焊接過程數(shù)值模擬與專家系統(tǒng)
- 2016-03-14 14:01:00
- sawchina 原創(chuàng)
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目前，焊接領(lǐng)域采用數(shù)值模擬方法涉及的對(duì)象大致有以下幾個(gè)方面：
（1）焊接溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬 其中包括焊接熱傳導(dǎo)、電弧物理現(xiàn)象、焊接熔池的傳熱、傳質(zhì)行為等。
（2）焊接應(yīng)力與變形的數(shù)值模擬 包括焊接過程中瞬態(tài)熱應(yīng)力應(yīng)變和殘余應(yīng)力應(yīng)變等。
（3）焊接化學(xué)冶金與物理冶金過程模擬 包括化學(xué)元素過渡、凝固、晶粒長(zhǎng)大、偏析、固態(tài)相變、熱影響區(qū)脆化、氫擴(kuò)散等。
（4）焊接接頭的力學(xué)行為和性能的數(shù)值模擬 包括斷裂、疲勞、力學(xué)不均勻性，幾何不均勻性及組織、結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能等。
（5）焊縫質(zhì)量評(píng)估的數(shù)值模擬 包括裂縫、氣孔等各種缺陷的評(píng)估及預(yù)測(cè)。
（6）特殊焊接過程的數(shù)值分析 如電阻焊、激光焊、電子束焊、瞬態(tài)液相焊、陶瓷金屬連接等。
由此可見，焊接過程數(shù)值模擬已涉及到相當(dāng)廣泛的領(lǐng)域，而且由于焊接過程涉及到許多基礎(chǔ)學(xué)科，每一方面又都涉及許多影響因素，同時(shí)又是隨時(shí)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(shù)值模擬的結(jié)果難度相當(dāng)大。為此，這一學(xué)科吸引了許多焊接科技工作者從事了大量的研究。計(jì)算機(jī)硬件、軟件的發(fā)展也為此創(chuàng)造了條件。
2．焊接過程數(shù)值模擬的方法
數(shù)值模擬的基礎(chǔ)是能用數(shù)學(xué)模型來描述自然界或工程界所發(fā)生的現(xiàn)象，通過模擬可以使這些現(xiàn)象重現(xiàn)出來，從而可以使人們對(duì)產(chǎn)生這一現(xiàn)象的機(jī)制及各種影響因素有更深的了解。當(dāng)描述某一現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型可以用數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)或演繹求解時(shí)，所獲得的結(jié)果就是解析解。對(duì)于一些復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，例如，高階的、非線性的，與時(shí)域相關(guān)的微分或積分方法，往往只能求助于數(shù)值方法求解、數(shù)值解法的計(jì)算工作量很大，但這對(duì)于當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)以及數(shù)值計(jì)算理論發(fā)展水平來說，這已不是不可克服的困難。
常用的數(shù)值解方法有：差分法、有限元法、蒙特卡洛法。
差分法的基礎(chǔ)是用差商來代替微商，也就是把微分方程變?yōu)椴罘址匠?，通過離散化的數(shù)值計(jì)算求得近似的數(shù)值解。
有限元方法是將連接的物體本身離散化，分解為由有限個(gè)單元組成的高效化模型，即進(jìn)行網(wǎng)格劃分，進(jìn)而對(duì)離散化模型求數(shù)值解。由于這種方法概念清析，單元網(wǎng)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(qiáng)、非常靈活、容易掌握，因此得到了廣泛應(yīng)用。在有限元法的基礎(chǔ)上又發(fā)展了邊界元法。
蒙特卡洛法是一種采用統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)的模擬方法。這種方法是通過統(tǒng)計(jì)量的值來計(jì)算隨機(jī)過程的參數(shù)。例如：焊接接頭疲勞斷裂可看作是一種隨機(jī)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(shù)值模擬中，基本上是以有限元法為基礎(chǔ)，配以解析解，有限差分，蒙特卡洛等方法，而且在實(shí)際應(yīng)用中，各種方法常常相互交叉滲透。例如：在焊接瞬態(tài)熱傳導(dǎo)數(shù)值模擬中，空間域采用有限元方法，而時(shí)間域則采用差分法，將兩種方法結(jié)合起來求解，可取得較好的效果。
目前在進(jìn)行有限元分析時(shí)所用的軟件方面已經(jīng)有了不少優(yōu)秀的計(jì)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(jìn)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(dòng)劃分有限元網(wǎng)格和自動(dòng)整理計(jì)算結(jié)果并使之形成可視化圖形的前后處理功能。因而，焊接工作者已經(jīng)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(shí)加上二次開發(fā)，即可以得到需要的結(jié)果，這就明顯地加速了焊接模擬技術(shù)發(fā)展的進(jìn)程。
3．焊接過程數(shù)值模擬的應(yīng)用及發(fā)展前景
在焊接過程數(shù)值模擬中，對(duì)焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的模擬數(shù)量最多，起步也較早，積累的經(jīng)驗(yàn)也較豐富，在實(shí)際生產(chǎn)中得到了一定的應(yīng)用。
（1）焊接溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬 溫度場(chǎng)的模擬是對(duì)焊接應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)及焊接過程其他現(xiàn)象進(jìn)行模擬的基礎(chǔ)，同時(shí)通過溫度場(chǎng)的模擬還可以預(yù)測(cè)焊接熔池形狀，滿足設(shè)計(jì)要求，防止諸如未熄透、燒穿、咬邊、熔池等缺陷的產(chǎn)生。比如德國(guó)Aachen大學(xué)焊接研究所（ISV）對(duì)氣保焊熔地縮狀的模擬就是在對(duì)焊接溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算的基礎(chǔ)上，對(duì)氣保焊過程中電弧的電磁現(xiàn)象、熱力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)等的作用分別進(jìn)行分析，然后加以綜合以求得如焊縫的幾何形狀和尺寸的實(shí)例。德國(guó)ISV在研究工作的基礎(chǔ)上開發(fā)了MAGSIM軟件，其主要功能就是根據(jù)焊件種類和厚度，坡口型式和焊接條件計(jì)算氣體保護(hù)焊時(shí)焊縫中各點(diǎn)的熱循環(huán)和熔池的幾何形狀。這一軟件還可以依據(jù)求得的焊縫幾何形狀判斷是否發(fā)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(zhì)量要求（見圖1）。MAGSIM同時(shí)可用作優(yōu)化焊接工藝參數(shù)的工具。該軟件目前已經(jīng)商品化，其適用范圍還在擴(kuò)大，功能也將不斷增加。
（2）焊接應(yīng)力與變形的模擬 焊接應(yīng)力與變形問題可以分為丙類，一是焊接過程中的瞬態(tài)熱應(yīng)力應(yīng)變分析，二是焊后的殘余應(yīng)力與應(yīng)變計(jì)算、目前針對(duì)后者進(jìn)行分析計(jì)算的較多，其目的是為了減少殘余應(yīng)力控制殘余變形，防止各類缺陷的產(chǎn)生，自70年代起，隨著計(jì)算理論的發(fā)展和計(jì)算工具的改進(jìn)，焊接應(yīng)力應(yīng)變的模擬技術(shù)有了很大進(jìn)步，表現(xiàn)在：
1）改進(jìn)了計(jì)算方法的穩(wěn)定性，在加快計(jì)算收斂速度的同時(shí)保證了分析精度。
2）深入研究了對(duì)焊接應(yīng)力與變形的影響因素，如：考慮了高溫的特殊應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和相變時(shí)潛熱和體積變化效應(yīng)，以及焊接接頭幾何形狀-焊縫道層數(shù)的影響等等。
經(jīng)過長(zhǎng)期工作。計(jì)算焊接力學(xué)盡管還不完善，但是已經(jīng)有了不少在工程中成功的實(shí)例。特別是在殘余應(yīng)力應(yīng)變的計(jì)算方面。如日本大孤連接與焊接研究所報(bào)道了利用固有應(yīng)變法對(duì)大型船體結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行焊接殘余變形彈性有限元分析，得到了很好的結(jié)果（圖2）。
上海交通大學(xué)汪建華應(yīng)用改進(jìn)了的算法對(duì)壓縮機(jī)軸承座焊接殘余變形進(jìn)行了三維焊接熱彈塑性有限元分析，圖3給出了用3個(gè)塞焊接頭將圓筒與軸承座連接起來的構(gòu)件焊接殘余變形圖。
2．焊接專家系統(tǒng)
1. 專家系統(tǒng)的技術(shù)內(nèi)涵
專家系統(tǒng)是一種基于知識(shí)的計(jì)算程序系統(tǒng)。它能夠利用已獲取的特定領(lǐng)域的專家知識(shí)，模擬人類專家解決問題的能力，對(duì)所面臨的問題作出具有專家水平的結(jié)論。專家系統(tǒng)一般具有以下幾個(gè)部分：
l）用于管理專家知識(shí)的知識(shí)庫；
2）利用知識(shí)進(jìn)行推理的推理機(jī)構(gòu)；
3）為了從人類專家處獲取知識(shí)的獲取知識(shí)模塊；
4）與用戶聯(lián)系的人機(jī)對(duì)話的用戶接口模塊；
5）向用戶說明推理根據(jù)的解釋模塊。
這些部分相互的關(guān)系如圖1所示。知識(shí)庫與推理機(jī)構(gòu)是專家系統(tǒng)的核心部分，而如何從人類專家中獲取知識(shí)并編制成計(jì)算機(jī)程序是建立專家系統(tǒng)的難點(diǎn)。
2．焊接專家系統(tǒng)
目前已開發(fā)的焊接專家系統(tǒng)已有百余種，大體可分為如下4類：
（1）焊接工藝制定專家系統(tǒng) 該系統(tǒng)數(shù)量最多，約占所有焊接專家系統(tǒng)的50％。
（2）焊接方法、焊材或設(shè)備的選擇專家系統(tǒng) 某一系統(tǒng)只能完成某一特定的任務(wù)，該系統(tǒng)約占總數(shù)的20％。
（3）焊接工藝和設(shè)備監(jiān)測(cè)專家系統(tǒng) 該系統(tǒng)種類多、針對(duì)性強(qiáng)。
（4）缺陷預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)專家系統(tǒng) 該系統(tǒng)涉及的面較廣，主要與焊接缺陷和質(zhì)量控制有關(guān)。
比如歐共體設(shè)立的EUROWELD（EU259）在1989～1992年開發(fā)了內(nèi)容廣泛的十余個(gè)焊接專家系統(tǒng)(見表1)。
國(guó)內(nèi)各大專院校也開發(fā)了近20種專家系統(tǒng)，有的已在生產(chǎn)中得到了應(yīng)用，獲得了良好的效果。如國(guó)內(nèi)某大學(xué)開發(fā)的弧焊工藝制定專家系統(tǒng)（THWES），通過不斷修訂，擴(kuò)充功能，已提出了三版，該系統(tǒng)共有七個(gè)模塊(圖2)。
其中產(chǎn)品焊接工藝管理、焊接工藝設(shè)計(jì)和WPS數(shù)據(jù)庫管理三個(gè)模塊緊密結(jié)合在一起，是制定弧焊工藝的核心部分。知識(shí)庫維護(hù)模塊是為制定弧焊工藝服務(wù)的模塊。焊接工藝評(píng)定（PQR）數(shù)據(jù)庫管理、焊接知識(shí)咨詢、焊材/工時(shí)等模塊是具有獨(dú)立功能的模塊，因此整個(gè)THWES是一個(gè)功能化較齊全的專家系統(tǒng)。
3．焊接專家系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用范圍
專家系統(tǒng)是一種已經(jīng)在工程實(shí)際中，包括在焊接工程中得到廣泛應(yīng)用的技術(shù)。隨著人工智能技術(shù)發(fā)展，專家系統(tǒng)在機(jī)器學(xué)習(xí)，推理技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)化，集成化等方面都有了進(jìn)步，專家系統(tǒng)在引入神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和模糊推理等技術(shù)后，更具有活力，促使專家系統(tǒng)技術(shù)有了較大的發(fā)展。
由于建成了能正確反映人類專家知識(shí)的專家系統(tǒng)，就可以將這些知識(shí)長(zhǎng)遠(yuǎn)保留下來，不致因人類專家離去或退休而將長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)丟失、專家系統(tǒng)的應(yīng)用可以使寶貴的知識(shí)得到推廣普及，使一般非專家也可以解決只有領(lǐng)域?qū)＜也拍芙鉀Q的問題，同時(shí)使有經(jīng)驗(yàn)的專家減少重復(fù)性、事務(wù)性的工作，將精力集中于創(chuàng)造性工作中。但是專家系統(tǒng)只能局限于狹窄的技術(shù)領(lǐng)域，它不能象人類專家那樣知識(shí)面廣，包括具有感性知識(shí)，能適應(yīng)變化了的條件，給出新的判斷。專家系統(tǒng)更不具有人類專家所特有的創(chuàng)造性。而且專家系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)復(fù)雜、耗時(shí)、成本高、專業(yè)性強(qiáng)、市場(chǎng)有限。因此，近幾年專家系統(tǒng)的發(fā)展速度有所減緩。
焊接專家系統(tǒng)的情況也大體相同，價(jià)格偏高，使用不夠方便。在焊接生產(chǎn)中出現(xiàn)問題后，人們與其花時(shí)間去熟悉一個(gè)專家系統(tǒng)，還不如直接去找人類專家更易解決問題。因而除了焊接工藝制定系統(tǒng)有一定的市場(chǎng)外，其他專家系統(tǒng)市場(chǎng)有限。
盡管如此，由于有經(jīng)驗(yàn)的專家數(shù)是有限的，有的大型企業(yè)為了將自己的寶貴經(jīng)驗(yàn)得以長(zhǎng)期保存下來，有時(shí)自己組織力量開發(fā)有關(guān)的專家系統(tǒng)。這類專家系統(tǒng)是不準(zhǔn)備出售的，而中小企業(yè)則由于很難招聘到有經(jīng)驗(yàn)的領(lǐng)域?qū)＜?，需要借助于能買到的專家系統(tǒng)解決常見的問題或培訓(xùn)自己的技術(shù)人員，特別要指出的，專家系統(tǒng)作為一種人工智能方法，并不一定要開發(fā)
成一個(gè)完整的專家系統(tǒng)，而是利用其中的“知識(shí)庫”和“推理機(jī)”的方法形成“知識(shí)庫系統(tǒng)”，嵌入到一般計(jì)算機(jī)程序中去，使其智能化。這種方法已被用在智能數(shù)據(jù)庫、決策系統(tǒng)、在線的工藝優(yōu)化、質(zhì)量控制等方面，預(yù)期各種焊接專家系統(tǒng)經(jīng)過多方面探索后，將在廣度和深度上得到進(jìn)一步發(fā)展。
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