本發(fā)明涉及焊接工藝優(yōu)化，具體是涉及一種考慮焊接環(huán)境的耐壓殼焊接工藝優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、深海空間站外部耐壓殼是保障工作人員安全，保證設(shè)備運(yùn)作的基礎(chǔ)與核心，其不僅能夠?yàn)榭臻g站提供穩(wěn)定的自由活動(dòng)空間，更能夠滿足在深海環(huán)境下高強(qiáng)度的抗壓性能要求。分段環(huán)形耐壓殼加工方法中的焊接工藝是確保耐壓殼密閉性的核心技術(shù)，而焊接工藝在耐壓殼整體制造過程中的能量消耗與碳排放量均占整體的40％以上。因此，如何在保證完成加工任務(wù)的情況下減少能耗與碳排放，從而符合經(jīng)濟(jì)性與高能效的綠色制造要求，受到了各方學(xué)者的廣泛關(guān)注。

2、在工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，申請(qǐng)?zhí)枮閏n202310113961.2的基于焊接質(zhì)量、成本及碳排放的焊接工藝參數(shù)優(yōu)化方法，其公開了一種基于mlp的工藝優(yōu)化方法，然而該方法無法滿足耐壓殼環(huán)形結(jié)構(gòu)在氣體保護(hù)焊方式中的工藝參數(shù)優(yōu)化，無法滿足耐壓殼結(jié)構(gòu)的復(fù)雜焊接工藝過程。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：針對(duì)以上問題，本發(fā)明提供一種考慮焊接環(huán)境的耐壓殼焊接工藝優(yōu)化方法。

2、技術(shù)方案：為解決上述問題，本發(fā)明采用一種考慮焊接環(huán)境的耐壓殼焊接工藝優(yōu)化方法，包括以下步驟：

3、s1：選取影響耐壓殼焊接能耗與碳排放的工藝參數(shù)，獲取不同焊接環(huán)境下耐壓殼焊接過程中工藝參數(shù)設(shè)置對(duì)應(yīng)焊接能耗與碳排放的樣本集；

4、s2：根據(jù)樣本集訓(xùn)練并測(cè)試xgboost集成模型，分別得到焊接能耗和碳排放與焊接環(huán)境和工藝參數(shù)之間函數(shù)關(guān)系的回歸預(yù)測(cè)模型；

5、s3：結(jié)合回歸預(yù)測(cè)模型，以降低焊接能耗和碳排放為優(yōu)化目標(biāo)，將工藝參數(shù)作為決策變量，采用多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法mopso對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并找出最優(yōu)解。

6、進(jìn)一步的，所述工藝參數(shù)包括焊接電壓、焊接電流、焊接速度。

7、進(jìn)一步的，所述以降低焊接能耗和碳排放為優(yōu)化目標(biāo)的目標(biāo)優(yōu)化模型為：

8、

9、其中，ec為焊接能耗的機(jī)理模型，ce為碳排放的機(jī)理模型，ecxg為基于xgboost的焊接能耗的回歸預(yù)測(cè)模型，cexg為基于xgboost的碳排放的回歸預(yù)測(cè)模型，ia為焊接電流，vo為焊接電壓，sf為焊接速度，d為能耗校正參數(shù)，t為焊接全過程時(shí)長，αenv為加工環(huán)境影響因子，ηelec(t)為電能碳排放函數(shù)，隨焊接階段時(shí)長變化而變化，b1、b2、b3、b4、b5、b6均為標(biāo)定系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合獲得，iamin為焊接電流的最小值，iamax為焊接電流的最大值，vomin為焊接電壓的最小值，vomax為焊接電壓的最大值，sfmin為焊接速度的最小值，sfmax為焊接速度的最大值。

10、進(jìn)一步的，所述步驟s2中根據(jù)樣本集訓(xùn)練并測(cè)試xgboost集成模型，通過梯度提升的方式實(shí)現(xiàn)，xgboost集成模型每一次迭代中，添加一個(gè)新的樹模型，以最小化模型目標(biāo)函數(shù)，模型目標(biāo)函數(shù)表示為：

11、

12、其中，l()為損失函數(shù)，yi為第i個(gè)樣本的測(cè)量值，yi為第i個(gè)樣本的預(yù)測(cè)值，n為樣本個(gè)數(shù)，ω(fx)為第x棵樹模型的正則項(xiàng)。

13、進(jìn)一步的，分別得到焊接能耗和碳排放與焊接環(huán)境和工藝參數(shù)之間函數(shù)關(guān)系的回歸預(yù)測(cè)模型后，以工藝參數(shù)作為模型的輸入?yún)?shù)，焊接能耗或碳排放作為輸出，從而得到對(duì)應(yīng)工藝參數(shù)的預(yù)測(cè)焊接能耗或碳排放，根據(jù)預(yù)測(cè)的焊接能耗和碳排放作為多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法的個(gè)體適應(yīng)度值，對(duì)對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)。

14、進(jìn)一步的，多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法的尋優(yōu)步驟為：

15、s31：初始設(shè)定模型參數(shù)，將目標(biāo)優(yōu)化模型作為目標(biāo)函數(shù)，并初始化粒子群支配集與非支配集，同時(shí)隨機(jī)分配坐標(biāo)，設(shè)定初始權(quán)重系數(shù)和參數(shù)約束范圍；

16、s32：根據(jù)對(duì)應(yīng)工藝參數(shù)預(yù)測(cè)的焊接能耗和碳排放作為個(gè)體適應(yīng)度輸入優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，并更新各粒子坐標(biāo)與速度；

17、s33：計(jì)算粒子極值pbest，并做分層處理，利用pareto前沿解計(jì)算全局最優(yōu)值pgest；

18、s34：引入擾動(dòng)因子，避免mopso陷入局部最優(yōu)解；

19、s35：重復(fù)步驟s32，直到迭代次數(shù)滿足終止條件，輸出最終最優(yōu)工藝參數(shù)組。

20、進(jìn)一步的，所述步驟s32中粒子坐標(biāo)與速度的更新公式為：

21、vmn(t+1)＝ωvmn(t)+c1×rand1n×(pibest-xmn(t))+c2×rand2n×(pgest-xmn(t))

22、xmn(t+1)＝xmn(t)+vmn(t+1)

23、其中，vmn(t+1)表示粒子下一時(shí)刻的更新速度，vmn(t)表示粒子此刻的更新速度，ω表示慣性權(quán)重，c1、c2表示學(xué)習(xí)率，rand1n、rand2n表示(0,1)之間的均勻分布隨機(jī)數(shù)，pibest表示第i顆粒子在t時(shí)刻的最優(yōu)位置，pgest表示搜索的最優(yōu)位置，xmn(t)表示粒子此刻的坐標(biāo)，xmn(t+1)表示粒子下一時(shí)刻的更新坐標(biāo)。

24、有益效果：本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，其顯著優(yōu)點(diǎn)是在考慮焊接環(huán)境情況下，選擇利用焊接通用參數(shù)作為自變量，可擴(kuò)展性強(qiáng)，融合xgboost模型與多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法(mopso)，完成耐壓殼焊接工藝在能耗與碳排放環(huán)節(jié)的預(yù)測(cè)與參數(shù)優(yōu)化，對(duì)工藝參數(shù)的選擇更準(zhǔn)確，在未來耐壓殼的制造工藝環(huán)節(jié)有效地減小了加工成本，提高了材料利用率與生產(chǎn)效率。

技術(shù)特征：

1.一種考慮焊接環(huán)境的耐壓殼焊接工藝優(yōu)化方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐壓殼焊接工藝優(yōu)化方法，其特征在于，所述工藝參數(shù)包括焊接電壓、焊接電流、焊接速度。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐壓殼焊接工藝優(yōu)化方法，其特征在于，所述以降低焊接能耗和碳排放為優(yōu)化目標(biāo)的目標(biāo)優(yōu)化模型為：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐壓殼焊接工藝優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟s2中根據(jù)樣本集訓(xùn)練并測(cè)試xgboost集成模型，通過梯度提升的方式實(shí)現(xiàn)，xgboost集成模型每一次迭代中，添加一個(gè)新的樹模型，以最小化模型目標(biāo)函數(shù)，模型目標(biāo)函數(shù)表示為：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的耐壓殼焊接工藝優(yōu)化方法，其特征在于，所述樣本集隨機(jī)排序，并將75％作為訓(xùn)練集，25％作為測(cè)試集。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的耐壓殼焊接工藝優(yōu)化方法，其特征在于，分別得到焊接能耗和碳排放與焊接環(huán)境和工藝參數(shù)之間函數(shù)關(guān)系的回歸預(yù)測(cè)模型后，以工藝參數(shù)作為模型的輸入?yún)?shù)，焊接能耗或碳排放作為輸出，從而得到對(duì)應(yīng)工藝參數(shù)的預(yù)測(cè)焊接能耗或碳排放，根據(jù)預(yù)測(cè)的焊接能耗和碳排放作為多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法的個(gè)體適應(yīng)度值，對(duì)對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的耐壓殼焊接工藝優(yōu)化方法，其特征在于，多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法的尋優(yōu)步驟為：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的耐壓殼焊接工藝優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟s32中粒子坐標(biāo)與速度的更新公式為：

9.一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上并可在處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，其特征在于，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述方法的步驟。

10.一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的方法的步驟。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種考慮焊接環(huán)境的耐壓殼焊接工藝優(yōu)化方法，選取影響耐壓殼焊接能耗與碳排放的工藝參數(shù)，獲取不同焊接環(huán)境下耐壓殼焊接過程中工藝參數(shù)設(shè)置對(duì)應(yīng)焊接能耗與碳排放的樣本集；根據(jù)樣本集訓(xùn)練并測(cè)試XGBoost集成模型，分別得到焊接能耗和碳排放與焊接環(huán)境和工藝參數(shù)之間函數(shù)關(guān)系的回歸預(yù)測(cè)模型；結(jié)合回歸預(yù)測(cè)模型，以降低焊接能耗和碳排放為優(yōu)化目標(biāo)，將工藝參數(shù)作為決策變量，采用多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法MOPSO對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并找出最優(yōu)解。在考慮焊接環(huán)境情況下，選擇利用焊接通用參數(shù)作為自變量，可擴(kuò)展性強(qiáng)，對(duì)工藝參數(shù)的選擇更準(zhǔn)確，在未來耐壓殼的制造工藝環(huán)節(jié)有效地減小了加工成本，提高了材料利用率與生產(chǎn)效率。

技術(shù)研發(fā)人員：謝陽,戴逸群,劉金鋒,張建,周宏根
受保護(hù)的技術(shù)使用者：江蘇科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/29