李加钦造船精度补偿量系统的建立方法Word下载.docx

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1.引言

船舶建造的特点充分表明要使加工的零部件的几何形状、尺寸和位置都处于可控状态是相当复杂的。

补偿量的确定是船体精度控制中的核心内容,补偿量的加放恰当与否,将直接关系到船体精度控制的成败。

补偿量系统的建立主要经过了分段预修整，精度分段和补偿量系统三个阶段。

2.补偿量系统的研究概况

日本、韩国的船厂,通过多年的现场实测数据的积累与统计分析及理论计算,掌握了船体建造过程几乎所有加工过程的变形规律,因而能给绝大部分零部件、分段一个可靠的补偿量及船台装配的调整量,并开发了计算机辅助补偿量确定系统。

国内虽然已经引入了精度控制理念，但是仅仅停留在无余量制造和无余量下坞两方面，对补偿量系统的研究不够透彻。

3.补偿量的计算原理

封闭环的尺寸精度公差是预先设定并且必须满足的,因此封闭环公差的确定也就限制了组成环的加工公差和技术要求。

为了达到装配精度和技术要求,需要设置必要的补偿环以满足船舶精度控制的需要。

图1.补偿量的计算原理

在尺寸链计算中,组成环及封闭环均以正态分布为基准,用于衡量各组成环及封闭环与正态分布之间的差异程度。

补偿环尺寸的确定也以正态分布为基准,将影响补偿环尺寸的各种正态分布或非正态分布的因素转化为正态分布的形式然后叠加,把相加后的正态分布,作为整个尺寸链系统中所给定的补偿环尺寸。

对所给定的系统补偿量,以工件为对象按工序或按系统分别予以考虑。

如对零件的补偿，是系统补偿的起点,除了对形成零件本身的纵横向工艺系统的补偿,还必须包括后续所有纵、横向工艺系统的补偿、对部件的补偿、对分段的补偿、对船台装配的补偿。

各阶段总补偿量的表达式为：

式中，Δi以i排序的第i道工序补偿量，i=0,1,2,3分别代表船台装配、分段、部件、零件补偿量;

j，k代表某一因素的不同因素;

p，q代表各工序内所考虑引起补偿量的因素的数目;

􀀁

Utj代表第t道工序j因素的系统补偿;

Utk代表第t道工序k因素的随机误差补偿。

4.零件补偿量的确定

4.1统计分析加工补偿量

补偿量加放与零部件及半成品的尺寸精度有关,需要对零部件及半成品尺寸的准确度进行检查。

对统计数据按数量特征进行分类,考虑在一定区间范围内出现的次数作出频数分布直方图,通过直方图获得数据分布的基本信息。

在补偿量计算中需要分析测试数据符合相应描述的可信程度等,即假设检验,包括参数假设检验和分布假设检验。

图2.板材下料偏差统计分析

4.2计算零部件加工补偿量

零部件加工补偿量计算,采用数理统计的方法,以控制图理论对生产过程进行分析与控制。

原理是处于控制状态下产品的质量特征是正态分布,或者经过数学变换可近似正态分布,它的两个特征参数平均值μ和标准差σ是相互独立的,不论这两个特征参数取任何值,产品特征值落在【μ-3σ，μ+3σ】控制界限之外的概率为小概率事件,一旦出界,就可认为是异常原因引起的.

基于控制图计算零部件的加工补偿量时,对于大样本数据如骨材间距、肘板等大批量制作的零件,采用均值一标准差控制图,补偿量即为控制中心线与理论值之差。

表1.计算零部件加工补偿量

5.焊接变形预测

5.1多元回归分析

焊接变形的准确预测是实现补偿量可靠计算的重要基础。

焊接的主要考虑的是横向收缩变形，可以依靠加放焊接横向收缩量来满足构件的尺寸要求。

对于角变形，根据预测得到的焊接角变形加放预变形角度来解决。

船舶多采用多元回归分析，根据数理统计的理论,在一系列的测量值中,含有过失误差的测量值必然导致测量值的失真和测量结果的歪曲，而正常测量情况下测量值的分散性也有可能出现个别正常的、离散较大的测量值,被误以为无效测量值而将其剔除。

因此需要确定判别过失误差的界限,即确定随机误差的分布范围。

然而随机误差的实际分布范围与误差的分布规律有关,它的确定取决于实验统计的条件,条件不同则判别过失误差的界限也就不同。

焊接的电压、电流和焊接速度决定了焊接时的输入线能量取固定板厚的板材,改变影响线能量的三个参数,分析得到横向收缩与输入线能量关系如图,可知线能量对焊接变形影响很大,近似线性关系。

以下是焊接横向收缩与线能量的线性关系。

图3.多元回归分析横向收缩与线能量的关系

5.2焊接结构变形预测软件WSDP（WeldingStructureDeformationPrediction）

介绍一种在汽车焊接中，转向架构架焊接工艺补偿量计算系统，此系统极有可能应用到船舶制造领域。

目前在实际应用中，焊接变形预测的基本方法有：

1）固有应变法：

固有应变为基础的弹性有限元方法，不追究焊接过程，在焊缝附近施加与固有应变相等的初始应变，通过一次弹性板单元有限元分析求得整个结构的焊接变形；

2）热弹塑性法：

以有限元法为基础，利用热弹塑性理论，考虑材料机械性能与温度的关系，分析动态焊接应力应变过程；

3）解析法：

建立在平截面假定及其它一系列简化假定的基础上，用材料力学和结构力学的理论求解焊接变形。

表2.三种方法的比较

通过比较，可以看出固有应变法更适合于实际的焊接产品生产。

采用固有应变法，开发出焊接结构变形预测软件WSDP（WeldingStructureDeformationPrediction），其系统框图和计算流程图如下。

图4.WSDP系统框图

图5.WSDP计算流程图

在零部件数据库的基础上根据侧梁实际组焊过程确定各约束条件和边界条件，然后根据设计图纸输入各条焊缝的相关信息（板厚、焊接层数、焊接方法、焊角尺寸等），最后系统自动计算梁体的焊接变形量。

表3.WSDP计算结果

可以看出，WSDP的计算结果是偏于保守的。

6.统计质量管理

6.1统计质量管理

统计质量管理方法是指采用数理统计的方法以控制图理论为主对生产过程进行分析，控制从而达到保证产品质量的目的。

统计质量管理主要分为三个发展阶段网:

统计过程控制（SPC），从1930年开始发达国家无一不推行。

统计过程诊断（SPD），首先在中国普及。

统计过程调整（SPA），目前还没有实用，处于发展中。

6.2控制图

控制图是对过程质量特性值进行测定、记录、评估，从而监察过程是否处于稳定状态的一种用统计方法设计的图。

图中有:

中心线C（L），上控制线（UCL），下控制线（LCL），并且有按时间顺序抽取的样本统计量数值的描点序列。

如果控制图中的描点落在UCL和LCL之外或者点的排列不随机，则表明有异常因素。

图6.过程控制图解

图7.统计质量管理程序流程图

7.尺寸链理论

尺寸链主要是机械制造业用以制定零部件尺寸互换性原则的基本依据。

运用尺寸链原理,可清晰阐明船体结构制造精度之间的关系,有效进行结构尺寸和形状公差的计算,可以说尺寸链原理是实施精度分配和精度控制的基础。

尺寸链理论主要有极值法和概率法，下面就概率法进行阐述。

根据数理统计中的中心极限定理,当组成环数较多且基本独立时,无论各组成环的误差分布是否为正态分布,其封闭环的分布都非常接近正态分布,而且两端出现尺寸的概率非常小。

用概率法计算尺寸链的实质,就是把按极值法求出的封闭环接近正态分布的两端的尺寸范围对称地截去,只取中部概率较大的那部分。

在船体建造中所出现的各种误差,属于随机数据,其绝大多数的数学分布模型可用正态分布来描述。

而对于某些组成环呈现非正态分布时,可以应用相对分布系数及分布不对称系数来折合修正后,转化成正态分布的比例关系来处理,然后进行尺寸链误差的综合。

封闭环的组成环可能是正态分布的，也可能是非正态分布的；

当组成环是非正态分布时，其分布可能是已知的，也可能是未知的。

（1）组成环为正态分布

因有限个相互独立的正态随机变量的线性组合仍服从正态分布,则封闭环与组成环之间的线性组合函数Y=f（X1,X2,⋯,Xn）的标准差为:

式中:

σy为封闭环的标准差;

σi为组成环Xi的标准差;

ri为传递比。

若将标准差σ乘以适当的系数（通常为2或3）作为公差或允许误差δ,则封闭环公差（允许误差）公式:

定义中间偏差,用公式表示为:

ei为中间偏差;

为组成环的极限上偏差;

为组成环的极限下偏差。

则:

（2）组成环非正态分布，分布已知

用相对标准差λ、相对分布差异系数κ、分布不对称系数α来表示实际分布与正态分布的相接近程度。

1）相对标准差λ

尺寸偏差分布的相对标准差是指标准差σ与公差（误差）之半的比值,即：

2）相对分布差异系数κ

由正态分布的相对标准差为λn得到任意分布的相对分布差异系数:

3）分布不对称系数α

分布不对称系数α用于表示随机数据不对称程度,是平均值μ到公差（误差）中心e的距离d与公差（误差）之半的比值：

求出各组成环的α值后,按IОСТ194152-74提供的公式计算封闭环的分布不对称系数：

当n>

5时,封闭环接近正态分布,取αy=0,得封闭环公差（误差）中间值:

求出封闭环偏差中心ey,则:

（3）组成环分布未知

在实际生产过程中,经常不清楚组成环分布情况,因而不能确定αi及κi的值,则引入一个可靠性系数:

此时封闭环公差（误差）公式:

8.补偿量的计算分配

补偿量分为系统补偿量和非系统补偿量，其中非系统补偿量包括零件补偿量、部件补偿量、分段补偿量和船台装配补偿量。

要将这些补偿量进行分配计算，必须遵守以下分配原则：

1）每个分段大接缝的补偿量一般小于每个分段组成环的允许偏差，以利于船体完工主尺度极限偏差小一些；

2）为施工方便，全船每个分段大接缝处的补偿量可取相同值；

3）每个分段大接缝的补偿量可放在一端，另一段为零。

计算尺寸链就是为了正确的确定尺寸链中各环的尺寸和公差，以及合理的分配公差。

补偿量的计算分配主要有三种算法，分别是正算法、反算法和中间算法。

1）正算法:

已知组成环的基本尺寸和极限偏差，求封闭环的基本尺寸和偏差，主要用于验证设计是否正确。

2）反算法:

己知封闭环的基本尺寸和极限偏差以及组成环的基本尺寸，求组成环的偏差。

3）中间算法:

己知封闭环及组成环的尺寸和偏差，求某一组成环的尺寸和偏差。

主要用于工艺上，进行基准面换算和确定工序尺寸。

以下是补偿量加放流程图。

图8.补偿量加放流程图

9.BP神经网络

BP神经网络是当前前馈型神经网络中研究最为成熟并且应用最广泛的一种有监督学习算法。

网络的输入n维和输出m维之间是一个高度的非线性映射关系。

通常用Sigmoid型作用函数，它的输出是在0~1之间的小数。

通过调节连接权值和网络规模，可以实现非线性分类问题，并且可以以任意精度逼近任何非线性函数。

图9.BP神经网络模型

图10.补偿量系统的BP神经网络构建原理

根据BP神经网络模型模拟的焊接补偿量结果如下。

图11.焊接变形与板厚之间的关系映射

图12.焊接变形与线能量之间的关系映射

10.补偿量系统的实现

此补偿量系统上海交通大学开发，基于WEB编程技术的船体建造精度的控制与管理系统，其中的补偿量模块包含造船精度公差标准数据库、造船补偿量数据库、计算船体建造补偿量的功能。

图13.补偿量模块的总体规划

补偿量模块的内容主要包括：

补偿量数据库输入模块、样本更新模块和补偿量智能计算模块。

其角焊和对接焊的结果如下：

图14.角焊补偿量计算结果

图15.对接焊补偿量计算结果

参考文献

【1】刘玉君，李艳君《船体建造精度控制中的尺寸链计算方法》大连理工大学船舶工程学院辽宁大连

【2】陈陟悠，罗宇，曹伟《转向架构架焊接工艺补偿量计算系统开发及验证》南车株洲电力机车有限公司湖南株洲，上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院上海

【3】黄树煌，林少芬《船体建造补偿量研究》集美大学轮机工程学院福建厦门

【4】刘玉君,李艳君《船体建造精度控制中的尺寸链计算方法》中国造船

【5】郭荣奎,耀良《船体建造精度控制技术研究》江苏船舶

【6】郭荣奎,蔡三明《补偿量加放技术的分析和应用》江苏船舶

【7】刘玉君,胡日强,田丰增等《船体零部件补偿量的计算方法研究》哈尔滨工程大学学报黑龙江哈尔滨

【8】胡日强《船体建造精度控制关键技术研究》大连理工大学辽宁大连