[发明专利]一种考虑不均匀温升的Ⅳ型管束瓶充氢膨胀量预测方法

权利要求书

1.一种考虑不均匀温升的Ⅳ型管束瓶充氢膨胀量预测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：在Ⅳ型管束瓶服役温度范围[T_lower-limit,T_upper-limit]内选取n个试验温度T₁、T₂…T_n，然后在各试验温度下对组成Ⅳ型管束瓶的所有材料M₁、M₂…M_k实施力学和热力学性能测试，获取不同试验温度下各材料的力学和热力学性能数据；

步骤2：基于步骤1的测试数据，利用数据驱动方法建立Ⅳ型管束瓶材料M₁、M₂…M_k在服役温度范围[T_lower-limit,T_upper-limit]内的力学和热力学性能预测模型：

式中：T表示Ⅳ型管束瓶服役温度范围[T_lower-limit,T_upper-limit]内的任意值；M_i表示Ⅳ型管束瓶材料M₁、M₂…M_k中的任意一个；表示材料M_i在温度T下的力学性能；表示材料M_i在温度T下的热力学性能；F₁(·)和F₂(·)表示数据驱动方法建立的关系函数；

步骤3：利用步骤2中建立的预测模型，对Ⅳ型管束瓶中不同材料在不同温度下的性能进行预测，构建计及温度影响的Ⅳ型管束瓶材料的力学和热力学性能数据库；

步骤4：采用计算流体力学方法模拟Ⅳ型管束瓶充氢过程，获取充氢过程中管束瓶内壁面所受的瞬态温度场载荷和瞬态压力场载荷：

式中：t_i表示充氢过程中的第i个离散时刻，其值取决于计算流体力学方法所采用的时间步长Δt，即t_i＝i×Δt；表示Ⅳ型管束瓶内壁面在t_i时刻所受的温度场载荷；表示Ⅳ型管束瓶内壁面在t_i时刻所受的压力场载荷；表示计算流体力学方法得到的在t_i时刻的温度分布函数；表示计算流体力学方法得到的在t_i时刻的压力分布函数；(θ,r,z)为柱坐标系下Ⅳ型管束瓶内壁面任意点的空间位置；

步骤5：建立Ⅳ型管束瓶的有限元模型，将步骤3中构建的材料性能数据库和步骤4中得到的载荷数据分别作为材料参数和边界条件输入该模型，然后利用瞬态热固耦合技术进行迭代计算直至收敛，从而实现充氢过程中Ⅳ型管束瓶膨胀量的预测。

2.根据权利要求1所述的一种考虑不均匀温升的Ⅳ型管束瓶充氢膨胀量预测方法，其特征在于，所述步骤1中，获取的力学性能数据包括强度、弹性模量和剪切模量，获取的热力学性能数据包括导热系数、比热容和热膨胀系数。

3.根据权利要求1所述的一种考虑不均匀温升的Ⅳ型管束瓶充氢膨胀量预测方法，其特征在于，所述步骤2中，所述数据驱动方法的数据驱动模型采用神经网络、支持向量机或随机森林，其实施具体包括以下子步骤：

步骤201：将步骤1中得到的材料性能数据整理成模型输入变量+模型输出变量的形式，从而作为数据驱动模型的数据集，其中模型输入变量为材料种类、材料方向和试验温度，模型输出变量为力学和热力学性能；

步骤202：基于步骤201中的数据集，从每种材料的性能数据中随机抽取80％作为训练集提供给数据驱动模型，剩余20％则作为测试集；

步骤203：在训练集上利用网格搜索和交叉验证对数据驱动模型进行超参数优化，以获得求解Ⅳ型管束瓶材料性能-温度的关系的最佳参数组合；

步骤204：先将步骤203中求得的最佳参数组合赋予数据驱动模型，再在训练集上训练该模型，使其预测误差最小；

步骤205：利用测试集评估完成训练的模型的泛化性能，若其泛化性能是可接受的，则获得可用的材料性能预测模型，反之，则重新进行步骤203～步骤205。