钢结构焊接工艺优化算法及其推理机制研究

钢结构是建筑中的重要施工要素, 具有刚性好、抗变形、材质良好等优势, 进行钢结构的焊接, 如今依托计算机技术, 引入了专家系统, 使得设计工作更加科学和合理, 提高了产品的使用寿命和合格率, 相互则数字化、智能化的方向发展。

1、优化算法和专家系统推理机制概述

钢结构焊接制造 (即焊接结构生产) 是从焊接生产的准备工作开始的, 从结构的工艺性审查、工艺方案和工艺规程设计, 到材料入库, 完成焊接结构制造工艺过程, 过程包括装配-焊接、焊后热处理、材料复验入库、质量检验、成品验收、备料加工, 穿插返修、涂饰和喷漆, 最后合格产品入库。采用推理的方式, 就是按照事务的发展思路进行规则的推理。专家系统中对于规则推理的研究, 采用的是领域知识获取的方式, 将知识转化为标准形式的规则, 保存在数据库中, 针对众多问题可以进行合理的表达, 例如检索方式等。

人的思维方式变更为机器推理, 每一步的推理结果与人类的逻辑思维相近, 按照规则的推理, 形成了轻耦合的设计思路。例如对于案例的推理, 强调借鉴成功案例解决问题。使用诊断类专家系统, 不需要进行知识的逻辑分解, 整体性更好, 系统的错误结果出现率大大降低。

推理控制的策略包含了冲突消除策略和推力方向控制策略。前者是解决多选一的问题, 选出最佳的方案消解冲突, 利用知识确定执行操作内容。后者是动态的解答问题的过程, 采用事实驱动型的正向推理和结果驱动型的反向推理以及混合推理进行控制策略的实施。

2、钢结构焊接工艺优化算法及其推理机制的应用

2.1 建立有限元模型

例如进行焊接应力的瞬态的热分析, 对过度的网格进行应力场的求解, 采用SOLID70单元对网格进行映射选, 择两个平板进行几何模型的焊接, 为了将计算加以简化, 对模型的对称性进行模拟, 得到模型的样板。通过计算, 考虑了温度场的影响, 对应立场采用不同的作用, 使用间接法进行应力的计算, 对过度网格进行形式上的划分, 得到了边锋的单元尺寸为1毫米和4毫米。采用粗大的网格或者比较细的网格, 在焊缝的过渡区域进行网格的自由划分, 两种单元的节点处包含了温度自由度, 瞬态热分析等。采用间接法对焊接应力进行计算, 得到的温度场可以加载到结构中, 使的焊缝的过渡网格的形式可以被划分到焊缝的边缘进行单元的映射, 每个温度自由度可以按照三个方向进行位移, 分别是x, y, z, 整个模型包括了29644个单元体和43677个节点。

2.2 焊接的参与应力的模拟

样板的各项想能参数的影响对应了参与的应力, 将焊缝的垂直平分线上的纵向残余应力加以研究。

电压电流对焊接板材的参与应力的影响, 可以经过对电压电流参数的选择, 得到相应的电流和电压的焊接样板的残余应力。在不同的电压和电流的条件下, 焊接的条件不变的前提下, 样板的焊后的纵向残余应力曲线, 可以将计算结果加以分析。残余的纵向残余压力越大, 焊缝的纵向残余的拉应力就越大, 而焊接的速度一定的时候, 焊接的电压和电流输入也变大, 焊接的熔池会相应加大加深, 当样板冷却后, 焊缝的纵向残余压应力也相应增大。

3、基于遗传算法的焊接工艺设计应用

焊接的工艺包含了焊接的方法、材料的选用, 预热和层间的温度, 焊接参数、焊接的位置等等。以12mm厚板结构Q235V形坡口熔化极活性气体保护焊过程中的力学性能的影响和规则的挖掘为例。首先, 要在工艺设计过程中, 确定焊材直径、焊接电流、电弧电压等的内在联系, 然后进行自然数的元素编码的编制。

确定好焊缝力学性能, 采用遗传算法将参数进行设定, 重要的参数包括编码群体大小、终止代数、交叉概率等, 为了保证运算的参数正确, 合理地选择运算参数是必要的条件, 认真选取参数之后, 引入焊接工艺规则挖掘的求解过程。

根据对管理规则的处理和描述, 得到运行参数的计算, 计算结果输出表000013 (速度性能) , 置信度为0.0543, 兴趣度为1.2420;24021 (电流+电压) 、置信度为0.23兴趣度为2.1432;210001 (焊材+电流性能) 置信度为0.3443, 兴趣度为1.9432。

4、焊接专家系统推理机制的实现

根据设计的焊接工艺规则, 进行焊接工艺的评定试验, 采用计算机技术进行工艺规程的设计。按照AWS标准规定, 对于母材金属等进行特定焊接的时候, 严格按照标准规定进行材料的选择、坡口形式的选择、焊接工艺参数的选择等, 利用计算机处理技术形成人眼能观察到和仪器能检测到的图像, 在进行边缘的检测区域的处理后, 提取相应的目标和背景, 形成最后的边界线, 在边缘的目标和背景上进行区分, 得到最终的边缘检测的关键数据。使用到的焊缝的边缘检测方法包括对图像的构造的边缘等的算子的检测。提取导数的变化是为了获得更多的幅度、边缘以及形状、灰度值的区域划分, 这种方法包含了以图像灰度和颜色纹理等靠近的二值化分割和三值化分割的方法。按照人类逻辑思维的推理过程, 基于规则的推理实现方法, 是一个整体求解的过程, 分类工艺要素, 进行小命题独立求解, 得到若干个结果进行汇总, 生成焊接工艺, 控制策略的选择上, 采用正向推理加上人机交互的方式, 基于规则的推理实现方法获得最令人满意的结果。

结语:

参照传统案例进行焊接专家系统的推理机制的实施, 当前面对一些问题, 例如是否加衬垫、焊前和焊后处理等等, 但是参考成功案例对隐含规则进行获取, 得到满意的结果的概率较大, 因此, 目前采用案例的推理进行焊接工艺设计专家系统的推理方式是较为常见的。

摘要：现代制造中钢结构的焊接工艺是重要的制造环节。对于焊接工艺的设计进行分析和研究, 能够为钢结构质量提供保证。当前进行科学、智能、使用的焊接工艺的设计已经成为提高焊接性能的重要课题。采用优化算法和专家系统的推理机制, 将焊接工艺进行要素的归纳和总结, 为钢结构焊接工艺的发展提供了重要的参数。本文重点研究钢结构焊接工艺的模糊规则建模, 期望通过较好的运算经验能够为该工艺的发展提供参考。

关键词：钢结构焊接,优化算法,专家推理机制

参考文献

[1] 贾晓喆.钢结构焊接工艺优化算法及其推理机制研究[D].南京航空航天大学, 2015.