船舶與海洋工程中的焊接變形預(yù)測(cè)方法研究

卞宇 胡海鵬 馬永鋒 楊峰 楊志華

摘要：通過(guò)對(duì)焊接變形預(yù)測(cè)理論的發(fā)展和現(xiàn)狀進(jìn)行一定程度的概述，并且將其具體的劃分成以實(shí)驗(yàn)和理論相結(jié)合為基礎(chǔ)的計(jì)算階段、以計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)模擬圖模型為基礎(chǔ)的分析階段以及以新興數(shù)據(jù)挖掘方法為基礎(chǔ)的研究應(yīng)用階段這三個(gè)具有標(biāo)志性的階段。并且作者將這三個(gè)階段的預(yù)測(cè)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的優(yōu)劣情況進(jìn)行一定的描述和評(píng)論，進(jìn)而來(lái)對(duì)當(dāng)前焊接變形預(yù)測(cè)方法的應(yīng)用前景進(jìn)行一定程度的分析。

關(guān)鍵詞：焊接變形；預(yù)測(cè)；精度控制；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類(lèi)號(hào)：U671.83 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-9129（2018）07-0110-02

Abstract： the development and current situation of welding deformation prediction theory are summarized to a certain extent， and it is divided into the calculation stage based on the combination of experiment and theory， the analysis stage based on the computer data simulation model and the research and application stage based on the new data mining method. Three marked stages. And the author makes a certain description and comment on the advantages and disadvantages of these three stages in the practical application process， and then analyzes the application prospect of the current welding deformation prediction method to a certain extent.

Key words： welding deformation； prediction； accuracy control； neural network

1 船舶大型焊件焊接變形預(yù)測(cè)理論發(fā)展概況

在近幾十年來(lái)國(guó)內(nèi)外的相關(guān)學(xué)者一直長(zhǎng)期致力于對(duì)焊接變形技術(shù)的研究工作，隨著當(dāng)前人們從機(jī)理的角度對(duì)焊接引起的變形情況的認(rèn)識(shí)越來(lái)越成熟，對(duì)變形量進(jìn)行預(yù)測(cè)的技術(shù)也得到了很明顯的發(fā)展。整體上來(lái)看，可以將船用大型結(jié)構(gòu)的焊接變形預(yù)測(cè)理論的發(fā)展分成下文所述的三個(gè)具體的階段。

1.1 基于實(shí)驗(yàn)和理論的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算階段

在這個(gè)階段中學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對(duì)焊接變形個(gè)的變化進(jìn)行研究的主要方法是簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的焊接實(shí)驗(yàn)和理想化假設(shè)基礎(chǔ)上的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)公式以及經(jīng)驗(yàn)曲線等。還有對(duì)一些建造過(guò)程中通過(guò)實(shí)測(cè)所收集的一些簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的量化，然后對(duì)焊接變形進(jìn)行一定范圍的余量控制。這個(gè)階段的焊接預(yù)測(cè)技術(shù)在對(duì)船舶建造過(guò)程進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候暴露出了極強(qiáng)的局限性。

1.2 基于計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的模型分析階段

這個(gè)階段主要是依賴(lài)于快速發(fā)展起來(lái)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，通用熱分布有限元方法使對(duì)焊接過(guò)程中的焊接變形情況進(jìn)行計(jì)算。這種方法可以對(duì)整個(gè)焊接熱循環(huán)過(guò)程進(jìn)行全面的考慮，并且通過(guò)對(duì)焊接構(gòu)件在溫度出現(xiàn)變化時(shí)候的彈-塑性過(guò)程進(jìn)行分析后應(yīng)用固有的應(yīng)變求出最終的焊接數(shù)據(jù)模擬。這種方法能夠?qū)芏喾N因素做到同時(shí)考慮，然后進(jìn)行大量較為繁瑣的計(jì)算。并且在不斷發(fā)展的過(guò)程中被相關(guān)的研究人員將數(shù)值模型從一維發(fā)展成為了二維直到當(dāng)前的三維。這種方法到當(dāng)前依然是一種比較常用的定量研究方法，不僅能夠?qū)σ恍┳冃吻闆r進(jìn)行預(yù)測(cè)，還能對(duì)焊接接縫額質(zhì)量以及焊接變形控制進(jìn)行一定的研究。

1.3 基于新興數(shù)據(jù)挖掘方法的研究應(yīng)用階段

數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)主要是通過(guò)一些學(xué)者對(duì)在大量的實(shí)際建造過(guò)程中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)，然后對(duì)一些變化的規(guī)律進(jìn)行挖掘，進(jìn)而來(lái)對(duì)原理分析的環(huán)節(jié)進(jìn)行有效的規(guī)避，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)更好的實(shí)際應(yīng)用效果。

數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)主要是應(yīng)用在回歸分析過(guò)程、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和聚類(lèi)分析以及支持向量機(jī)，在所有的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)之中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在對(duì)船海工程中焊接變形情況進(jìn)行預(yù)測(cè)所得到的結(jié)果更加的可靠。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等數(shù)據(jù)因?yàn)槠渥陨砭哂袠O強(qiáng)的自學(xué)習(xí)能力和非線性建模能力，所以在被應(yīng)用到復(fù)雜的船舶與海洋工程的數(shù)據(jù)分析過(guò)程中可以得到很好的效果。通過(guò)對(duì)大量的數(shù)據(jù)訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)權(quán)值進(jìn)行建造和應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)能力來(lái)對(duì)船舶建造中焊接變形數(shù)據(jù)之間復(fù)雜的內(nèi)在函數(shù)關(guān)系進(jìn)行有效的規(guī)避，進(jìn)而直接準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)出焊接變形的具體數(shù)值，在具體的應(yīng)用過(guò)程中對(duì)于工程精度方面的控制有著非常重要的意義。

2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的新型焊接變形預(yù)測(cè)理論優(yōu)勢(shì)和研究前景

當(dāng)前以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為代表的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)不斷趨于成熟，為焊接變形預(yù)測(cè)技術(shù)的發(fā)展找到了更多的發(fā)展方向。結(jié)合當(dāng)前船舶建造的結(jié)構(gòu)和工程較為復(fù)雜的特點(diǎn)，應(yīng)用傳統(tǒng)的建模分析預(yù)測(cè)方法非常容易產(chǎn)生誤差，而通過(guò)對(duì)大量實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的不斷發(fā)展，以大量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對(duì)變化的規(guī)律進(jìn)行研究的方法能夠收到出更佳理想的效果，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模技術(shù)在對(duì)船舶與海洋工程中的焊接變形進(jìn)行預(yù)測(cè)的時(shí)候具有比較大的優(yōu)勢(shì)，并且這種方法在當(dāng)前的預(yù)測(cè)過(guò)程中的應(yīng)用也比較廣泛。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)屬于一種對(duì)生物學(xué)中的神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行模擬的簡(jiǎn)單處理單元構(gòu)成的規(guī)模較大的并行分布式處理器。在對(duì)船舶建造過(guò)程中的焊接變形情況進(jìn)行預(yù)測(cè)的時(shí)候能夠通過(guò)對(duì)輸入的參數(shù)和輸出的變形量進(jìn)行建模，額應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)能力較強(qiáng)的特點(diǎn)對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的權(quán)值進(jìn)行調(diào)節(jié)，以此來(lái)對(duì)新的輸入進(jìn)行較為準(zhǔn)確的響應(yīng)輸出，通過(guò)這樣一個(gè)流程來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)變形情況的預(yù)測(cè)。

上述模型圖為當(dāng)前應(yīng)用較廣的一種前饋型網(wǎng)絡(luò)模型，主要是對(duì)船舶高強(qiáng)度焊接參數(shù)和變形情況來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建。

雖然這種方法具有一定的預(yù)測(cè)能力，但是在當(dāng)前的應(yīng)用研究方面還存在這一定的問(wèn)題。比如在應(yīng)用BP網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行實(shí)際的擬合預(yù)測(cè)過(guò)程中存在一定的跳動(dòng)情況，這種情況的出現(xiàn)會(huì)使網(wǎng)絡(luò)的泛化能力以及適應(yīng)性與理想效果存在差別。而且因?yàn)锽P網(wǎng)絡(luò)本身在訓(xùn)練算法方面就存在著一定的缺陷，在代價(jià)函數(shù)方面很容易陷入局部最小的情況，這樣就很難使預(yù)測(cè)的精度達(dá)到理想的范圍。

3 結(jié)束語(yǔ)

焊接變形預(yù)測(cè)的技術(shù)的優(yōu)劣在船舶與海洋工程建造過(guò)程中控制技術(shù)的精度有著極為重要的影響，想要更好的將船舶在實(shí)踐建造過(guò)程中的變形情況進(jìn)行精準(zhǔn)的把握并且將補(bǔ)償量進(jìn)行準(zhǔn)確的量化在當(dāng)前還沒(méi)有特別成熟的方法，因此在今后的技術(shù)發(fā)展過(guò)程中這個(gè)領(lǐng)域依然需要被相關(guān)的研究人員不斷進(jìn)行開(kāi)發(fā)。在今后進(jìn)行研究的過(guò)程中要主要側(cè)重如何將各種網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行更好的改進(jìn)和應(yīng)用的問(wèn)題之中。

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