許仁堂， 柳存根

(1.上海外高橋造船有限公司，上海 200137；2.上海交通大學(xué)，上海 200240)

0 引 言

作為現(xiàn)代船舶建造的關(guān)鍵技術(shù)之一，船舶精度控制以船體建造精度標(biāo)準(zhǔn)為基本原則，通過先進(jìn)的科學(xué)管理方法對(duì)船體建造各個(gè)階段的尺寸精度進(jìn)行分析與控制，減少由于精度誤差帶來的作業(yè)調(diào)整，降低船廠的人力、物力消耗，提高勞動(dòng)效率。補(bǔ)償量全面取代余量，實(shí)施無余量造船是船舶建造精度技術(shù)取得飛躍發(fā)展的重要標(biāo)志。補(bǔ)償量加放的準(zhǔn)確度，很大程度取決于對(duì)焊接變形預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。以焊劑銅墊(Fluxe Cuprum Behind，F(xiàn)CB)法拼板為例，利用多元線性回歸方法對(duì)FCB法拼板進(jìn)行回歸分析，得出回歸方程。同時(shí)，建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，得出焊接收縮預(yù)測(cè)值與期望值的差值圖。比較2種方法的誤差，選出較為精確的預(yù)測(cè)方法，得出在固定焊接參數(shù)下不同板厚FCB拼板補(bǔ)償量的加放標(biāo)準(zhǔn)。

1 FCB法拼板焊接收縮計(jì)算模型

FCB是一種單面焊接雙面成型的高效焊接方法，與傳統(tǒng)的焊接方法相比，減少了拼板翻身的工序。由于其焊接效率高及質(zhì)量穩(wěn)定的特點(diǎn)，目前大多船廠的平直分段拼板縫均采用FCB法焊接。

按照WPS焊接工藝，焊接工藝參數(shù)為焊材YDL-Φ6.4，焊劑NSH-50M/NSH-1RM,電壓范圍為33～45 V，電流范圍為1 050～1 180 A，焊接速度為460～540 mm/min。

建立FCB焊接收縮模型(見圖1)，在實(shí)際生產(chǎn)中，選取4個(gè)自變量分別為板厚t，電壓U,電流I，焊接速度υ，因變量為焊接收縮Δl。共采集117組數(shù)據(jù)，其中110組為樣本數(shù)據(jù)，7組為測(cè)試數(shù)據(jù)。分別采用回歸分析方法及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行計(jì)算。

2 多元線性回歸法對(duì)焊接變形的預(yù)測(cè)

利用實(shí)測(cè)的FCB法焊接收縮數(shù)據(jù)，對(duì)焊接變形多元線性進(jìn)行回歸分析。自變量分別為板厚t，電壓U,電流I，焊接速度υ，因變量為焊接收縮Δl。利用excel數(shù)據(jù)處理工具，進(jìn)行線性回歸分析。

線性回歸的方程為

Δl=2.670 1-0.103 7t+0.080 2U+0.003 71I-0.006 1v

(1)

對(duì)線性回歸方程進(jìn)行檢驗(yàn)及方差分析(見表1)。由表1可知，計(jì)算值F=481，顯然F?F0.95(4,114)，因此拒絕β1=β2=β3=β4=β5=0,說明多元線性回歸模型正確。由回歸統(tǒng)計(jì)表和方差分析表可知，R≈0.973,P{F>F0.95(4,114)}≈1.099×10-68，說明多元線性回歸是合理的，可用來預(yù)測(cè)FCB法拼板的焊接收縮變形，求出拼板的補(bǔ)償量。

表1 方差分析表

3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)焊接變形

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)又稱為反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是一種多層前饋網(wǎng)絡(luò)。其主要特點(diǎn)是信息正向傳播，誤差反向傳遞。在信息向前傳遞的過程中，從輸入層到隱含層再到輸出層，如果輸出層得不到期望輸出，則轉(zhuǎn)入反向傳播，通過不斷地調(diào)整權(quán)值和閾值，使得輸出層不斷逼近期望輸出。

在船舶焊接領(lǐng)域，由于焊接變形是多物理場(chǎng)耦合的過程，具有非線性及時(shí)變性等特點(diǎn)，用物理計(jì)算法將耗費(fèi)大量時(shí)間，且精度不高。由于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自主學(xué)習(xí)能力和自動(dòng)組織能力，擅長(zhǎng)處理隱藏在數(shù)據(jù)背后的非線性的映射逼近問題，可用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)較為精確地預(yù)測(cè)焊接變形和焊接輸入?yún)?shù)間的復(fù)雜關(guān)系，計(jì)算出補(bǔ)償量。

表2 不同隱含節(jié)點(diǎn)數(shù)的輸出誤差對(duì)比表 %

由表2可知，當(dāng)隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為11時(shí)，預(yù)測(cè)相對(duì)誤差最小為2.39%。因此，選取隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)l=11。

選取3層4×11×1的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(見圖2)，收集117組焊接收縮數(shù)據(jù)，其中110組為學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，7組為測(cè)試數(shù)據(jù)。

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，選用tansig傳遞函數(shù)，trainrp為網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練函數(shù)，設(shè)置訓(xùn)練精度目標(biāo)10-3mm,編制MATLAB程序，輸出預(yù)測(cè)值和望值對(duì)比圖和誤差收斂圖(見圖3和圖4)。

4 兩種預(yù)測(cè)焊接變形方法的誤差對(duì)比

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)誤差與多元線性回歸分析預(yù)測(cè)誤差對(duì)比見表3。

表3 BP預(yù)測(cè)與回歸預(yù)測(cè)誤差對(duì)比表

由表3可知，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)平均相對(duì)誤差2.39%，回歸分析平均誤差誤差5.00%，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)較回歸分析預(yù)測(cè)誤差要小，在實(shí)際焊接收縮預(yù)測(cè)中具有較高的參考價(jià)值。

利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來預(yù)測(cè)在固定焊接參數(shù)下，不同板厚的焊接收縮，從而計(jì)算出補(bǔ)償量。設(shè)固定焊接參數(shù)中電壓U=40 V,電流I=1 100 A，焊接速度υ=500 mm/min，通過輸入實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，編制MATLAB程序，BP預(yù)測(cè)結(jié)果(見表4)。焊接收縮預(yù)測(cè)值可用做不同板厚的FCB法拼板的補(bǔ)償量標(biāo)準(zhǔn)。

表4 不同板厚的焊接收縮預(yù)測(cè) mm

5 結(jié) 語

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在預(yù)測(cè)FCB拼板焊接收縮精度較高，誤差較小，可應(yīng)用在船體精度控制補(bǔ)償量分析計(jì)算中。

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