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焊接過程數值模擬與專家系統

来源:佩琦  |  发布时间: 2019-05-16  |   次浏覽

1.焊接 過程數值模擬涉及的對象 目前,焊接領域采用數值模擬方法涉及的對象大致有以下幾個方面: 

(1)焊接温度场的数值模拟 其中包括焊接热传导、电弧物理现象、焊接熔池的传热、传质行为等。 

(2)焊接应力与变形的数值模拟 包括焊接过程中瞬态热应力应变和残余应力应变等。 

(3)焊接化学冶金与物理冶金过程模拟 包括化学元素过渡、凝固、晶粒长大、偏析、固态相变、热影响区脆化、氢扩散等。 

(4)焊接接头的力学行为和性能的数值模拟 包括断裂、疲劳、力学不均匀性,几何不均匀性及组织、结构、力学性能等。 

(5)焊缝质量评估的数值模拟 包括裂缝、气孔等各种缺陷的评估及预测。 

(6)特殊焊接过程的数值分析 如电阻焊、激光 焊、電子束焊、瞬態液相焊、陶瓷金屬連接等。 

由此可見,焊接過程數值模擬已涉及到相當廣泛的領域,而且由于焊接過程涉及到許多基礎學科,每一方面又都涉及許多影響因素,同時又是隨時間而變化的特殊過程,因此要得到具有足夠精度的焊接過程數值模擬的結果難度相當大。爲此,這一學科吸引了許多焊接科技工作者從事了大量的研究。計算機硬件、軟件的發展也爲此創造了條件。 

2.焊接過程數值模擬的方法 

數值模擬的基礎是能用數學模型來描述自然界或工程界所發生的現象,通過模擬可以使這些現象重現出來,從而可以使人們對産生這一現象的機制及各種影響因素有更深的了解。當描述某一現象的數學模型可以用數學模型推導或演繹求解時,所獲得的結果就是解析解。對于一些複雜的數學模型,例如,高階的、非線性的,與時域相關的微分或積分方法,往往只能求助于數值方法求解、數值解法的計算工作量很大,但這對于當今計算機技術以及數值計算理論發展水平來說,這已不是不可克服的困難。 

常用的數值解方法有:差分法、有限元法、蒙特卡洛法。 
差分法的基礎是用差商來代替微商,也就是把微分方程變爲差分方程,通過離散化的數值計算求得近似的數值解。 

有限元方法是將連接的物體本身離散化,分解爲由有限個單元組成的高效化模型,即進行網格劃分,進而對離散化模型求數值解。由于這種方法概念清析,單元網格劃分形象、直觀,不受物體幾何形狀、邊界條件和物理特性的限制、適用性強、非常靈活、容易掌握,因此得到了廣泛應用。在有限元法的基礎上又發展了邊界元法。 

蒙特卡洛法是一種采用統計試驗的模擬方法。這種方法是通過統計量的值來計算隨機過程的參數。例如:焊接接頭疲勞斷裂可看作是一種隨機過程,就可以用蒙特卡洛法模擬疲勞斷裂失效的情況。 

總之,目前在焊接過程的數值模擬中,基本上是以有限元法爲基礎,配以解析解,有限差分,蒙特卡洛等方法,而且在實際應用中,各種方法常常相互交叉滲透。例如:在焊接瞬態熱傳導數值模擬中,空間域采用有限元方法,而時間域則采用差分法,將兩種方法結合起來求解,可取得較好的效果。 

目前在進行有限元分析時所用的軟件方面已經有了不少優秀的計算分析軟件,如:ABAQUS、ADINA、NASTRAN、MARC、SYSWBLD等可供焊接工作者選用。這些軟件可以進行二維甚至三維的電、磁、熱、力等各方面線性和非線性的有限元分析,而且具有自動劃分有限元網格和自動整理計算結果並使之形成可視化圖形的前後處理功能。因而,焊接工作者已經無需自己從頭編制模擬軟件,可以利用上述商品化軟件,必要時加上二次開發,即可以得到需要的結果,這就明顯地加速了焊接模擬技術發展的進程。 

3.焊接過程數值模擬的應用及發展前景 

在焊接過程數值模擬中,對焊接溫度場和應力應變場的模擬數量最多,起步也較早,積累的經驗也較豐富,在實際生産中得到了一定的應用。 

(1)焊接温度场的数值模拟 温度场的模拟是对焊接应力应变场及焊接过程其他现象进行模拟的基础,同时通过温度场的模拟还可以预测焊接熔池形状,满足设计要求,防止诸如未熄透、烧穿、咬边、熔池等缺陷的产生。比如德国Aachen大学焊接研究所(ISV)对气保焊熔地缩状的模拟就是在对焊接温度场进行计算的基础上,对气保焊过程中电弧的电磁现象、热力学和流体动力学等的作用分别进行分析,然后加以综合以求得如焊缝的几何形状和尺寸的实例。德国ISV在研究工作的基础上开发了MAGSIM软件,其主要功能就是根据焊件种类和厚度,坡口型式和焊接条件计算 氣體保護焊時焊縫中各點的熱循環和熔池的幾何形狀。這一軟件還可以依據求得的焊縫幾何形狀判斷是否發生了未焊透或燒穿,判斷焊縫頂部和根部的寬度和余高、熔深或咬邊是否滿足質量要求(見圖1)。MAGSIM同時可用作優化焊接工藝參數的工具。該軟件目前已經商品化,其適用範圍還在擴大,功能也將不斷增加。 

焊接過程數值模擬與專家系統(图1)


(2)焊接应力与变形的模拟 焊接应力与变形问题可以分为丙类,一是焊接过程中的瞬态热应力应变分析,二是焊后的残余应力与应变计算、目前针对后者进行分析计算的较多,其目的是为了减少残余应力控制残余变形,防止各类缺陷的产生,自70年代起,随着计算理论的发展和计算工具的改进,焊接应力应变的模拟技术有了很大进步,表现在: 

1)改進了計算方法的穩定性,在加快計算收斂速度的同時保證了分析精度。 

2)深入研究了對焊接應力與變形的影響因素,如:考慮了高溫的特殊應力-應變關系和相變時潛熱和體積變化效應,以及焊接接頭幾何形狀-焊縫道層數的影響等等。 

經過長期工作。計算焊接力學盡管還不完善,但是已經有了不少在工程中成功的實例。特別是在殘余應力應變的計算方面。如日本大孤連接與焊接研究所報道了利用固有應變法對大型船體結構試驗模型進行焊接殘余變形彈性有限元分析,得到了很好的結果(圖2)。 

上海交通大學汪建華應用改進了的算法對壓縮機軸承座焊接殘余變形進行了三維焊接熱彈塑性有限元分析,圖3給出了用3個塞焊接頭將圓筒與軸承座連接起來的構件焊接殘余變形圖。 

焊接過程數值模擬與專家系統(图2)


焊接過程數值模擬與專家系統(图3)


2.焊接專家系統 

1. 专家系统的技术内涵 
專家系統是一種基于知識的計算程序系統。它能夠利用已獲取的特定領域的專家知識,模擬人類專家解決問題的能力,對所面臨的問題作出具有專家水平的結論。專家系統一般具有以下幾個部分: 

l)用于管理專家知識的知識庫; 
2)利用知識進行推理的推理機構; 
3)爲了從人類專家處獲取知識的獲取知識模塊; 
4)與用戶聯系的人機對話的用戶接口模塊; 
5)向用戶說明推理根據的解釋模塊。 
這些部分相互的關系如圖1所示。知識庫與推理機構是專家系統的核心部分,而如何從人類專家中獲取知識並編制成計算機程序是建立專家系統的難點。 

焊接過程數值模擬與專家系統(图4)


2.焊接專家系統 
目前已開發的焊接專家系統已有百余種,大體可分爲如下4類: 
(1)焊接工藝制定专家系统 该系统数量最多,约占所有焊接专家系统的50%。 

(2) 焊接方法、焊材或设备的选择专家系统 某一系统只能完成某一特定的任务,该系统约占总数的20%。 

(3)焊接工藝和设备监测专家系统 该系统种类多、针对性强。 

(4)缺陷预测和评价专家系统 该系统涉及的面较广,主要与焊接缺陷和质量控制有关。 

比如歐共體設立的EUROWELD(EU259)在1989~1992年開發了內容廣泛的十余個焊接專家系統(見表1)。 

焊接過程數值模擬與專家系統(图5)


國內各大專院校也開發了近20種專家系統,有的已在生産中得到了應用,獲得了良好的效果。如國內某大學開發的弧焊工藝制定專家系統(THWES),通過不斷修訂,擴充功能,已提出了三版,該系統共有七個模塊(圖2)。 

焊接過程數值模擬與專家系統(图6)


其中产品焊接工藝管理、焊接工藝设计和WPS数据库管理三个模块紧密结合在一起,是制定弧焊工艺的核心部分。知识库维护模块是为制定弧焊工艺服务的模块。焊接工藝评定(PQR)数据库管理、焊接知识咨询、焊材/工时等模块是具有独立功能的模块,因此整个THWES是一个功能化较齐全的专家系统。 

3.焊接專家系統的優缺點及應用範圍 

專家系統是一種已經在工程實際中,包括在焊接工程中得到廣泛應用的技術。隨著人工智能技術發展,專家系統在機器學習,推理技術及網絡化,集成化等方面都有了進步,專家系統在引入神經元網絡和模糊推理等技術後,更具有活力,促使專家系統技術有了較大的發展。 

由于建成了能正確反映人類專家知識的專家系統,就可以將這些知識長遠保留下來,不致因人類專家離去或退休而將長期積累的經驗丟失、專家系統的應用可以使寶貴的知識得到推廣普及,使一般非專家也可以解決只有領域專家才能解決的問題,同時使有經驗的專家減少重複性、事務性的工作,將精力集中于創造性工作中。但是專家系統只能局限于狹窄的技術領域,它不能象人類專家那樣知識面廣,包括具有感性知識,能適應變化了的條件,給出新的判斷。專家系統更不具有人類專家所特有的創造性。而且專家系統開發技術複雜、耗時、成本高、專業性強、市場有限。因此,近幾年專家系統的發展速度有所減緩。 

焊接专家系统的情况也大体相同,价格偏高,使用不够方便。在焊接生产中出现问题后,人们与其花时间去熟悉一个专家系统,还不如直接去找人类专家更易解决问题。因而除了焊接工藝制定系统有一定的市场外,其他专家系统市场有限。 

盡管如此,由于有經驗的專家數是有限的,有的大型企業爲了將自己的寶貴經驗得以長期保存下來,有時自己組織力量開發有關的專家系統。這類專家系統是不准備出售的,而中小企業則由于很難招聘到有經驗的領域專家,需要借助于能買到的專家系統解決常見的問題或培訓自己的技術人員,特別要指出的,專家系統作爲一種人工智能方法,並不一定要開發 

成一個完整的專家系統,而是利用其中的“知識庫”和“推理機”的方法形成“知識庫系統”,嵌入到一般計算機程序中去,使其智能化。這種方法已被用在智能數據庫、決策系統、在線的工藝優化、質量控制等方面,預期各種焊接專家系統經過多方面探索後,將在廣度和深度上得到進一步發展。 



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