نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر

نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر

پیش‌بینی طول عمر با استفاده از مدل یادگیری عمیق ترکیبی بر مبنای داده‌های مکانیکی خستگی چندمحوره

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
دانشکده هوافضا و فناوری‌های نوین، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران
چکیده
پیش‌بینی عمر خستگی مواد از چالش‌های بنیادی در طراحی سازه‌های مهندسی است و نقشی کلیدی در ارتقای ایمنی و کاهش هزینه‌های نگهداری دارد. روش‌های تجربی و مکانیکی کلاسیک، علیرغم کاربرد گسترده، در توصیف رفتارهای غیرخطی ناشی از بارگذاری‌های متغیر با مشکلات متعددی مواجه هستند. در این پژوهش، مدلی ترکیبی بر پایه یادگیری عمیق برای مطالعه طول عمر خستگی توسعه داده شده که از سه بخش اصلی تشکیل می‌شود: شبکه کاملاً متصل برای ویژگی‌های عددی مواد، شبکه بازگشتی دوطرفه برای استخراج الگوهای زمانی بارگذاری و ماژول ترنسفورمر برای ادغام اطلاعات دو مسیر و یادگیری روابط سطح‌بالا. داده‌های آزمایشگاهی شامل مشخصات مکانیکی و مسیر تنش–کرنش. پس از نرمال‌سازی و تفکیک داده‌ها به مجموعه‌ آموزش و آزمون، مجموعه آموزش با الگوریتم بهینه‌سازی به تعداد ۲۰۰۰ تکرار آموزش داده شد. نتایج حاکی از دقت بالا و ضریب تعیین قابل‌قبول R2 مدل پیشنهادی بر روی مجموعه آزمون و برتری آن نسبت به رویکردهای پایه است. برخلاف پژوهش‌های پیشین که عمدتاً بر تک‌مدل‌های یادگیری عمیق متکی بودند، نوآوری اصلی این پژوهش در هم‌افزایی میان لایه‌های تمام‌متصل ، شبکه عصبی حافظه کوتاه‌مدت طولانی دوطرفه و مکانیزم توجه در ترنسفورمر نهفته است که امکان یادگیری هم‌زمانِ ویژگی‌های هندسی مواد و وابستگی‌های زمانیِ پیچیده در تاریخچه بارگذاری را فراهم می‌آورد.این چارچوب چند‌مسیره قابلیت بالایی برای کاربرد در سامانه‌های پایش سلامت و طراحی بهینه سازه‌ها دارد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Hybrid Deep Learning-Based Lifetime Prediction from Multiaxial Fatigue Mechanical Data

نویسندگان English

Behnam Anbarlooie
Seyed Mohammadmahdi Rouholamini
Department of New Technologies & Aerospace Engineering, Shahid Beheshti University
چکیده English

Accurate prediction of fatigue life in materials is a fundamental challenge in mechanical design since it strongly affects the safety, reliability, and maintenance cost of engineering structures. Traditional empirical and analytical fatigue models, while widely applied, often fail to capture nonlinear and multiaxial effects arising under variable loading conditions. In this study, a hybrid deep learning architecture is developed that integrates three complementary components: a fully connected (FC) network for static material features, a bidirectional long short term memory (Bi LSTM) network for sequential loading path, and a transformer encoder for multi path feature fusion and high level relational learning. Experimental stress–strain data were normalized and divided into training and testing sets, and the model was optimized using the Adam algorithm with a learning rate of 5×10⁻⁴ for 2000 epochs. Quantitative evaluation demonstrates that the proposed FC–BiLSTM–Transformer model achieves superior accuracy compared with five baseline networks, with MSE = 0.335, MAE = 0.1385, and R² = 0.9470. Physically, the model captures complex fatigue responses without empirical hypotheses, enabling data driven representation of material behavior. The developed framework provides a reliable computational tool for fatigue life estimation and can be extended to complex materials and multiaxial loading conditions in aerospace and automotive applications.

کلیدواژه‌ها English

Fatigue Life Prediction
Deep Learning
Bidirectional LSTM
Transformer
[1] J.A. Bannantine, J.J. Comer, J.L. Handrock, Fundamentals of Metal Fatigue Analysis, Prentice Hall, 1990.
[2] S. Suresh, Fatigue of materials, Cambridge university press, 1998.
[3] Luke Pollock, Ayah Khalid Abdelwahab, John Murray, and Graham Wild. “The Need for Aerospace Structural Health Monitoring: A Review of Aircraft Fatigue Accidents”. International Journal of Prognostics and Health Management, ISSN 2153-2648, 2021
[4] S. Tavares, P. De Castro, An overview of fatigue in aircraft structures, Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 40(10) (2017) 1510–1529.
[5] S.R. Hursh, D.P. Redmond, M.L. Johnson, D.R. Thorne, G. Belenky, T.J. Balkin, W.F. Storm, J.C. Miller, D.R. Eddy, Fatigue models for applied research in warFig.hting, Aviation, space, and environmental medicine, 75(3) (2004) A44–A53.
[6] T. Harris, W.K. Yu, Lundberg-Palmgren fatigue theory: considerations of failure stress and stressed volume, Journal of Tribology, 121(1) (1999) 85–89.
[7] J. Yang, G. Kang, Y. Liu, Q. Kan, A novel method of multiaxial fatigue life prediction based on deep learning, International Journal of Fatigue, 151 (2021) 106356.
[8] Y. Mizuno, A. Hosoi, H. Koshita, D. Tsunoda, H. Kawada, Fatigue life prediction of composite materials using strain distribution images and a deep convolution neural network, Scientific reports, 14(1) (2024) 25418.
[9] C.M. Bishop, H. Bishop, Deep Learning: Foundations and Concepts, Springer International Publishing, 2023.
[10] A. Graves, Long short-term memory, Supervised sequence labelling with recurrent neural networks (2012). Springer, ISBN: 978-3-642-24796-5.
[11] F. Chollet, F. Chollet, Deep Learning with Python, Second Edition, Manning, 2021.
[12] S. Chen, Y. Bai, X. Zhou, A. Yang, A deep learning dataset for metal multiaxial fatigue life prediction, Scientific Data, 11(1) (2024) 1027.
[13] K.P. Murphy, Machine Learning: A Probabilistic Perspective, MIT Press, 2012.
[14] Z. Huang, W. Xu, K. Yu, Bidirectional LSTM-CRF models for sequence tagging, arXiv preprint arXiv:1508.01991,  (2015).
[15] D. GODOY, DEEP LEARNING WITH PYTORCH STEP-BY-STEP: A Beginner's Guide, INDEPENDENTLY PUBLISHED, 2022.
[16] A. Vaswani, N. Shazeer, N. Parmar, J. Uszkoreit, L. Jones, A.N. Gomez, Ł. Kaiser, I. Polosukhin, Attention is all you need, Advances in neural information processing systems, 30 (2017).
[17] A. Kazemnejad, I. Padhi, K. Natesan Ramamurthy, P. Das, S. Reddy, The impact of positional encoding on length generalization in transformers, Advances in Neural Information Processing Systems, 36 (2023) 24892–24928.
[18] K.D.B.J. Adam, A method for stochastic optimization, arXiv preprint arXiv:1412.6980, 1412(6) (2014).
[19] G. James, D. Witten, T. Hastie, R. Tibshirani, An Introduction to Statistical Learning: with Applications in R, Springer New York, 2013.