焊接變形主要分為橫縱向收縮、彎曲、角變形等多種類(lèi)型,是焊接結(jié)構(gòu)制造時(shí)最常見(jiàn)、最多的質(zhì)量問(wèn)題。一般情況下,焊接變形主要受設(shè)計(jì)相關(guān)量和制造相關(guān)量?jī)蓚€(gè)因素影響。焊接變形預(yù)測(cè)是針對(duì)焊接變形提出的預(yù)測(cè)方案,在焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)及使用領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。雖然我國(guó)焊接變形預(yù)測(cè)技術(shù)仍存在一定的滯后性,但結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的焊接變形預(yù)測(cè)使焊接力學(xué)計(jì)算得到進(jìn)一步發(fā)展,使熱彈塑性有限單元法和固有應(yīng)變法得到廣泛應(yīng)用,使我國(guó)焊接變形預(yù)測(cè)再次得到空前發(fā)展。
海洋工程和船舶焊接變形的研究始于上個(gè)世紀(jì)末期,尤其是近年來(lái)對(duì)機(jī)理的研究以及變形量預(yù)測(cè)技術(shù)的研究使我國(guó)焊接變形預(yù)測(cè)理論體系趨于成熟。目前,對(duì)于大型結(jié)構(gòu)焊接變形預(yù)測(cè)理論發(fā)展過(guò)程主要分為以下幾個(gè)階段。
計(jì)算初始階段仍以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的焊接或簡(jiǎn)單的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)依據(jù),對(duì)于統(tǒng)計(jì)公式或曲線都處于理想化狀態(tài)[1]。直至70年代,才開(kāi)始將研究重點(diǎn)逐步轉(zhuǎn)向焊接變形預(yù)測(cè)解析模擬方向,例如日本學(xué)者Ueda等提出的固有應(yīng)變的理念概述,對(duì)焊接變形預(yù)測(cè)以彈塑性解析法為基礎(chǔ),并加以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,是這個(gè)階段最為杰出成果。
國(guó)內(nèi)對(duì)于此方面的研究始于80年代初,田錫唐等人對(duì)焊接變形以及控制,并對(duì)環(huán)焊變形的規(guī)律等方面也進(jìn)行了深入研究。初始階段的焊接變形預(yù)測(cè)在大型海洋工程和船舶等方面應(yīng)用非常有限,不僅是因其實(shí)驗(yàn)規(guī)模小、公式簡(jiǎn)單,與實(shí)際情況差異很大,同時(shí)也受大型工程板架復(fù)雜的結(jié)構(gòu),及外界環(huán)境因素的影響。
計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及有限元方法的應(yīng)用在20世紀(jì)70年代后實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜有限元運(yùn)算,隨后基于線彈性有限元固有應(yīng)變模型逐步得到發(fā)展,將焊接變形預(yù)測(cè)技術(shù)推進(jìn)模型分析發(fā)展階段。到90年代在中小型焊接結(jié)構(gòu)中彈性-塑性有限元的殘余應(yīng)力及變形分析技術(shù)已成熟,但對(duì)于像海洋工程這樣的大型、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建造實(shí)際應(yīng)用仍待提高[2]。之后有學(xué)者將固有應(yīng)變的有限元分析形成多道焊接及具有復(fù)雜變形數(shù)值模擬的三維變形模式。
我國(guó)鹿按理等人對(duì)移動(dòng)熱源模型在海洋工程等大型焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用進(jìn)行過(guò)詳細(xì)研究。目前,計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬已成為定量研究重要手段,作為預(yù)測(cè)技術(shù)、焊接變形控制、減小殘余應(yīng)力的工具,其在海洋工程等大型建造中應(yīng)用還存在一定的差距。
通過(guò)以上兩個(gè)發(fā)展階段發(fā)現(xiàn),在實(shí)際應(yīng)用中尤其是大型焊接結(jié)構(gòu),焊接變形預(yù)測(cè)技術(shù)與現(xiàn)實(shí)脫節(jié),因此,有些學(xué)者開(kāi)始結(jié)合現(xiàn)代新型數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)大型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、探討,以期利用多種算法探索著大型海洋工程和船舶建造時(shí)數(shù)據(jù)間的規(guī)律,為研究新型焊接變形預(yù)測(cè)技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。當(dāng)前,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究最為顯著,且已經(jīng)在人工智能、大數(shù)據(jù)處理等領(lǐng)域取得良好的成果。
我國(guó)在90年代末逐步開(kāi)始研究海洋工程和船舶建造時(shí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用。劉玉君等人已通過(guò)對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提高海洋工程和船舶建造是焊接變形預(yù)測(cè)的精度,并對(duì)其改進(jìn)做了詳細(xì)探討。對(duì)于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為預(yù)測(cè)工具的效果已在業(yè)界達(dá)成一致認(rèn)可,尤其是在大型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)建造中對(duì)大型數(shù)據(jù)分析處理具有明顯優(yōu)勢(shì),并在高精度工程中發(fā)揮重要作用。
對(duì)于焊接變形預(yù)測(cè)最常用、最重要的方法就是熱彈塑性有限元法,不僅具有同步分析多種影響因素的優(yōu)勢(shì),同時(shí)也可以計(jì)算復(fù)雜的大型數(shù)據(jù),模擬基于力學(xué)行為的大型焊接結(jié)構(gòu)[3]。對(duì)于焊接變形應(yīng)著重分析顯微組織變化情況,液固相變化是否影響熱力過(guò)程,變形場(chǎng)等,其模擬時(shí)需對(duì)幾何、材料、狀態(tài)等非線性屬性綜合分析。其中幾何方面要對(duì)非線性、建模類(lèi)型、單元閉鎖現(xiàn)象、建筑加密網(wǎng)格等方面研究;對(duì)于材料不僅考慮其溫度相關(guān)性,也要考慮焊接變形熱彈塑性有限元模擬時(shí)的率無(wú)關(guān)性塑性和溫度與本構(gòu)的影響關(guān)系;狀態(tài)即單元活動(dòng)的“生”與“死”狀態(tài)。
固有應(yīng)變法與熱彈塑性模擬不同,其以完整的焊接結(jié)構(gòu),合理的焊接變形模擬建立計(jì)算方法為基礎(chǔ)依據(jù),同時(shí)集熱應(yīng)變、塑性應(yīng)變與相變應(yīng)變?nèi)哂谝惑w。一般情況下,固有應(yīng)變是塑性應(yīng)變與相變應(yīng)變兩者殘余量總和,即是在焊縫及其影響區(qū)零散分布的焊接殘余應(yīng)力源以及焊接變形源。在焊接變形實(shí)際應(yīng)用中固有應(yīng)變法又分為板殼單元和三維實(shí)體單元的固有應(yīng)變法,其中板殼單元的計(jì)算結(jié)果、網(wǎng)絡(luò)劃分要比三維實(shí)體單元的更科學(xué)、更精準(zhǔn)、更簡(jiǎn)單,這也是在中小型厚度焊接結(jié)構(gòu)中計(jì)算焊接變形的變形度時(shí)板殼單元固有應(yīng)變法優(yōu)于三維實(shí)體單元固有應(yīng)變法的根本原因[4]。
焊接變形優(yōu)化設(shè)計(jì)以有限元為基礎(chǔ)以研究焊接變形相關(guān)的控制技術(shù)一種重要的方法,也是重點(diǎn)研究焊接變形優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)、焊接變形設(shè)計(jì)變量影響的重要手段。目前,焊接變形優(yōu)化設(shè)計(jì)要是對(duì)焊接順序和焊接熱過(guò)程的優(yōu)化。其中焊接順序直接對(duì)薄壁面板結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響引起焊接變形,學(xué)術(shù)界對(duì)焊接順序的優(yōu)化主要是利用接頭剛度法為依據(jù)進(jìn)行優(yōu)化研究;焊接熱過(guò)程優(yōu)化主要以有限元、靈敏性分析、非線性程序設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)理論將焊接熱過(guò)程實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)焊接的優(yōu)化研究,例如在焊縫設(shè)計(jì)加熱帶,優(yōu)化其尺寸進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降低焊接變形發(fā)生率的目的。
隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的不斷發(fā)展,使工程人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展已趨于成熟,且已成為研究大型建造焊接變形預(yù)測(cè)技術(shù)的新突破點(diǎn)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種模型生物學(xué)神經(jīng)系統(tǒng)的并行、分布型的大型處理器,由簡(jiǎn)單、繁多的處理單元組成,以輸入?yún)?shù)和輸出變形量為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)建模,并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)自學(xué)特點(diǎn)對(duì)各節(jié)點(diǎn)權(quán)值調(diào)節(jié)新輸入和新輸出,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)焊接變形預(yù)測(cè)[5]。目前在海洋工程和船舶建造焊接變形預(yù)測(cè)方面得到廣泛應(yīng)用,尤其是BP前饋型網(wǎng)絡(luò)模型的應(yīng)用范圍最廣,且已取得良好的應(yīng)用效果。
基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的新型焊接變形預(yù)測(cè)理論仍存在一些不足,例如網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性和泛化性并不能達(dá)到理想的效果,尤在BP網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)擬預(yù)測(cè)時(shí)對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)多少節(jié)點(diǎn)數(shù)無(wú)法掌握,這就造成網(wǎng)絡(luò)與擬合間存在差異,對(duì)兩者間的平穩(wěn)點(diǎn)無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算致使網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性較差。雖然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在焊接變形預(yù)測(cè)技術(shù)方面存在一些不足,不可否認(rèn),作為新型焊接變形預(yù)測(cè)的重點(diǎn)研究方向具有重要意義。
綜上所述,焊接變形預(yù)測(cè)技術(shù)對(duì)海洋工程和船舶建造大型焊接結(jié)構(gòu)精度控制技術(shù)具有重要意義。對(duì)焊接變形原理、規(guī)律的不斷研究,找出其相應(yīng)、高效、科學(xué)的控制方法是當(dāng)前焊接結(jié)構(gòu)制造重要工作。
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