海洋工程和船舶焊接變形預(yù)測(cè)方法的研究

屈輝輝 王金偉

摘要：在如今的船舶和海洋工程建設(shè)過(guò)程當(dāng)中，其中影響其質(zhì)量的主要原因就是焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量問題，而影響這一原因的關(guān)鍵問題則是焊接變形，對(duì)于焊接變形的根本原因分析可知，主要是由于在焊接的過(guò)程中因結(jié)構(gòu)受熱不均或是殘余應(yīng)力等原因所致。對(duì)此，本文筆者將主要對(duì)焊接變形預(yù)測(cè)的理論發(fā)展進(jìn)程以及其相關(guān)的理論意義進(jìn)行了相應(yīng)的闡述，在此基礎(chǔ)上對(duì)于現(xiàn)階段新型焊接變形預(yù)測(cè)理論的研究發(fā)展進(jìn)行了一定的概述。

關(guān)鍵詞：海洋工程和船舶；焊接變形預(yù)測(cè)；方法研究

引言：在焊接變形中常見的質(zhì)量問題有彎曲、角度變形或橫縱向收縮的變形等等，通常情況下，焊接變形主要是受設(shè)計(jì)相關(guān)量和制造相關(guān)量的兩個(gè)因素影響。所以說(shuō)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。雖說(shuō)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。

一、概述焊接變形預(yù)測(cè)理論發(fā)展

在上世紀(jì)末期就已經(jīng)對(duì)海洋工程和船舶焊接變形進(jìn)行了研究，尤其是近些年來(lái)對(duì)機(jī)理的研究和變形量預(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。對(duì)于焊接變形預(yù)測(cè)理論發(fā)展的過(guò)程主要可分為：理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算初始階段、計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的模型分析階段、新型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的研究應(yīng)用階段。①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)。直至70年代才開始將研究重點(diǎn)逐步轉(zhuǎn)向焊接變形預(yù)測(cè)解析模擬方向，80年代初我國(guó)對(duì)焊接變形與控制，以及對(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。②隨著科技的不斷進(jìn)步，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。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。③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)在人工智能有了非常大的進(jìn)展，我國(guó)在90年代末逐步開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，這在在大型復(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。

二、概述焊接變形預(yù)測(cè)理論

（一）熱彈塑性有限單元法

在實(shí)際工作中對(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)。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。

（二）固有應(yīng)變法

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。通常情況下，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。

（三）焊接變形優(yōu)化設(shè)計(jì)

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。

三、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的新型焊接變形預(yù)測(cè)理論

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)。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?；谏窠?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，無(wú)形間就造成網(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。

結(jié)束語(yǔ)：

總而言之，在海洋工程和船舶建造的過(guò)程中，焊接變形預(yù)測(cè)技術(shù)影響甚遠(yuǎn)，特別是在建造大型焊接結(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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