焊接过程数值模拟与专家系统

摘要：数值模拟的基础是能用数学模型来描述自然界或工程界所发生的现象，通过模拟可以使这些现象重现出来，从而可以使人们对产生这一现象的机制及各种影响因素有更深的了解。当描述某一现象的数学模型可以用数学模型推导或演绎求解时，所获得的结果就是解析解。对于一些复杂的数学模型，例如，高阶的、非线性的，与时域相关的微分或积分方法，往往只能求助于数值方法求解、数值解法的计算工作量很大，但这对于当今计算机技术以及数值计算理论发展水平来说，这已不是不可克服的困难。

1．焊接过程数值模拟涉及的对象

目前，焊接领域采用数值模拟方法涉及的对象大致有以下几个方面：

（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、电子束焊、瞬态液相焊、陶瓷金属连接等。

由此可见，焊接过程数值模拟已涉及到相当广泛的领域，而且由于焊接过程涉及到许多基础学科，每一方面又都涉及许多影响因素，同时又是随时间而变化的特殊过程，因此要得到具有足够精度的焊接过程数值模拟的结果难度相当大。为此，这一学科吸引了许多焊接科技工作者从事了大量的研究。计算机硬件、软件的发展也为此创造了条件。

2．焊接过程数值模拟的方法

数值模拟的基础是能用数学模型来描述自然界或工程界所发生的现象，通过模拟可以使这些现象重现出来，从而可以使人们对产生这一现象的机制及各种影响因素有更深的了解。当描述某一现象的数学模型可以用数学模型推导或演绎求解时，所获得的结果就是解析解。对于一些复杂的数学模型，例如，高阶的、非线性的，与时域相关的微分或积分方法，往往只能求助于数值方法求解、数值解法的计算工作量很大，但这对于当今计算机技术以及数值计算理论发展水平来说，这已不是不可克服的困难。

常用的数值解方法有：差分法、有限元法、蒙特卡洛法。
差分法的基础是用差商来代替微商，也就是把微分方程变为差分方程，通过离散化的数值计算求得近似的数值解。

有限元方法是将连接的物体本身离散化，分解为由有限个单元组成的高效化模型，即进行网格划分，进而对离散化模型求数值解。由于这种方法概念清析，单元网格划分形象、直观，不受物体几何形状、边界条件和物理特性的限制、适用性强、非常灵活、容易掌握，因此得到了广泛应用。在有限元法的基础上又发展了边界元法。

蒙特卡洛法是一种采用统计试验的模拟方法。这种方法是通过统计量的值来计算随机过程的参数。例如：焊接接头疲劳断裂可看作是一种随机过程，就可以用蒙特卡洛法模拟疲劳断裂失效的情况。

总之，目前在焊接过程的数值模拟中，基本上是以有限元法为基础，配以解析解，有限差分，蒙特卡洛等方法，而且在实际应用中，各种方法常常相互交叉渗透。例如：在焊接瞬态热传导数值模拟中，空间域采用有限元方法，而时间域则采用差分法，将两种方法结合起来求解，可取得较好的效果。

目前在进行有限元分析时所用的软件方面已经有了不少优秀的计算分析软件，如：ABAQUS、ADINA、NASTRAN、MARC、SYSWBLD等可供焊接工作者选用。这些软件可以进行二维甚至三维的电、磁、热、力等各方面线性和非线性的有限元分析，而且具有自动划分有限元网格和自动整理计算结果并使之形成可视化图形的前后处理功能。因而，焊接工作者已经无需自己从头编制模拟软件，可以利用上述商品化软件，必要时加上二次开发，即可以得到需要的结果，这就明显地加速了焊接模拟技术发展的进程。

3．焊接过程数值模拟的应用及发展前景

在焊接过程数值模拟中，对焊接温度场和应力应变场的模拟数量最多，起步也较早，积累的经验也较丰富，在实际生产中得到了一定的应用。

（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气体保护焊时焊缝中各点的热循环和熔池的几何形状。这一软件还可以依据求得的焊缝几何形状判断是否发生了未焊透或烧穿，判断焊缝顶部和根部的宽度和余高、熔深或咬边是否满足质量要求（见图1）。MAGSIM同时可用作优化焊接工艺参数的工具。该软件目前已经商品化，其适用范围还在扩大，功能也将不断增加。

（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）改进了计算方法的稳定性，在加快计算收敛速度的同时保证了分析精度。

2）深入研究了对焊接应力与变形的影响因素，如：考虑了高温的特殊应力-应变关系和相变时潜热和体积变化效应，以及焊接接头几何形状-焊缝道层数的影响等等。

经过长期工作。计算焊接力学尽管还不完善，但是已经有了不少在工程中成功的实例。特别是在残余应力应变的计算方面。如日本大孤连接与焊接研究所报道了利用固有应变法对大型船体结构试验模型进行焊接残余变形弹性有限元分析，得到了很好的结果（图2）。

上海交通大学汪建华应用改进了的算法对压缩机轴承座焊接残余变形进行了三维焊接热弹塑性有限元分析，图3给出了用3个塞焊接头将圆筒与轴承座连接起来的构件焊接残余变形图。

2．焊接专家系统

1. 专家系统的技术内涵
专家系统是一种基于知识的计算程序系统。它能够利用已获取的特定领域的专家知识，模拟人类专家解决问题的能力，对所面临的问题作出具有专家水平的结论。专家系统一般具有以下几个部分：

l）用于管理专家知识的知识库；
2）利用知识进行推理的推理机构；
3）为了从人类专家处获取知识的获取知识模块；
4）与用户联系的人机对话的用户接口模块；
5）向用户说明推理根据的解释模块。
这些部分相互的关系如图1所示。知识库与推理机构是专家系统的核心部分，而如何从人类专家中获取知识并编制成计算机程序是建立专家系统的难点。

2．焊接专家系统
目前已开发的焊接专家系统已有百余种，大体可分为如下4类：
（1）焊接工艺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）焊接工艺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。

比如欧共体设立的EUROWELD（EU259）在1989～1992年开发了内容广泛的十余个焊接专家系统(见表1)。

国内各大专院校也开发了近20种专家系统，有的已在生产中得到了应用，获得了良好的效果。如国内某大学开发的弧焊工艺制定专家系统（THWES），通过不断修订，扩充功能，已提出了三版，该系统共有七个模块(图2)。

其中产品焊接工艺管理、焊接工艺设计和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。焊接工艺评定（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．焊接专家系统的优缺点及应用范围

专家系统是一种已经在工程实际中，包括在焊接工程中得到广泛应用的技术。随着人工智能技术发展，专家系统在机器学习，推理技术及网络化，集成化等方面都有了进步，专家系统在引入神经元网络和模糊推理等技术后，更具有活力，促使专家系统技术有了较大的发展。

由于建成了能正确反映人类专家知识的专家系统，就可以将这些知识长远保留下来，不致因人类专家离去或退休而将长期积累的经验丢失、专家系统的应用可以使宝贵的知识得到推广普及，使一般非专家也可以解决只有领域专家才能解决的问题，同时使有经验的专家减少重复性、事务性的工作，将精力集中于创造性工作中。但是专家系统只能局限于狭窄的技术领域，它不能象人类专家那样知识面广，包括具有感性知识，能适应变化了的条件，给出新的判断。专家系统更不具有人类专家所特有的创造性。而且专家系统开发技术复杂、耗时、成本高、专业性强、市场有限。因此，近几年专家系统的发展速度有所减缓。

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。因而除了焊接工艺制定系统有一定的市场外，其他专家系统市场有限。

尽管如此，由于有经验的专家数是有限的，有的大型企业为了将自己的宝贵经验得以长期保存下来，有时自己组织力量开发有关的专家系统。这类专家系统是不准备出售的，而中小企业则由于很难招聘到有经验的领域专家，需要借助于能买到的专家系统解决常见的问题或培训自己的技术人员，特别要指出的，专家系统作为一种人工智能方法，并不一定要开发

成一个完整的专家系统，而是利用其中的“知识库”和“推理机”的方法形成“知识库系统”，嵌入到一般计算机程序中去，使其智能化。这种方法已被用在智能数据库、决策系统、在线的工艺优化、质量控制等方面，预期各种焊接专家系统经过多方面探索后，将在广度和深度上得到进一步发展。

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