基于可靠性保證參數(shù)的船體焊接工藝參數(shù)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)探索

文 | 中國(guó)船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院 韓新宇 方 潁

基于可靠性保證參數(shù)的船體焊接工藝參數(shù)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)探索

文 | 中國(guó)船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院 韓新宇 方 潁

提出了艦船建造可靠性保證參數(shù)的概念及計(jì)算方法，給出了基于灰決策分析的工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并給出了某工藝條件下船體焊接工藝參數(shù)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例。

焊接工藝；可靠性；灰決策分析

1.言

船體焊接工藝參數(shù)是確保焊縫質(zhì)量的重要因素，目前焊接工藝參數(shù)常用的設(shè)計(jì)方法有數(shù)學(xué)模型計(jì)算法、試驗(yàn)評(píng)定法、經(jīng)驗(yàn)法等。這些方法大都從保證工藝質(zhì)量的角度出發(fā)，沒(méi)有考慮工藝可靠性的要求。此外，對(duì)于船體焊接工藝來(lái)講，電弧電壓、焊接電流、焊接速度之間相互聯(lián)系，尋找這些工藝參數(shù)的最佳組合引起廣泛關(guān)注。

本文對(duì)基于可靠性保證參數(shù)的焊接工藝參數(shù)可靠性設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了探索性研究，旨在原有定量設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上將影響因素可靠性保證參數(shù)和生產(chǎn)目標(biāo)作為考慮因素，尋找基于可靠性要求的相對(duì)最優(yōu)的工藝參數(shù)組合，利用實(shí)例數(shù)據(jù)得出了設(shè)計(jì)結(jié)果。

2.靠性保證參數(shù)

2.1.靠性保證參數(shù)的概念

工藝過(guò)程可靠性的主要工作是防止降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段所設(shè)計(jì)的固有可用性和維修性水平。假設(shè)設(shè)計(jì)階段某產(chǎn)品的固有可靠性為R，最終交付產(chǎn)品的固有可靠性為R'，則兩者之間存在如下關(guān)系：

R' = C ·R

其中C即為工藝過(guò)程可靠性的保證參數(shù)，0＜C≤1。

2.2.船建造過(guò)程可靠性保證參數(shù)的計(jì)算

產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中固有可靠性的降低是受各種可靠性影響因素的影響，設(shè)生產(chǎn)該產(chǎn)品某工藝有j個(gè)可靠性影響因素，可靠性影響因素對(duì)該工藝的影響體現(xiàn)在影響程度ωj和發(fā)生概pj兩個(gè)方面，由此引入可靠性影響因素對(duì)工藝的敏感性因子為該影響因素影響程度和發(fā)生概率的乘積用Sj表示：

Sj=ωj·pj

艦船建造過(guò)程是一個(gè)龐大的工藝體系，記各工藝或過(guò)程對(duì)艦船最終產(chǎn)品的敏感性因子為Si，其中某工藝第j個(gè)影響因素對(duì)該工藝的敏感性因子為Sij，i表示工藝或過(guò)程的序號(hào)，j表示i工藝影響因素的個(gè)數(shù)。

單個(gè)影響因素的對(duì)艦船產(chǎn)品保證參數(shù) 的計(jì)算式為：

假設(shè)艦船建造過(guò)程影響可靠性較大的工藝或過(guò)程數(shù)量為m，建造過(guò)程的可靠性保證參數(shù)為：

3.于灰決策分析的工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

船體焊接工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)旨在原有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上將影響因素可靠性保證參數(shù)和生產(chǎn)目標(biāo)作為考慮因素，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，尋找基于可靠性要求的相對(duì)最優(yōu)的工藝參數(shù)組合，這就涉及到多個(gè)目標(biāo)多個(gè)參數(shù)的評(píng)價(jià)問(wèn)題?；疑謩?shì)決策正是專門解決灰色系統(tǒng)多目標(biāo)決策問(wèn)題的一種方法。其基本思想是通過(guò)對(duì)由事件集和對(duì)策集組成的局勢(shì)集進(jìn)行數(shù)學(xué)分析后在局勢(shì)集中選擇最優(yōu)局勢(shì)。運(yùn)用灰色決策理論可以使評(píng)價(jià)各種方案的多方面因素的相互間互補(bǔ)的、不可比的指標(biāo)，成為可比的、可量化的，特別是對(duì)于多評(píng)價(jià)指標(biāo)的系統(tǒng)方案選擇，灰色決策提供了一個(gè)可行的方法。基于灰決策分析的工藝參數(shù)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的步驟為：

3.1.定設(shè)計(jì)要素和可靠性保證參數(shù)目標(biāo)

明確所要設(shè)計(jì)得工藝參數(shù)和可靠性保證參數(shù)目標(biāo)。選擇影響因素的可靠性保證參數(shù)時(shí)，一方面要考慮影響因素受工藝參數(shù)影響較大，另一方面要考慮影響因素的可測(cè)量性。

3.2.定工藝參數(shù)組合方案

由于在實(shí)際操作過(guò)程中焊接工藝參數(shù)會(huì)受各種因素包括焊接部位、焊接材料以及焊接環(huán)境等的影響，因此在現(xiàn)有的工藝文件中，也只給出了各種焊接方式的工藝參數(shù)的范圍，施工人員在施工前還會(huì)在所規(guī)定的工藝參數(shù)范圍內(nèi)確定即將使用的工藝參數(shù)，因此選擇工藝參數(shù)為何值時(shí)進(jìn)行操作就具有很大的不確定性。確定工藝參數(shù)組合方案時(shí)，根據(jù)工藝參數(shù)適用區(qū)間范圍的大小，將工藝參數(shù)平均分為若干個(gè)水平，采用正交設(shè)計(jì)的思想得出不同的工藝參數(shù)組合方案。

3.3.定事件、對(duì)策、局勢(shì)和目標(biāo)

用A={a1,a2,...an}表示事件集，還要確定解決這一事件的措施或方法即對(duì)策，用B={b1,b2,...bn}表示對(duì)策集，即事件集中每一事件相應(yīng)的所有可能的方案。局勢(shì)是事件和對(duì)策的二元組合，局勢(shì)集可以用S=A×B={(ai, bi) | ai∈A , bi∈B}來(lái)表示。目標(biāo)是評(píng)價(jià)局勢(shì)優(yōu)劣的根據(jù)和要求，即評(píng)價(jià)用這個(gè)對(duì)策對(duì)付這一事件效果的準(zhǔn)則或尺度。進(jìn)行可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)要以可靠性保證參數(shù)為目標(biāo)之一。

3.4.出局勢(shì)效果樣本

在一定目標(biāo)下局勢(shì)的數(shù)字表現(xiàn)，稱為局勢(shì)的效果樣本即分別給出各個(gè)方案在不同目標(biāo)下的值，針對(duì)可靠性保證參數(shù)目標(biāo)，要通過(guò)具體的計(jì)算得到。

3.5.認(rèn)目標(biāo)極性，作效果測(cè)度變換

對(duì)一定目標(biāo)下的效果樣本，其數(shù)值大小的要求稱為該目標(biāo)的極性，目標(biāo)極性通常有：極大值極性、極小值極性和適中值極性。

極大值極性是指希望某目標(biāo)下效果樣本的值越大越好即正極性目標(biāo)；極小值極性是指希望某目標(biāo)下效果樣本的值為越小越好，即負(fù)極性目標(biāo)。適中值目標(biāo)是指某目標(biāo)下的效果樣本，不希望太大也不希望太小，而希望取某一個(gè)適中值，則為適中值目標(biāo)。

4.體焊接工藝參數(shù)優(yōu)化實(shí)例

實(shí)例以某船船體焊接手工電弧焊工藝為應(yīng)用對(duì)象，工藝條件如表1所示，在該條件下收集了100組不同工藝參數(shù)下余高和焊縫寬度數(shù)據(jù)篇幅有限部分?jǐn)?shù)據(jù)見(jiàn)表2。

4.1.計(jì)要素

本例中的設(shè)計(jì)要素為焊接電流、焊接電壓和焊接速度。焊接缺陷是焊接工藝可靠性的影響因素,因此焊接工藝缺陷也有相應(yīng)的可靠性保證參數(shù), 余高系數(shù)是反映焊縫尺寸且隨工藝參數(shù)變化明顯的一個(gè)重要可測(cè)物理量，余高系數(shù)不合理會(huì)引起焊縫形狀尺寸缺陷，使焊接接頭強(qiáng)度降低，影響焊縫的可靠性，計(jì)算方法為：余高系數(shù)＝焊縫寬度/余高。實(shí)例中以余高系數(shù)可靠性保證參數(shù)作為目標(biāo)1，顯然目標(biāo)1具有極大值屬性。

4.2.定備選方案

將船體焊接工藝參數(shù)分為不同的水平，如表3所示。

根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的思想，將以上不同水平的工藝參數(shù)進(jìn)行組合，得到9組工藝參數(shù)的組合方案，如表4。

4.3.定事件、對(duì)策和局勢(shì)

三是專業(yè)的方法。注重發(fā)揮財(cái)稅政策的獎(jiǎng)勵(lì)懲戒作用和健全金融機(jī)構(gòu)內(nèi)部的激勵(lì)約束機(jī)制。堅(jiān)持債權(quán)債務(wù)雙管齊下，從政府端和金融端協(xié)同治理地方政府隱性債務(wù)，防范系統(tǒng)性金融風(fēng)險(xiǎn)；針對(duì)小微企業(yè)融資難融資貴問(wèn)題，聚焦金融機(jī)構(gòu)對(duì)小微企業(yè)融資意愿不強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)，從改善公司治理、增強(qiáng)內(nèi)生動(dòng)力的角度入手，深入研究金融機(jī)構(gòu)績(jī)效考核激勵(lì)機(jī)制。

本例中事件為A={焊接工藝參數(shù)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)}，方案bi，i =1, 2, 3, ... , 8, 9為對(duì)策，有局勢(shì)為：

s1=(a, b1)=(a,{22-24，90-100,90-100});

s2=(a, b2)=(a,{22-24，100-110, 100-110});

s3=(a, b3)=(a,{22-24，110-120,110-115});

s4=(a, b4)=(a,{22-24，90-100, 100-110});

s5=(a, b5)=(a,{22-24，100-110, 110-115 });

表1.例工藝條件

表2.分船體焊接工藝參數(shù)和焊縫尺寸數(shù)據(jù)

表3.體焊接工藝實(shí)例工藝參數(shù)的不同水平值

表4.接工藝實(shí)例工藝參數(shù)局勢(shì)

4.4.定目標(biāo)及其極性

本例中目標(biāo)及其極性如下：

表5.接工藝實(shí)例的局勢(shì)的效果樣本

目標(biāo)1α1，焊接工藝余高系數(shù)可靠性保證參數(shù)為極大值目標(biāo)。

目標(biāo)2α2，生產(chǎn)效率為極大值目標(biāo)。

4.5.算局勢(shì)效果樣本作效果測(cè)度變換

設(shè)x={x1, x2, ... , xn}為工藝參數(shù)x在規(guī)定區(qū)間變化各值的集合，對(duì)應(yīng)的余高系數(shù)的保證參數(shù)集合為c={c1, c2,... , cn}，與工藝參數(shù)集合x對(duì)應(yīng)的余高系數(shù)的影響程度集合為ω={ω1, ω2, ... , ωn}、發(fā)生概率集合為p={p1, p2, ... ,pn}，焊接工藝對(duì)艦船產(chǎn)品的敏感性因子為S，則可靠性保證參數(shù)的計(jì)算式為ci= 1- S·ωi· pi。利用所收集的100組不同工藝參數(shù)下余高和焊縫寬度數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析后可得出余高系數(shù)的發(fā)生概率，以余高偏差值作為其影響程度計(jì)算。由此可得出各方案在目標(biāo)1下的效果，目標(biāo)2的效果以各方案焊接速度的平均值計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

由式3計(jì)算α1和α2的上限效果測(cè)度如表6。

4.6.立統(tǒng)一效果測(cè)度空間

統(tǒng)一效果測(cè)度算式為：

焊接電壓：U = 22～24 (V)

焊接電流：I = 110～120 (A)

焊接速度：V = 110～115 (mm/min)

表6.標(biāo)α1和α2的上限效果測(cè)度

表6.標(biāo)α1和α2的上限效果測(cè)度

5.結(jié)

船體焊接艦船建造一個(gè)重要的工藝環(huán)節(jié)。在實(shí)際生產(chǎn)中,焊接工藝參數(shù)選擇、制訂及優(yōu)化一直是人們十分關(guān)注的問(wèn)題。在以前的工作中,焊接工藝參數(shù)選擇、制訂及優(yōu)化主要依賴于實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn),可靠性不高,試驗(yàn)工作量很大，本文在可靠性保證參數(shù)的基礎(chǔ)上，探索了焊接工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了方法的可行性，但目前也僅針對(duì)余高等隨工藝參數(shù)變化較大的影響因素，對(duì)于無(wú)法測(cè)量且隨工藝參數(shù)變化不明顯的影響因素的分析方法還有待進(jìn)一步研究。

[1] 鄧聚龍，灰色系統(tǒng)理論教程[M].武漢：華中工學(xué)院出版社，1990

[2] 方立東等，焊接工藝參數(shù)優(yōu)化計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究 [J].江蘇船舶，2002（6）：29-30

[3] 陳伯蠡，焊接工程缺欠分析與對(duì)策[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006

Hull Welding Parameters Reliability Optimize Design Exploration Based on Reliability Ensure Parameter

The concept and calculation method of shipbuilding reliability parameter is put forward, reliability optimal design method of process parameters is given based on grey decision analysis. An example about reliability optimal design of shipwelding process parameters is presented under some process conditions.

welding process；reliability；grey decision analysis

韓新宇（1980～）山西太原人，工程師，主要從事艦船可靠性研究工作和艦船軟件測(cè)試工作。

方穎（1977～）遼寧鐵嶺人，高工，主要從事艦船可靠性研究工作。