Refinement and accuracy control of the solution method for the durability problem of a corroding structure using neural network

Abstract

EN: Context. The prediction of the time until failure of corroding hinge-rod structures is a crucial component in risk management across various industrial sectors. An accurate solution to the durability problem of corroding structures allows for the prevention of undesired consequences that may arise in the event of an emergency situation. Alongside this, the question of the effectiveness of existing methods for solving this problem and ways to enhance them arises. Objective. The objective is to refine the method of solving the durability problem of a corroding structure using an artificial neural network and establish accuracy control. Method. To refine the original method, alternative sets of input data for the artificial neural network which increase information about the change in axial forces over time are considered. For each set of input data a set of models is trained. Based on target metric values distribution among the obtained sets, a set is selected where the minimum value of the mathematical expectation of the target metric is achieved. For the set of models corresponding to the identified best set, accuracy control of the method is determined by establishing the relationship between the mathematical expectation of the target metric and the parameters of the numerical solution. Results. The conditions under which a lower value of the mathematical expectation of the target metric is obtained compared to the original method are determined. The results of numerical experiments, depending on the considered case, show, in average, an improvement on 43.54% and 9.67% in the refined method compared to the original. Additionally, the proposed refinement reduces the computational costs required to find a solution by omitting certain steps of the original method. An accuracy control rule of the method is established, which allows to obtain on average a given error value without performing extra computations. Conclusions. The obtained results indicate the feasibility of applying the proposed refinement. A higher accuracy in predicting the time until failure of corroding hinge-rod structures allows to reduce the risks of an emergency situation. Additionally, accuracy control enables finding a balance between computational costs and the accuracy of solving the problem. UK: Актуальність. Прогнозування часу виходу з ладу кородуючих шарнірно-стрижневих конструкції є важливою складовою управління ризиками багатьох сфер промисловості. Точний розв’язок задачі довговічності кородуючої конструкції дозволяє попередити ряд небажаних наслідків, що виникають у разі настання аварійної ситуації. Разом з цим постає питання ефективності існуючих методів розв’язання даної задачі та способів їх покращення. Мета роботи полягає в уточненні методу розв’язання задачі довговічності кородуючої конструкції із використанням штучної нейронної мережі і встановлення керованості за точністю. Метод. Для уточнення оригінального методу розглядаються альтернативні набори вхідних даних для штучної нейронної мережі, що дозволяють збільшити інформацію про зміну осьових зусиль у часі. Для кожного набору вхідних даних навчається множина моделей. На основі розподілів значень цільової метрики моделей із отриманих множин обирається набір, на якому досягається найменше значення математичного сподівання цільової метрики. Для множини моделей, що відповідає знайденому найкращому набору, визначається керованість за точністю методу шляхом встановлення залежності між математичним сподіванням цільової метрики і параметрами чисельного розв’язання. Результати. Визначено умови, за яких отримано менше значення математичного сподівання цільової метрики порівняно з оригінальним методом. Результати чисельних експериментів, в залежності від розглядуваного випадку, показують в середньому на 43.54% і 9.67% кращі результати уточненого методу порівняно з оригінальним. Окрім цього, запропоноване уточнення зменшує необхідні для знаходження розв’язку обчислювальні витрати за рахунок відмови від деяких кроків оригінального методу. Отримано закон керованості методу за точністю, який дозволяє в середньому отримувати задане значення похибки без виконання зайвих обчислень. Висновки. Отримані результати свідчать про доцільність застосування запропонованого уточнення. Більш висока точність прогнозування часу виходу з ладу кородуючих шарнірно-стрижневих конструкцій дозволяє зменшити ризики настання аварійних ситуацій, а керованість за точністю – знаходити баланс між обчислювальними витратами і точністю розв’язання задачі.