焊接過(guò)程數值模擬與專(zhuān)家系統
- 2016-03-14 14:01:00
- sawchina 原創(chuàng )
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目前，焊接領(lǐng)域采用數值模擬方法涉及的對象大致有以下幾個(gè)方面：
（1）焊接溫度場(chǎng)的數值模擬 其中包括焊接熱傳導、電弧物理現象、焊接熔池的傳熱、傳質(zhì)行為等。
（2）焊接應力與變形的數值模擬 包括焊接過(guò)程中瞬態(tài)熱應力應變和殘余應力應變等。
（3）焊接化學(xué)冶金與物理冶金過(guò)程模擬 包括化學(xué)元素過(guò)渡、凝固、晶粒長(cháng)大、偏析、固態(tài)相變、熱影響區脆化、氫擴散等。
（4）焊接接頭的力學(xué)行為和性能的數值模擬 包括斷裂、疲勞、力學(xué)不均勻性，幾何不均勻性及組織、結構、力學(xué)性能等。
（5）焊縫質(zhì)量評估的數值模擬 包括裂縫、氣孔等各種缺陷的評估及預測。
（6）特殊焊接過(guò)程的數值分析 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(jiàn)，焊接過(guò)程數值模擬已涉及到相當廣泛的領(lǐng)域，而且由于焊接過(guò)程涉及到許多基礎學(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(guò)程，因此要得到具有足夠精度的焊接過(guò)程數值模擬的結果難度相當大。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。計算機硬件、軟件的發(fā)展也為此創(chuàng )造了條件。
2．焊接過(guò)程數值模擬的方法
數值模擬的基礎是能用數學(xué)模型來(lái)描述自然界或工程界所發(fā)生的現象，通過(guò)模擬可以使這些現象重現出來(lái)，從而可以使人們對產(chǎn)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(xué)模型可以用數學(xué)模型推導或演繹求解時(shí)，所獲得的結果就是解析解。對于一些復雜的數學(xué)模型，例如，高階的、非線(xiàn)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(shù)以及數值計算理論發(fā)展水平來(lái)說(shuō)，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(lái)代替微商，也就是把微分方程變?yōu)椴罘址匠?，通過(guò)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)而對離散化模型求數值解。由于這種方法概念清析，單元網(wǎng)格劃分形象、直觀(guān)，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(fā)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(guò)統計量的值來(lái)計算隨機過(guò)程的參數。例如：焊接接頭疲勞斷裂可看作是一種隨機過(guò)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(guò)程的數值模擬中，基本上是以有限元法為基礎，配以解析解，有限差分，蒙特卡洛等方法，而且在實(shí)際應用中，各種方法常常相互交叉滲透。例如：在焊接瞬態(tài)熱傳導數值模擬中，空間域采用有限元方法，而時(shí)間域則采用差分法，將兩種方法結合起來(lái)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(xiàn)性和非線(xiàn)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)整理計算結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(wú)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(kāi)發(fā)，即可以得到需要的結果，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(guò)程數值模擬的應用及發(fā)展前景
在焊接過(guò)程數值模擬中，對焊接溫度場(chǎng)和應力應變場(chǎng)的模擬數量最多，起步也較早，積累的經(jīng)驗也較豐富，在實(shí)際生產(chǎn)中得到了一定的應用。
（1）焊接溫度場(chǎng)的數值模擬 溫度場(chǎng)的模擬是對焊接應力應變場(chǎng)及焊接過(guò)程其他現象進(jìn)行模擬的基礎，同時(shí)通過(guò)溫度場(chǎng)的模擬還可以預測焊接熔池形狀，滿(mǎn)足設計要求，防止諸如未熄透、燒穿、咬邊、熔池等缺陷的產(chǎn)生。比如德國Aachen大學(xué)焊接研究所（ISV）對氣保焊熔地縮狀的模擬就是在對焊接溫度場(chǎng)進(jìn)行計算的基礎上，對氣保焊過(guò)程中電弧的電磁現象、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ISV在研究工作的基礎上開(kāi)發(fā)了MAGSIM軟件，其主要功能就是根據焊件種類(lèi)和厚度，坡口型式和焊接條件計算氣體保護焊時(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(mǎn)足質(zhì)量要求（見(jiàn)圖1）。MAGSIM同時(shí)可用作優(yōu)化焊接工藝參數的工具。該軟件目前已經(jīng)商品化，其適用范圍還在擴大，功能也將不斷增加。
（2）焊接應力與變形的模擬 焊接應力與變形問(wèn)題可以分為丙類(lèi)，一是焊接過(guò)程中的瞬態(tài)熱應力應變分析，二是焊后的殘余應力與應變計算、目前針對后者進(jìn)行分析計算的較多，其目的是為了減少殘余應力控制殘余變形，防止各類(lèi)缺陷的產(chǎn)生，自70年代起，隨著(zhù)計算理論的發(fā)展和計算工具的改進(jìn)，焊接應力應變的模擬技術(shù)有了很大進(jìn)步，表現在：
1）改進(jìn)了計算方法的穩定性，在加快計算收斂速度的同時(shí)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(guān)系和相變時(shí)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(jīng)過(guò)長(cháng)期工作。計算焊接力學(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(jìn)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(xué)汪建華應用改進(jìn)了的算法對壓縮機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(lái)的構件焊接殘余變形圖。
2．焊接專(zhuān)家系統
1. 專(zhuān)家系統的技術(shù)內涵
專(zhuān)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(lǐng)域的專(zhuān)家知識，模擬人類(lèi)專(zhuān)家解決問(wèn)題的能力，對所面臨的問(wèn)題作出具有專(zhuān)家水平的結論。專(zhuān)家系統一般具有以下幾個(gè)部分：
l）用于管理專(zhuān)家知識的知識庫；
2）利用知識進(jìn)行推理的推理機構；
3）為了從人類(lèi)專(zhuān)家處獲取知識的獲取知識模塊；
4）與用戶(hù)聯(lián)系的人機對話(huà)的用戶(hù)接口模塊；
5）向用戶(hù)說(shuō)明推理根據的解釋模塊。
這些部分相互的關(guān)系如圖1所示。知識庫與推理機構是專(zhuān)家系統的核心部分，而如何從人類(lèi)專(zhuān)家中獲取知識并編制成計算機程序是建立專(zhuān)家系統的難點(diǎn)。
2．焊接專(zhuān)家系統
目前已開(kāi)發(fā)的焊接專(zhuān)家系統已有百余種，大體可分為如下4類(lèi)：
（1）焊接工藝制定專(zhuān)家系統 該系統數量最多，約占所有焊接專(zhuān)家系統的50％。
（2）焊接方法、焊材或設備的選擇專(zhuān)家系統 某一系統只能完成某一特定的任務(wù)，該系統約占總數的20％。
（3）焊接工藝和設備監測專(zhuān)家系統 該系統種類(lèi)多、針對性強。
（4）缺陷預測和評價(jià)專(zhuān)家系統 該系統涉及的面較廣，主要與焊接缺陷和質(zhì)量控制有關(guān)。
比如歐共體設立的EUROWELD（EU259）在1989～1992年開(kāi)發(fā)了內容廣泛的十余個(gè)焊接專(zhuān)家系統(見(jiàn)表1)。
國內各大專(zhuān)院校也開(kāi)發(fā)了近20種專(zhuān)家系統，有的已在生產(chǎn)中得到了應用，獲得了良好的效果。如國內某大學(xué)開(kāi)發(fā)的弧焊工藝制定專(zhuān)家系統（THWES），通過(guò)不斷修訂，擴充功能，已提出了三版，該系統共有七個(gè)模塊(圖2)。
其中產(chǎn)品焊接工藝管理、焊接工藝設計和WPS數據庫管理三個(gè)模塊緊密結合在一起，是制定弧焊工藝的核心部分。知識庫維護模塊是為制定弧焊工藝服務(wù)的模塊。焊接工藝評定（PQR）數據庫管理、焊接知識咨詢(xún)、焊材/工時(shí)等模塊是具有獨立功能的模塊，因此整個(gè)THWES是一個(gè)功能化較齊全的專(zhuān)家系統。
3．焊接專(zhuān)家系統的優(yōu)缺點(diǎn)及應用范圍
專(zhuān)家系統是一種已經(jīng)在工程實(shí)際中，包括在焊接工程中得到廣泛應用的技術(shù)。隨著(zhù)人工智能技術(shù)發(fā)展，專(zhuān)家系統在機器學(xué)習，推理技術(shù)及網(wǎng)絡(luò )化，集成化等方面都有了進(jìn)步，專(zhuān)家系統在引入神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )和模糊推理等技術(shù)后，更具有活力，促使專(zhuān)家系統技術(shù)有了較大的發(fā)展。
由于建成了能正確反映人類(lèi)專(zhuān)家知識的專(zhuān)家系統，就可以將這些知識長(cháng)遠保留下來(lái)，不致因人類(lèi)專(zhuān)家離去或退休而將長(cháng)期積累的經(jīng)驗丟失、專(zhuān)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(zhuān)家也可以解決只有領(lǐng)域專(zhuān)家才能解決的問(wèn)題，同時(shí)使有經(jīng)驗的專(zhuān)家減少重復性、事務(wù)性的工作，將精力集中于創(chuàng )造性工作中。但是專(zhuān)家系統只能局限于狹窄的技術(shù)領(lǐng)域，它不能象人類(lèi)專(zhuān)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(zhuān)家系統更不具有人類(lèi)專(zhuān)家所特有的創(chuàng )造性。而且專(zhuān)家系統開(kāi)發(fā)技術(shù)復雜、耗時(shí)、成本高、專(zhuān)業(yè)性強、市場(chǎng)有限。因此，近幾年專(zhuān)家系統的發(fā)展速度有所減緩。
焊接專(zhuān)家系統的情況也大體相同，價(jià)格偏高，使用不夠方便。在焊接生產(chǎn)中出現問(wèn)題后，人們與其花時(shí)間去熟悉一個(gè)專(zhuān)家系統，還不如直接去找人類(lèi)專(zhuān)家更易解決問(wèn)題。因而除了焊接工藝制定系統有一定的市場(chǎng)外，其他專(zhuān)家系統市場(chǎng)有限。
盡管如此，由于有經(jīng)驗的專(zhuān)家數是有限的，有的大型企業(yè)為了將自己的寶貴經(jīng)驗得以長(cháng)期保存下來(lái)，有時(shí)自己組織力量開(kāi)發(fā)有關(guān)的專(zhuān)家系統。這類(lèi)專(zhuān)家系統是不準備出售的，而中小企業(yè)則由于很難招聘到有經(jīng)驗的領(lǐng)域專(zhuān)家，需要借助于能買(mǎi)到的專(zhuān)家系統解決常見(jiàn)的問(wèn)題或培訓自己的技術(shù)人員，特別要指出的，專(zhuān)家系統作為一種人工智能方法，并不一定要開(kāi)發(fā)
成一個(gè)完整的專(zhuān)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(xiàn)的工藝優(yōu)化、質(zhì)量控制等方面，預期各種焊接專(zhuān)家系統經(jīng)過(guò)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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