3 Dimensional vector in a circular plate under pulse loading
| 物理量 | 符号 | 量纲向量[M,L,T] |
|---|---|---|
| 密度/(g·mm-3) | ρ | [1,-3,0] |
| 初始屈服强度/(N·mm-2) | σ0 | [1,-1,-2] |
| 半径/mm | L | [0,1,0] |
| 厚度/mm | H | [0,1,0] |
| 单位面积所受脉冲/(N·ms·mm-2) | I | [1,-1,-1] |
| 隐藏层 | 神经元数 | 激活函数 | 损失函数 | 优化器 | 批量大小 |
|---|---|---|---|---|---|
| 5 | 10 | ReLU/Tanh | MAE | Adam | 32 |
表4 神经网络参数
Table 4 Neural network parameter
| 隐藏层 | 神经元数 | 激活函数 | 损失函数 | 优化器 | 批量大小 |
|---|---|---|---|---|---|
| 5 | 10 | ReLU/Tanh | MAE | Adam | 32 |
| 数据集 | 样本数 | MSE | R2 | MAE |
|---|---|---|---|---|
| 训练集 | 700 | 0.021382 | 0.9981 | 0.073878 |
| 验证集 | 150 | 0.056340 | 0.9952 | 0.092583 |
| 测试集 | 150 | 0.037933 | 0.9974 | 0.089986 |
表5 训练集、验证集与测试集性能对比
Table 5 Comparison of training, validation, and test set performance
| 数据集 | 样本数 | MSE | R2 | MAE |
|---|---|---|---|---|
| 训练集 | 700 | 0.021382 | 0.9981 | 0.073878 |
| 验证集 | 150 | 0.056340 | 0.9952 | 0.092583 |
| 测试集 | 150 | 0.037933 | 0.9974 | 0.089986 |
| 模型 | 输入特征 | R2 | MAE/% |
|---|---|---|---|
| FE-1 | ($\frac{{I}^{2}}{\rho {\sigma }_{0}{H}^{2}}$,$\frac{H}{L}$) | 0.97 | 19.7 |
| FE-2 | ($\frac{{I}^{2}}{\rho {\sigma }_{0}{L}^{2}}$,$\frac{H}{L}$) | 0.88 | 33.3 |
表6 基于不同特征组合的特征模型质量评估
Table 6 Quality assessment of feature models based on different feature combinations
| 模型 | 输入特征 | R2 | MAE/% |
|---|---|---|---|
| FE-1 | ($\frac{{I}^{2}}{\rho {\sigma }_{0}{H}^{2}}$,$\frac{H}{L}$) | 0.97 | 19.7 |
| FE-2 | ($\frac{{I}^{2}}{\rho {\sigma }_{0}{L}^{2}}$,$\frac{H}{L}$) | 0.88 | 33.3 |
图10 低碳钢圆板在均匀脉冲载荷下的两项无量纲参数表征
Fig.10 Two dimensionless parameters characterizing a low-carbon steel circular plate subjected to a uniform impulsive load
| 方程 | $\frac{W}{H}$=a(($\frac{{I}^{2}}{\rho {\sigma }_{0}{H}^{2}}$)0.200($\frac{H}{L}$)-0.382)b | |||
|---|---|---|---|---|
| 参数 | a | b | R2 | MSE |
| 数值 | 0.558 | 2.361 | 0.9703 | 0.249 |
表7 板中心挠厚比对应预测公式
Table 7 Prediction formula for the deflection-to-thickness ratio at the center of the plate
| 方程 | $\frac{W}{H}$=a(($\frac{{I}^{2}}{\rho {\sigma }_{0}{H}^{2}}$)0.200($\frac{H}{L}$)-0.382)b | |||
|---|---|---|---|---|
| 参数 | a | b | R2 | MSE |
| 数值 | 0.558 | 2.361 | 0.9703 | 0.249 |
图12 均匀脉冲载荷下低碳钢圆盘中载荷强度I与 挠厚比关系图
Fig.12 Graph of the relationship between load intensity I and the deflection-to-thickness ratio in a low-carbon steel disc under uniform impulse loading
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