一种复合材料基准值计算方法及计算系统与流程

1.本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种复合材料基准值计算方法及计算系统。


背景技术：

2.复合材料在航空航天、风电和汽车领域应用广泛，不同行业对材料基准值的要求也各不相同。cmh-17g定义了复合材料基准值是基于统计的材料性能，测量值的指定母体的不同百分位点的95%的置信下限，第1和第10百分位点的95%置信下限分别定义为a、b基准值。dnvgl-st-0376定义了风电叶片用复合材料基准值为第5百分位点的95%的置信下限。复合材料数据类型可分为结构型和非结构型数据，可根据数据不同的拟合分布类型进行计算。按照中国hb7618-2009规定，当样本数据符合正态分布时，采用单侧容限系数法确定样本母体的基准值。对于实际构件而言，由于成本和经济方面的考虑，在试验时往往只能提供较少的试样数量，此时单侧容限系数法计算精度较差而导致单侧容限系数计算结果过于保守。此外，对于汽车用复合材料而言，并非每一个结构都面临相同的冲击碰撞威胁，以航空和风电材料的要求又过于严格。
3.此外，目前计算复合材料基准值的软件一般采用excel、matlab和spss，这些数据处理软件为通用性软件，无法做到样本数据检测与计算的一体化集成，效率很低。针对web平台和分布式计算环境，本地计算相应程序也不能有效对接。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术的缺点，本发明的目的旨在提供一种汽车用复合材料基本强度性能统计方法，尤其涉及在不同的样本数量下汽车用复合材料的基准值计算方法及基准值计算系统。
5.为解决上述技术问题，本发明一方面提供了一种复合材料基准值计算方法，具体技术方案如下：一种汽车用复合材料基准值计算方法，包括以下步骤：步骤1：检索并获取数据库中合理的不同批次复合材料性能数据；此处性能数据可以是强度、模量等任意力学性能数据；步骤2：检测不同批次的复合材料性能数据，筛选出不满足预设条件的不合理数据，并对不合理的性能数据进行修正，输出合理的性能数据；步骤3：根据合理的复合材料性能数据分布类型，计算最佳的复合材料基准值；进一步地，所述步骤1还包括：对复合材料不同试验类型的数据进行正则化判定、批次数和离散系数判定，获取合理的复合材料数据。
6.进一步地，所述步骤2包括以下步骤：步骤2.1：利用最大赋泛残差（mnr）法判定样本数据样本数量中是否存在异常数据，若存在异常数据需进行修正和判定，若通过异常数据处理，则执行步骤2.2；若否，利用
经验与工程判定方法对数据进行修正；步骤2.2：检验k组样本数据是否来自同一母体，判定anderson-darling检验的统计量adk和临界值adc大小，若adk＜adc，则判定各组数据复合材料性能数据来同一母体，为非结构型数据，执行步骤2.3；反之，则为结构型数据，执行步骤2.4；步骤2.3：对复合材料性能数据进行分布拟合优度（osl）检测，判断复合材料性能数据符合何种分布（正态分布、威布尔分布和对数正态分布），当osl大于0.05时，优先考虑正态分布方法进行复合材料基准值的计算，后续步骤3采用单侧容限系数算法计算基准值；当正态分布模型不能对数据进行拟合时，后续步骤3考虑威布尔分布和对数正态分布方法计算基准值；步骤2.4：对不符合任何分布类型的结构型数据，采用方差等同性方法计算复合材料基准值。
7.进一步的，所述步骤3中，当输入的数据类型符合正态分布时， 步骤3采用单侧容限系数算法计算复合材料基准值，所述单侧容限系数根据样本数量应用不同的公式计算：设样本数量为n（n表示一个随机样本的总数，n=n1+n2+```+nk，具体为：数据由在同一试验条件下同一材料的同一性能的测量值组成），设是样本x1,x2,
…
,xn来自正态分布不同百分位点的简单随机样本的单侧容限系数，再执行步骤3.3；a.当n≤20时，复合材料的单侧容限系数计算方法一般表达式如下：式中：为非中心参数；为标准的正态随机变量，在b基准值的计算中，=1.282(90%概率)；n-1为自由度。复合材料的单侧容限系数一般表达式可由非中心t分布分位数的确定；由于在上述表达式中，非中心t分布分位数计算复杂，且在样本数量较小时，会出现计算误差，因此将非中心t分布的分位数可近似表示为：，式中，为标准正态分布的分位数；；因此，该情况下复合材料的单侧容限系数为：b.当20＜n＜100时，复合材料的单侧容限系数可表示为：式中，n为样本数量；为可靠度为p的标准正态偏量；为t分布的百分位数；
c.当n》100时，此时样本为标准样本，引入单侧容限系数的近似公式，复合材料的单侧容限系数的一般表达式为：式中：分别为不同概率条件下的系数。
8.当计算a、b基准值时：当计算a、b基准值时：获得单侧容限系数后，进一步计算复合材料基准值，正态分布模型下复合材料基准值的一般表达式为：式中，为样本均值，为不同样本数量下的单侧容限系数；s为样本标准差。
9.本发明第二方面还提供了一种汽车用复合材料基准值计算系统，所述系统包括数据获取模块、数据判定模块和数据计算模块和数据输出模块。
10.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述数据获取模块，具体用于检索并选取数据库中复合材料性能数据，得到所述复合材料数据。
11.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述数据判定模块，具体用于：判定所述复合材料数据的批次数与离散系数、异常数据判定、批间变异性判定和拟合优度判定，在所述复合材料数据中存在上述判定条件无法通过时，以预设修正策略对不合理数据进行修正。
12.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述数据计算模块，具体用于：对复合材料基准值进行检测，利用预设处理流程计算所述复合材料的基准值。
13.进一步地，在本发明的一个实施例中，所在数据输出模块，具体用于：输出复合材料基准值的计算结果。
14.进一步的，本发明所述的计算系统适用于b/s架构。
15.与现有技术相比，本发明根据拟合优度检验确定数据的分布类型，并引入针对母体不同样本数量下采用不同的正态性单侧容限系数计算方法，再计算不同百分位点下的复合材料基准值，输出适用于不同领域的复合材料基准值。从而避免了单侧容限系数绝对值随样本数量的改变而引起的急剧变化，降低计算的置信下限相对真值的偏离误差。此外，本发明所开发的计算程序适用于b/s架构的管理系统及分布式计算系统中进行复合材料基准值计算，便于多平台移植和远程调用。
16.附图表说明本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为根据本发明的复合材料基准值计算方法的流程示意图；图2为根据本发明的复合材料的正态性单侧容限系数算法流程示意图。
具体实施方式
17.为了更清楚地说明发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领
域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，在根据这些附图表所做修改、同等替换等，均属于本发明的保护范围。
18.本发明软件采用tcl语言进行算法编写，计算软件具有开放性特点，可供不同数据类型的计算算法的程序调用。
19.下面结合说明书附图和表对本发明实施例作进一步详细描述。
20.如图1和图2所示，本发明实施例公开了一种复合材料基准值计算方法，该方法包括：步骤1：获取合理的不同批次复合材料强度性能数据；步骤2：检测不同批次的复合材料强度数据，筛选出不满足预设条件的不合理数据，并对不合理数据进行修正，输出合理的性能数据；步骤3：根据合理的复合材料强度性能数据分布类型，计算出相应的复合材料基准值；其中，步骤2包括：步骤2.1采用最大赋泛残差（mnr）法检测判定样本数据中是否存在不合理数据，对异常数据进行修正和判定，直至获得所述算法要求的数据类型；步骤2.2：采用anderson-darling法检测批间变异性，即判定数据是否来自于同一母体，若数据来自于同一母体，则性能数据为非结构型数据，执行步骤2.3；若性能数据来自于不同母体，则性能数据为结构性数据，执行步骤2.4；数据分布类型采用拟合优度(osl)法检测，并结合相应经验与工程方法进行补充检测；步骤2.3：利用拟合优度检验（osl）判断数据分布类型，并结合相应经验与工程方法进行补充检测； 若复合材料性能数据的正态osl大于0.05时，则优先考虑正态分布方法进行复合材料基准值的计算，当正态分布模型不能对数据进行拟合时，考虑威布尔分布和对数正态分布方法。
21.特别地，当数据符合正态分布类型，采用正态分布方法进行复合材料基准值计算时，所述单侧容限系数根据不同的样本数量选择不同的计算方法，具体如下：设 是样本x1,x2,
…
,xn来自正态分布不同百分位点的简单随机样本的单侧容限系数，n为样本数量，a.当n≤20时，非中心t分布的分位数可近似表示为：则复合材料的单侧容限系数为：式中，为标准正态分布的分位数； 。
22.b.当20＜n＜100时，复合材料的单侧容限系数可表示为：
式中，n为样本数量； 为可靠度为p的标准正态偏量； 为t分布的百分位数。
23.c.当n》100时，此时样本为标准样本，引入单侧容限系数的近似公式，复合材料的单侧容限系数 的一般表达式为：式中：分别为不同概率条件下的系数。
24.当计算a、b基准值时：当计算a、b基准值时：以上选择适合的单侧容限系数计算方法获得单侧容限系数后，进一步计算复合材料的基准值并输出，正态分布模型下复合材料基准值的一般表达式为：式中， 为样本均值， 为不同样本数量下的单侧容限系数；s为样本标准差。
25.若步骤2中判断复合材料性能数据分布类型不符合任何分布类型的结构型数据，采用方差等同性方法计算复合材料基准值,若所有分布的osl≤0.05，则按照非参数算法计算复合材料的基准值。
26.根据本发明实施例提出的复合材料基准值计算方法，用户只需提供相应复合材料力学数据，算法程序会自动筛选合理的数据类型，最终计算出最合理的复合材料基准值。
27.结合表1，举例了复合正态分布的复合材料性能数据，且样本数量在3-20区间情况下，利用本发明的单侧容限系数计算方法计算得到的单侧容限系数与航标发布值的对比表。
28.表1由表1可以看出，当样本数量很小时，尤其在小于6个试样的条件下，航标单侧容限系数随样本数量的减少变化幅度急剧，计算出的单侧容限系数绝对值过大，计算出的基准值相对于真值的误差较大。而本专利中所述方法计算结果变化平缓，单侧容限系数的绝对
值增幅平稳，其计算出的基准值更加接近实际真值。
29.结合表2，举例了样本数量在3-20区间内复合材料性能数据，利用本发明计算单侧容限系数的方法，计算不同可靠度的单侧容限系数。
30.表2由表2可看出，在95%置信度的前提下，可以通过本专利的算法改变百分位点取值，输出不同百分位点的单侧容限系数，适用于不同行业对复合材料基准值的要求。此外，单侧容限系数的绝对值变化趋于平缓，计算出的基准值也更加接近真实值。
31.本发明中，对于符合正态分布的复合材料性能数据，根据样本数量不同，选择不同的单侧容限系数算法，同时，还可根据复合材料的适用领域和不同领域的基准值要求，输出不同百分位点的单侧容限系数，可降低复合材料性能计算值与真值的误差。
32.本发明实施例还提供了一种的复合材料基准值计算系统，该系统包括数据获取模块、数据判定模块、数据计算模块和数据输出模块。
33.数据获取模块用于检索并获取数据库中的复合材料力学强度性能数据。
34.数据判定模块用于复合材料数据的异常值检测、批间变异性检测和拟合优度检测，并判断数据结构类型。
35.数据计算模块用于对不同样本数据大小计算单侧容限系数，并利用处理非结构型数据的方法计算不同条件下的基准值。
36.所述输出模块用于输出不同百分位值下的复合材料基准值。
37.本系统采用了自主开发的htimat系统平台，使用tcl程序设计语言实现。
38.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替代、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种复合材料基准值计算方法，包括以下步骤：步骤1：检索并获取数据库中不同批次复合材料性能数据；步骤2：检测不同批次的复合材料性能数据，筛选出不满足预设条件的异常数据并修正，输出合理的性能数据，步骤3：根据合理的复合材料性能数据类型，计算出最合理的复合材料基准值；其特征在于所述步骤3 的复合材料性能数据类型若符合非结构型数据且满足正态分布模型，则采用正态性单侧容限系数算法计算复合材料基准值。2.根据权利要求1所述的一种复合材料基准值计算方法，其特征在于所述正态性单侧容限系数算法计算复合材料基准值包括以下步骤：步骤3.1：计算单侧容限系数；设样本数量为n，设是样本x1,x2,
…
,x
n
来自正态分布不同百分位点的简单随机样本的单侧容限系数，根据样本数量大小采用对应的表达式计算单侧容限系数；a. 当n≤20时，非中心t分布的分位数可近似表示为:式中：
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为标准正态分布的分位数；
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；复合材料的单侧容限系数一般表达式可由非中心t分布分位数的 确定，因此计算公式如下：式如下：；b. 当20＜n＜100时，复合材料的单侧容限系数计算公式如下：式中，为可靠度为p的标准正态偏量；为t分布的百分位数；在95置信度下，γ=0.95，p为任意概率；c. 当n>100时，此时样本为标准样本，引入单侧容限系数的近似公式，复合材料的单侧容限系数 的一般表达式为：式中：
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分别为不同概率条件下的系数；计算a的基准值时：计算b的基准值时：步骤3.2：根据计算出的单侧容限系数，计算并输出复合材料的基准值，正态分布模型下复合材料基准值的一般表达式为：
式中， 为样本均值， 为不同样本数量下的单侧容限系数；s为样本标准差。3.根据权利要求1所述的一种复合材料基准值计算方法，其特征在于所述步骤1包括对复合材料的数据进行正则化判定、批次数和离散系数判定，获取合理的性能数据。4.根据权利要求1所述的一种复合材料基准值计算方法，其特征在于所述步骤2包括：步骤2.1：利用mnr法判定样本数据中是否存在异常值，并对异常数据进行修正和判定，直至获得所述算法要求的数据类型；步骤2.2：利用anderson-darling法判断数据是否来自于同一母体，如果数据来自于同一母体，则为非结构型数据，执行步骤2.3进一步判断；如果数据来自于不同母体，则为结构型数据，执行步骤2.4进一步判断；步骤2.3：对于非结构型数据，利用拟合优度检验（osl法），判断复合材料性能数据的分布类型；若符合正态分布，执行步骤3的单侧容限系数计算；若不符合正态分布，则采用方差等同性方法计算复合材料基准值；步骤2.4：对于结构型数据，利用levene检验判断复合材料性能数据的方差等同性，若等同，则后续采用方差分析法计算复合材料基准值，若不等同，则无法计算。5.一种复合材料基准值的计算系统，其特征在于，所述系统包括数据获取模块、数据判定模块、数据计算模块。6.根据权利要求5所述的计算系统，其特征在于，所述数据获取模块，具体用于：检索并获取数据库中的复合材料的性能数据。7.根据权利要求5所述的计算系统，其特征在于，所述数据判定模块，具体用于：复合材料数据的异常值检测、批间变异性检测和数据类型，并进行拟合优度检测。8.根据权利要求5所述的计算系统，其特征在于，所述数据计算模块，具体用于：对不同样本数据大小计算单侧容限系数，并利用处理非结构型数据的方法计算不同条件下的基准值。9.根据权利要求5-8任一所述的计算系统，其特征在于，所述系统还包括数据输出模块，具体用于：输出正态性单侧容限系数算法和其他计算方法的复合材料基准值。10.根据权利要求9所述的计算系统，其特征在于计算程序适用于b/s架构的管理系统。

技术总结
本发明公开了一种复合材料基准值计算方法，包括步骤1检索并获取数据库中不同批次复合材料性能数据；步骤2检测不同批次的复合材料性能数据，筛选出不满足预设条件的异常数据并修正，输出合理的性能数据，步骤3根据合理的复合材料性能数据类型，计算出最合理的复合材料基准值；所述步骤3根据拟合优度检验确定数据的分布类型，并引入针对母体不同样本数量下采用不同的正态性单侧容限系数计算方法，再计算不同百分位点下的复合材料基准值，输出适用于不同领域的复合材料基准值。从而避免了单侧容限系数绝对值随样本数量的改变而引起的急剧变化，降低计算的置信下限相对真值的偏离误差。差。差。


技术研发人员：顾勇涛 宋东辉 蔡扬扬 沈清华 张宇
受保护的技术使用者：江苏亨睿碳纤维科技有限公司
技术研发日：2022.11.30
技术公布日：2023/9/23