Study on creep rate prediction model of compacted graphite cast iron under wide range of temperature and stress based on PHNN

MA Tian; JING Guoxi; XU Hongjing; TAO Shuai; DONG Changlong; HUANG Lirong; MA Teng

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2026.04.002

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Study on creep rate prediction model of compacted graphite cast iron under wide range of temperature and stress based on PHNN

·Experimental Research·Testing Technology· | 更新时间：2026-04-15

- Study on creep rate prediction model of compacted graphite cast iron under wide range of temperature and stress based on PHNN
- Journal of Mechanical Strength Vol. 48, Issue 4, Pages: 15-21(2026)
- 作者机构：
  
  1.河北工业大学机械工程学院，天津 300401
  2.天津市新能源汽车动力传动与安全技术重点实验室，天津 300401
  3.河北华北柴油机有限责任公司，石家庄 050081
- 作者简介：
  
  XU Hongjing, E-mail: xu_hongjing@126.com
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(52305257);Tianjin Science and Technology Project(22JCQNJC00110);Natural Science Foundation of Hebei Province(E2023202168)
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2026.04.002
  CLC： TG143.49
- Received：13 August 2024，
  
  Published：15 April 2026
- 稿件说明：
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马天，景国玺，许红静，等. 基于PHNN的宽幅温度和应力范围下蠕墨铸铁的蠕变速率预测模型研究［J］. 机械强度，2026，48（4）：15-21.

MA Tian，JING Guoxi，XU Hongjing，et al. Study on creep rate prediction model of compacted graphite cast iron under wide range of temperature and stress based on PHNN［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（4）：15-21.
马天，景国玺，许红静，等. 基于PHNN的宽幅温度和应力范围下蠕墨铸铁的蠕变速率预测模型研究［J］. 机械强度，2026，48（4）：15-21. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.04.002.

MA Tian，JING Guoxi，XU Hongjing，et al. Study on creep rate prediction model of compacted graphite cast iron under wide range of temperature and stress based on PHNN［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（4）：15-21. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.04.002.

摘要

目的

针对宽幅温度和应力范围下蠕墨铸铁最小蠕变速率预测现有模型仍存在较大误差的问题，开展预测方法优化研究，提升预测精度，拓展物理分层神经网络的适用场景。

方法

首先，基于450~550 ℃、100~300 MPa条件下蠕墨铸铁（Compacted Graphite Cast Iron

CGI）气缸盖材料的单向拉伸蠕变试验数据，分析温度与应力对最小蠕变速率的影响规律，明确核心影响因素；其次，搭建适配蠕变试验特性的物理分层神经网络（Physical Hierarchical Neural Network

PHNN）预测模型，构建复合层与应力层的分层结构；然后，采用加和形式蠕变本构模型作为对照，通过模拟退火算法完成模型参数识别；最后，完成两类模型的预测效果对比与精度量化评估。

结果

结果表明，宽幅工况下，蠕墨铸铁蠕变性能呈显著分散性，温度对其蠕变损伤的影响程度高于应力；所建模型可将最小蠕变速率预测值全部约束于试验值的2倍误差带内，相较对照模型的3倍误差带，预测精度大幅提升；该模型可有效适配宽幅工况下的蠕变速率预测，拓展了其适用范围，为蠕墨铸铁高温蠕变性能分析提供参考。

Abstract

Objective

Aiming at the problem that existing models for predicting the minimum creep rate of compacted graphite cast iron under wide temperature and stress ranges still have large errors

optimization research on the prediction method was carried out to improve prediction accuracy and expand the application scenarios of the physical hierarchical neural network.

Methods

Firstly

based on uniaxial tensile creep test data of compacted graphite cast iron cylinder head material under 450-550 ℃ and 100-300 MPa

the influence law of temperature and stress on the minimum creep rate was analyzed

and the core influencing factors were clarified; secondly

a physical hierarchical neural network prediction model adapted to creep test characteristics was established

with a hierarchical structure of composite layer and stress layer constructed; thirdly

the summation form creep constitutive model was adopted as the control

and model parameter identification was completed by simulated annealing algorithm; finally

the prediction effect comparison and quantitative accuracy evaluation of the two models were completed.

Results

The results show that the creep properties of compacted graphite cast iron under wide working conditions show significant dispersion

and the influence of temperature on its creep damage is higher than that of stress. The established model can constrain all predicted values of the minimum creep rate within the 2-fold error band of the test values

and the prediction accuracy is greatly improved compared with the 3-fold error band of the control model. This model can effectively adapt to creep rate prediction under wide working conditions

expand its application scope

and provide reference for the analysis of high-temperature creep properties of compacted graphite cast iron.

关键词

Keywords

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RESEARCH ON CREEP TEST AND CONSTITUTIVE MODEL COMPARISON OF COMРАСTED GRAPHITE CAST IRON UNDER WIDE TEMPERATURE AND STRESS RANGE

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