[发明专利]基于人工智能大数据预测塑料压力管道长期寿命的方法

说明书

本发明属于数据分析技术领域，公开了一种基于人工智能大数据预测塑料压力管道长期寿命的方法，收集塑料压力管道失效案例；通过实验获取典型塑料压力管道材料的力学性能参数；提取影响塑料压力管道使用寿命的基本参数；将影响塑料压力管道使用寿命的基本参数作为输入参数，失效模式以及剩余寿命作为输出参数，形成大数据分析文件；通过大数据分析软件WEKA，进行数据挖掘分析，得到预测失效模式以及剩余使用寿命；选择适用于塑料压力管道的预测算法；根据选择的算法完成对塑料压力管道失效模式以及剩余使用寿命的预测。本发明预测塑料压力管道长期寿命的精准度、可靠性较高，可提高塑料压力管道的使用寿命，可提高安装、使用过程的安全性。

技术领域

本发明属于数据分析技术领域，尤其涉及一种基于人工智能大数据预测塑 料压力管道长期寿命的方法。

背景技术

随着我国加强对化学建材的推广应用力度，塑料管道得到了广泛的应用， 已深入到社会生产的各个领域。与传统的金属管、水泥管等管道相比，塑料管 具有节能节材、质轻价廉、耐腐蚀、易安装、寿命长、柔韧性好等优点，因而 越来越受到工程界的青睐。在中国宏观经济快速发展的拉动下，中国已经成为 塑料管道产量最多的国家，且管道的品种较多。

另一方面，塑料管道的工作环境一般为长期承压、高温热水、埋地外负荷 等，这些恶劣的应用条件决定了塑料管道应具有优良的性能。而我国生产的塑 料管道品质低下，且大量使用未经长期静液压评价试验的原材料，这为今后可 能出现的品质问题埋下了隐患。目前，塑料管道寿命预测工作的理论还不成熟， 方法还不完善，远远跟不上塑料管道的发展速度。因此，如何评价塑料管道的 长期力学性能并进行寿命预测就显得尤为迫切。目前现有方法如下：

线弹性断裂力学(LEFM)

LEFM主要描述线弹性材料中尖端裂纹的行为。其将材料的破坏过程理想 化为施加的应力强度因子(SIF)和管材的断裂韧性相平衡的结果。根据LEFM理 论，破坏过程可以分成3个阶段：在施加载荷和裂纹萌发之间的潜伏期，SCG 以及当施加的SIF超过材料的断裂韧性时发生的脆性破坏。如图1所示，图1 为典型的裂纹长度随加载时间变化图。

但是，利用LEFM方法来预测管道寿命有如下局限性：第一，缺乏管道上 裂纹萌发位置的尺寸和形状信息，而这些会影响裂纹萌发和原始裂纹扩展阶段。 第二，在断裂力学样本中，材料主体在线性黏弹性范围内承受应力和应变(低于 1～2MPa)，而实际的内压管道承受的应力水平一般在非线性黏弹性范围(高于 4MPa)，这有可能导致LEFM理论失效。并且，新开发的PE管材原料具有更大 的裂纹尖端塑性，这也限制了LEFM理论的有效性。第三，在使用LEFM方法 时，必须对材料的老化效应进行正确的评估。

标准外推法(SEM)

塑料管的失效行为可根据应力破坏曲线(由静液压实验得到)进行分析。静液 压实验是将样管放置于一定温度的环境中(如水或空气)，管样内充满所选的介 质，对其施加不同的压力值，记录样品的破坏时间。根据大量实验，可以得出 塑料压力管道主要有3种失效模式。如图2所示，logS为环向应力，logt_f为失 效时间。

使用标准外推法时，应注意材料老化和材料缺陷的影响。在管材制造、安 装过程中，会造成管材的初始缺陷，例如Brown确定了商业管道的最大随机缺 陷平均尺寸大约为100μm。在利用标准外推法进行管道设计时，考虑到这些缺 陷的影响，应引入安全系数。相对于标准外推法，Farshad提出了极限应变外推 法(USEM)和畸变能外推法(DEEM)，并指出USEM适用于脆性和纤维增强材料 而DEEM则适用于广泛的材料类型。其中，USEM依据应变失效准则，而DEEM 依据与失效应力对应的畸变能。

弹塑性断裂力学(EPFM)