FCB法拼板補償量計算研究

許仁堂， 柳存根

(1.上海外高橋造船有限公司，上海 200137；2.上海交通大學，上海 200240)

0 引 言

作為現(xiàn)代船舶建造的關鍵技術之一，船舶精度控制以船體建造精度標準為基本原則，通過先進的科學管理方法對船體建造各個階段的尺寸精度進行分析與控制，減少由于精度誤差帶來的作業(yè)調整，降低船廠的人力、物力消耗，提高勞動效率。補償量全面取代余量，實施無余量造船是船舶建造精度技術取得飛躍發(fā)展的重要標志。補償量加放的準確度，很大程度取決于對焊接變形預測的準確性。以焊劑銅墊(Fluxe Cuprum Behind，F(xiàn)CB)法拼板為例，利用多元線性回歸方法對FCB法拼板進行回歸分析，得出回歸方程。同時，建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡預測模型，得出焊接收縮預測值與期望值的差值圖。比較2種方法的誤差，選出較為精確的預測方法，得出在固定焊接參數(shù)下不同板厚FCB拼板補償量的加放標準。

1 FCB法拼板焊接收縮計算模型

FCB是一種單面焊接雙面成型的高效焊接方法，與傳統(tǒng)的焊接方法相比，減少了拼板翻身的工序。由于其焊接效率高及質量穩(wěn)定的特點，目前大多船廠的平直分段拼板縫均采用FCB法焊接。

按照WPS焊接工藝，焊接工藝參數(shù)為焊材YDL-Φ6.4，焊劑NSH-50M/NSH-1RM,電壓范圍為33～45 V，電流范圍為1 050～1 180 A，焊接速度為460～540 mm/min。

建立FCB焊接收縮模型(見圖1)，在實際生產(chǎn)中，選取4個自變量分別為板厚t，電壓U,電流I，焊接速度υ，因變量為焊接收縮Δl。共采集117組數(shù)據(jù)，其中110組為樣本數(shù)據(jù)，7組為測試數(shù)據(jù)。分別采用回歸分析方法及BP神經(jīng)網(wǎng)絡進行計算。

2 多元線性回歸法對焊接變形的預測

利用實測的FCB法焊接收縮數(shù)據(jù)，對焊接變形多元線性進行回歸分析。自變量分別為板厚t，電壓U,電流I，焊接速度υ，因變量為焊接收縮Δl。利用excel數(shù)據(jù)處理工具，進行線性回歸分析。

線性回歸的方程為

Δl=2.670 1-0.103 7t+0.080 2U+0.003 71I-0.006 1v

(1)

對線性回歸方程進行檢驗及方差分析(見表1)。由表1可知，計算值F=481，顯然F?F0.95(4,114)，因此拒絕β1=β2=β3=β4=β5=0,說明多元線性回歸模型正確。由回歸統(tǒng)計表和方差分析表可知，R≈0.973,P{F>F0.95(4,114)}≈1.099×10-68，說明多元線性回歸是合理的，可用來預測FCB法拼板的焊接收縮變形，求出拼板的補償量。

表1 方差分析表

3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡預測焊接變形

BP神經(jīng)網(wǎng)絡又稱為反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡，是一種多層前饋網(wǎng)絡。其主要特點是信息正向傳播，誤差反向傳遞。在信息向前傳遞的過程中，從輸入層到隱含層再到輸出層，如果輸出層得不到期望輸出，則轉入反向傳播，通過不斷地調整權值和閾值，使得輸出層不斷逼近期望輸出。

在船舶焊接領域，由于焊接變形是多物理場耦合的過程，具有非線性及時變性等特點，用物理計算法將耗費大量時間，且精度不高。由于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的自主學習能力和自動組織能力，擅長處理隱藏在數(shù)據(jù)背后的非線性的映射逼近問題，可用BP神經(jīng)網(wǎng)絡較為精確地預測焊接變形和焊接輸入?yún)?shù)間的復雜關系，計算出補償量。

表2 不同隱含節(jié)點數(shù)的輸出誤差對比表 %

由表2可知，當隱含層節(jié)點數(shù)為11時，預測相對誤差最小為2.39%。因此，選取隱含層節(jié)點數(shù)l=11。

選取3層4×11×1的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(見圖2)，收集117組焊接收縮數(shù)據(jù)，其中110組為學習數(shù)據(jù)，7組為測試數(shù)據(jù)。

對數(shù)據(jù)進行歸一化處理，選用tansig傳遞函數(shù)，trainrp為網(wǎng)絡訓練函數(shù)，設置訓練精度目標10-3mm,編制MATLAB程序，輸出預測值和望值對比圖和誤差收斂圖(見圖3和圖4)。

4 兩種預測焊接變形方法的誤差對比

BP神經(jīng)網(wǎng)絡預測誤差與多元線性回歸分析預測誤差對比見表3。

表3 BP預測與回歸預測誤差對比表

由表3可知，BP神經(jīng)網(wǎng)絡預測平均相對誤差2.39%，回歸分析平均誤差誤差5.00%，BP神經(jīng)網(wǎng)絡較回歸分析預測誤差要小，在實際焊接收縮預測中具有較高的參考價值。

利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡來預測在固定焊接參數(shù)下，不同板厚的焊接收縮，從而計算出補償量。設固定焊接參數(shù)中電壓U=40 V,電流I=1 100 A，焊接速度υ=500 mm/min，通過輸入實測數(shù)據(jù)，編制MATLAB程序，BP預測結果(見表4)。焊接收縮預測值可用做不同板厚的FCB法拼板的補償量標準。

表4 不同板厚的焊接收縮預測 mm

5 結 語

BP神經(jīng)網(wǎng)絡在預測FCB拼板焊接收縮精度較高，誤差較小，可應用在船體精度控制補償量分析計算中。

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