Как влияет азот на прочностные характеристики металла шва


Влияние кислорода, водорода и азота на качество сварного шва. Пути проникновения их в сварочный шов

В расплавленном состоянии металл шва активно взаимодействует с газами кислородом, азотом и водородом. В жидком металле водород растворяется, тогда как азот и кислород вступают с ним в химическое взаимодействие.

Кислород2в металле шва проникает из окружающего воздуха и образует в металлах окислы (FeO, Fe2O3, Fe3O4), что приводит к понижению механических свойств металла. При охлаждении металла окислы железа образуют шлаковые прослойки между зернами металла, неметаллические включения. Окислы железа приводят к коррозии металла.

Азот (N2в металле шва проникает из окружающего воздуха и образует в металле нитриты марганца MnN и кремния SiN. При больших скоростях охлаждения азот не успевает полностью выделится, и составляет с металлом пересыщенный твердый раствор, что со временем является причиной процесса старения металла, при котором значительно снижаются механические свойства стали. Азот является вредной примесью стали, так как, повышает прочность и твердость, значительно снижая пластичность и вязкость металла.

Водород (H2в зону сварки , попадает из окружающего воздуха, влаги электродных покрытий и ржавчины. Молекулярный водород распадается на атомарный , который хорошо растворяется в расплавленном металле. При высоких скоростях охлаждения водород переходит из атомарного состояния в молекулярное состояние, не полностью выделится из металла сварочной ванны, что вызывает образование пор и трещин и снижает пластичность металла шва.

Азот, кислород и водород являются вредными примесями для металла. Для того чтобы предотвратить, защитить сварочную ванну от их влияния необходимо производить раскисления металла при помощи элементов содержащихся электродном покрытии, таких как алюминий, марганец, кремний.

Фактов об азоте, Символ, Открытие, Свойства, Использование

Что такое азот

Азот (произносится как Nye-treh-gen) - химический элемент, существующий в форме бесцветного двухатомного газа. Обозначается химическим символом N, он принадлежит к семейству неметаллов. Это пятый по содержанию элемент в земной коре, представленный молекулярной формулой N 2 [1, 2] . Существует 12 изотопов азота с массами от 11 до 19, из которых только N-14 и N-15 встречаются в природе [3] .

Обозначение азота

Где находится азот

В земной атмосфере он составляет около 78% воздуха, который оценивается примерно в 4000 триллионов тонн. Извлекается из сжиженного воздуха фракционной перегонкой [1, 2] .

История

Происхождение названия: Оно происходит от греческих слов «нитрон» и «гены», которые означают образование нитра. [1] .

Кто открыл это: Дэниел Резерфорд [1]

Когда, где и как было обнаружено

Впервые он был получен в 1760-х годах двумя английскими учеными Генри Кавендишем и Джозефом Пристли при попытке отделить кислород от воздуха.Однако им не удалось подтвердить наличие нового газообразного элемента в атмосфере. Только в сентябре 1772 года в Эдинбурге, Шотландия, Резерфорд назвал его азотом после тщательного анализа [1] .

Азот

Идентификационный номер

Атомный номер 7 [1]
Номер CAS 7727-37-9 [1]
Позиция в таблице Менделеева [1] Группа Период Блок
15 2 с.

Расположение азота в Периодической таблице

Классификация, свойства и характеристики азота

Общие свойства

Относительная / средняя атомная масса 14.007 [1]
Атомная масса / вес 14.007 атомных единиц массы [5]
Молярная масса / молекулярный вес 28,014 г / моль [4]
Массовое число 14

Физические свойства

Цвет / внешний вид Бесцветный [1]
Запах Без запаха [4]
Точка плавления / замерзания -210 ° C (-346 ° F) [1]
Температура кипения -195.795 ° C (-320,431 ° F) [1]
Плотность 0,001145 г / см 3 [1]
Стандартное / Физическое состояние вещества при нормальной комнатной температуре (твердое тело / жидкость / газ) Газ [1]
Электропроводность Неизвестно [3]
Теплопроводность 0,02583 Wm -1 K -1 [4]

Химические свойства

Воспламеняемость Невоспламеняющийся [4]
Степени окисления (числа) 5, 4, 3, 2, -3 [1]

Точечная структура азота по Льюису

Атомные данные азота (элемент 14)

Валентные электроны 5 [6]
Электронная конфигурация (конфигурация благородного газа) [He] 2s 2 2p 3 [1]
Атомная структура [3]
- Количество электронов 7
- Количество нейтронов 7
- Число протонов 7
Радиус атома
- Атомный радиус 1.55 Å [1]
- Ковалентный радиус 0,71 Å [1]
Электроотрицательность 3,04 [3]
Заряд ионов -3 [7]
Энергия ионизации [1]

(кДжмоль -1 )

1-й 2-я 3-й 4-я 5-й 6-й 7-й
1402.328 2856.092 4578.156 7475.057 9444.969 53266.97 33603,91

Азотная модель Бора (атомная структура)

Как обычно используется азот

  • Шины, заполненные азотом, имеют более стабильное давление, чем шины, заполненные воздухом, что сводит к минимуму возможность утечки [1] .
  • Используется при отжиге нержавеющей стали для снижения напряжения и улучшения ее общих функций. [1] .
  • Являясь инертным неметаллом, он используется для защиты полупроводниковых устройств, таких как светодиоды и транзисторы [1, 2] .
  • Жидкий азот - эффективный криоген, используемый в медицинском распылительном оборудовании для удаления бородавок, доброкачественных опухолей и злокачественных новообразований, а также для лечения других кожных проблем [8] . Он также используется в качестве хладагента для хранения донорских органов, яйцеклеток, спермы и других клеток организма для медицинских целей и научных исследований. Кроме того, он помогает дольше хранить продукты [1] .
  • Органический азот является важным химическим компонентом удобрений, нейлона, красителей, азотной кислоты и взрывчатых веществ [1] .
  • Сварочные аппараты для азотной пластмассы используются при ремонте пластмассовых деталей автомобилей путем удаления кислорода [9] .
  • Азотистый иприт, разновидность иприта, состоящего из азота, используется в качестве химиотерапевтических средств при лечении рака [10] .

Элемент токсичен

Вдыхание большого количества N 2 может привести к удушью, слабости и потере сознания [4] .Глубоководные водолазы склонны к состоянию, называемому наркозом, которое проявляется такими симптомами, как галлюцинации, дезориентация, потеря концентрации и кратковременная потеря памяти в результате повышенного давления азота в крови [11] . Попадание жидкой формы неметалла на кожу и в глаза может вызвать некоторые опасные эффекты, такие как обморожение, боль и ожоги. [4] .

Азот жидкий

Интересные факты

  • Это основная составляющая белков и нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) в организме большинства живых организмов [4] .
  • Во времена египетской цивилизации его получали путем нагревания смеси навоза, соли и мочи [1] .
  • Азот иногда называют «дефлогистированным» или «сгоревшим», поскольку, как только весь кислород забирается из воздуха, он состоит только из бывшего [12] .

Стоимость азота

Поскольку он продается в виде баллонов, стандартный 50-литровый будет стоить около 150 долларов, в то время как цена жидкого азота колеблется где-то в пределах 0 долларов.50 и 0,60 доллара за галлон.

Список литературы

  1. http://www.rsc.org/periodic-table/element/7/nitrogen
  2. https://education.jlab.org/itselemental/ele007.html
  3. https://www.chemicool.com/elements/nitrogen.html
  4. https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Nitrogen#section=Top
  5. https://hobart.k12.in.us/ksms/PeriodicTable/nitrogen.htm
  6. https://chem.libretexts.org/Textbook_Maps/Inorganic_Chemistry/Supplemental_Modules_(Inorganic_Chemistry)/Descriptive_Chemistry/Elements_Organized_by_Block/2_p-Block_Elements/Group_15%3Chemistry_TheFilm_Elements/Group_15%3_DOM_Group_15%3_DHM_S_D_Group_15%
  7. https: // opencurriculum.org / 9436 / химические-свойства-азота /
  8. https://www.aafp.org/afp/2004/0515/p2365.html
  9. https://rts.i-car.com/collision-repair-news/nitrogen-hot-air-welding.html
  10. http://cutaneouslymphoma.stanford.edu/community/mustargen.html
  11. https://www.oughttco.com/what-is-nitrogen-narcosis-2963052
  12. https://www.oughttco.com/nitrogen-facts-606568
.

Защитный агент между двумя материалами

Сварочный флюс - это сварочный агент, который предотвращает взаимодействие сварного шва с окружающей средой (например, воздухом). Причина, по которой это так важно, заключается в том, что материал основы и наполнителя может взаимодействовать с атмосферой и вызывать образование оксидов или других нежелательных соединений.

Почему флюс так важен при сварке?

В процессе сварки основной металл и присадочный материал претерпевают значительные изменения температуры за очень короткое время.Нагретый металл может взаимодействовать с окружающим воздухом и вызывать окисление, которое создает оксидный слой на сварном шве, снижая прочность сварного шва.

И не только кислород может создавать инфекционные сварные швы, образование сульфидов и нитридов также может снизить прочность сварного шва.

СВАРКА ТРЕНИЕМ: ПРОЦЕСС, ТИПЫ И ПРЕИМУЩЕСТВА

Поскольку такие газы, как азот, присутствуют в атмосфере в изобилии, металлы имеют очень высокую вероятность воздействия на них включений.Оксидный слой снижает коррозионную стойкость металла.

Также влияет на прочность сварного шва. Поэтому техники и инженеры ищут способы, чтобы кислород никогда не попадал на сварной шов во время процесса сварки.

Основным условием работы флюса является то, что он должен быть инертным по отношению к соединяемым металлам. Другими словами, между флюсом и металлами не должно происходить никакой реакции.

Следовательно, выбор материала флюса зависит от используемых металлов.Помимо предотвращения образования оксидов, сварочный флюс также:

  • Создает защитный шлак над расплавленным металлом
  • Удаляет примеси из металла мотеля
  • Уменьшает разбрызгивание
  • Предотвращает затвердевание за счет замедления времени охлаждения и т. Д.

Флюсы находят применение в дуговой сварке защищенных металлов (SMAW), дуговой сварке порошковой проволокой (FCAW) и дуговой сварке под флюсом (SAW).

Типы электродного флюса

Для сварки флюс не используется как отдельное приложение.Они почти всегда присутствуют вместе с электродом. Флюс наносится на электрод толщиной от 1 мм до 3 мм .

В некоторых электродах внутри полой полости используется флюс. В этом случае электрод закрывает флюс.

В сфере дуговой сварки порошковые электроды в целом подразделяются на четыре различных типа в зависимости от их свойств.

1. Рутиловый электрод

Рутиловое покрытие электрода изготовлено из оксида титана. Они предлагают сварщику отличный контроль дуги и шлака.Благодаря этим свойствам покрытие рутилового электрода часто называют наиболее благоприятным для сварщиков типом флюса.

Количество дыма, выделяемого электродом, также обычно мало для рутилового электрода. Флюс рутилового электрода является предпочтительным выбором для сварки швов вне положения.

2. Основной флюс

Основной флюс изготавливается из карбоната кальция, фторида кальция, карбоната магния и некоторых других защитных соединений. Преимущество использования основного флюса заключается в том, что он приводит к лучшим механическим свойствам и низким уровням диффузии водорода.

Basic Flux является наиболее предпочтительным для высокопрочных сталей. Однако основной флюс гораздо менее терпим, когда речь идет о стабильности работы и нестандартных сварных швах.

Дуга также менее предсказуема при использовании основного потока.

3. Покрытие электрода из целлюлозы

В покрытии электрода из целлюлозы используется смесь целлюлозы и других органических соединений. Когда целлюлоза подвергается воздействию высоких температур при сварке, она разлагается с образованием окиси углерода и водорода.

Производство этих двух газов обеспечивает защиту сварного шва от атмосферы. Они также обеспечивают лучшее проплавление сварных швов.

Однако высокая скорость образования водорода может не подходить для сварки металлов, которые проявляют свойства включения водорода.

4. Покрытие из оксида железа

Покрытие из оксида железа представляет собой смесь металлических оксидов железа, марганца и кремнезема. Когда они нагреваются, они производят расплавленный кислый шлак.

Из-за высокого образования кислорода покрытие из оксида железа не подходит для сварки металлов, которые легко подвергаются включению кислорода.Одним из способов предотвращения окисления сварного шва является добавление раскислителей в сварочную сердцевину.

Разница между сваркой MIG и сваркой под флюсом

Сварка MIG или сварка в среде инертного газа - это процесс сварки, при котором электрод вводится в сварной шов с помощью электродной горелки. По сравнению со сваркой под флюсом, сварка MIG не требует покрытого флюсом электрода, поскольку в ней используется защитный газ для защиты сварочной ванны от внешнего вмешательства.

Но на этом различия не заканчиваются.

Стоимость

Сварочное оборудование MIG обычно дороже, чем установка для дуговой сварки. Следовательно, первоначальный капитал для сварки MIG - это больше, чем дуговая сварка.

Портативность

По сравнению с MIG, оборудование для дуговой сварки порошковой проволокой легко транспортировать. Компонентов, которые нужно перемещать, меньше, поскольку нет никакой системы, необходимой для подачи струи воздуха к сварному шву.

Простота использования

Сварка MIG намного проще для новичка по сравнению со сваркой под флюсом.Простота использования объясняется тем фактом, что сварщику необходимо обрабатывать только один компонент за раз. Сварка под флюсом часто требует более квалифицированных сварщиков.

В помещении или на открытом воздухе

Сварка MIG невозможна снаружи, так как внешние факторы, такие как ветер или дождь, могут значительно снизить прочность сварного шва. По этой причине они в основном предназначены для использования внутри помещений.

Сварка под флюсом не имеет таких ограничений. Они продолжают работать даже в менее благоприятных условиях.

Толщина металла

Сварка MIG используется для сварки металлов тонкой и средней толщины.Сварка под флюсом эффективна для металлов большой толщины благодаря своей глубокой проникающей способности.

Аргон - один из самых популярных защитных газов MIG, используемых в промышленности, благодаря доступной цене и инертным химическим характеристикам.

Заключение

Сварка - это не просто процесс соединения металлов. Безупречный сварной шов - это результат множества сознательных решений, принимаемых сварщиком с учетом всех особенностей.

СВЯЗАННЫЕ С: ХОЛОДНАЯ СВАРКА: СОЕДИНЕНИЕ МЕТАЛЛОВ БЕЗ ТЕПЛА

Флюс является неотъемлемой частью дуговой сварки, и выбор одной из них оказывает большое влияние на окончательное качество сварки.Сварщики проходят подробное обучение, чтобы ознакомиться с различными методами сварки и компонентами, используемыми для каждого метода сварки.

Сварка сердечником флюсом вполне может быть одним из старейших методов дуговой сварки. Тем не менее, это один из самых эффективных и широко используемых методов соединения металлов.

.

Обзор методов оценки усталости сварных стальных конструкций

Из-за высоких концентраций напряжений сварные соединения представляют собой наиболее распространенные места возникновения усталостных трещин в стальных конструкциях, склонных к усталости. Сварка влияет на свойства материала в процессе нагрева, охлаждения и сочетания основного и дополнительного материала. Поскольку сварка является основным процессом соединения элементов стальных конструкций, очевидно, что оценка усталости в процессе проектирования и технического обслуживания становится неизбежной.Существует множество методов оценки усталости сварных соединений, но их точность остается под вопросом. В данной статье представлен обзор наиболее распространенных методов оценки усталости сварных стальных соединений. В результате этого обзора выделены области, требующие дополнительных исследований.

1. Введение

В течение срока службы многие стальные конструкции, такие как автомобильные и железнодорожные мосты, нефтегазовые платформы (морские платформы), ветряные мельницы и т. Д., Подвергаются большому количеству повторяющихся циклических нагрузок.Со временем эти нагрузки могут вызвать повреждения, например трещины, в критических местах. Это явление называется «утомляемость». Его можно определить как прогрессирующий локализованный процесс, в котором повреждение непрерывно накапливается в конструкции или структурном элементе из-за эффекта циклической нагрузки, которая имеет гораздо меньшую интенсивность, чем статическое сопротивление наблюдаемой структуры или структурной детали. Исследование Oehme [1] показывает, что усталость занимает третье место в качестве причины разрушения стальных конструкций, склонных к усталости.

Усталостные трещины обычно возникают в местах резкого изменения геометрии или в местах надрезов [2], где наблюдается локализованное увеличение напряжения (концентрация напряжений). Чем меньше вырез, тем больше концентрация напряжений и, в конечном итоге, сокращается усталостный ресурс. Наиболее частыми местами возникновения усталостных трещин в стальных конструкциях являются сварные соединения, поскольку они являются местами с высокой концентрацией напряжений. Очевидно, что оценка усталости становится неизбежной при проектировании и техническом обслуживании, поскольку сварка является основным процессом соединения элементов в конструкциях, упомянутых выше.Кроме того, в последние несколько лет высокопрочные стали все чаще используются для изготовления стальных конструкций из-за снижения собственного веса конструкции, и, хотя ее использование дает положительный эффект, усталость становится ведущим предельным состоянием по пределу прочности.

В статье представлен обзор особенностей усталостных сварных соединений и наиболее важных методов расчета и оценки усталостной долговечности сварных стальных конструкций, склонных к усталости. Области, требующие дополнительных исследований, выделены в результате обзора.

2. Усталость сварных соединений
2.1. Усталость в целом

Термин «усталость» впервые был упомянут в 19 веке для описания разрушения конструкции или структурного элемента, подвергающегося циклической нагрузке. Исследование усталости было впервые проведено Августом Велером, исследовавшим отказ осей поездов. Он обнаружил, что структурная нагрузка, которая намного ниже ее статического сопротивления, не вызывает никаких повреждений. Однако в случае повторения одной и той же нагрузки в течение длительного периода времени это может привести к выходу из строя конструкции или элемента конструкции.В XIX веке усталость была загадочным явлением, потому что усталостные повреждения не могли быть замечены, а поломка происходила без всякого предупреждения. В ХХ веке стало известно, что циклическое (повторяющееся) нагружение конструкции запускает механизм усталости и, соответственно, зарождение и распространение трещин. С тех пор, как это явление усталости стало общепризнанным, было проведено много исследований и достигнут значительный прогресс в разработке методов оценки усталости, понимании механизма усталости конструкций и материалов, а также в разработке деталей, устойчивых к усталости.Однако это явление требует дальнейшего изучения [3].

Хронология развития утомления с 1837 по 1994 гг. Приводится Шютцем [4], а также Манном [5] в его коллекции из 21 075 литературных источников в его четырех книгах, посвященных проблеме усталости материалов и конструкций с 1838 г. по 1990 г. Обзор методов оценки усталости с 2002 г. и факторов, влияющих на усталостное поведение конструкций и материалов, был проведен Куи [6].

Понимание механизма усталости является необходимым условием при рассмотрении различных факторов, влияющих на усталостную долговечность, и выборе подходящих методов оценки.Усталостная долговечность конструкции или структурного элемента измеряется от фазы зарождения и распространения трещины. Трещины от циклического нагружения обычно возникают на поверхности структурного элемента, где усталостное повреждение проявляется в виде микроскопических трещин в кристаллографических плоскостях скольжения. Эта фаза называется «фазой зарождения трещины». Кроме того, трещины распространяются от локализованной пластической деформации до макроскопических размеров в направлении, перпендикулярном направлению нагружения, которое представляет собой фазу распространения трещины [3].Фаза зарождения трещины также включает в себя рост трещины в микроскопическом масштабе, но его все еще нельзя увидеть невооруженным глазом. Очень сложно определить точку между фазами зарождения и распространения трещины. На этапе зарождения трещины усталость является поверхностным явлением и зависит от характеристик поверхности материала и условий окружающей среды, в то время как распространение трещины зависит от характеристик материала, по которому трещина распространяется. Эти две фазы были впервые признаны Форсайтом [7], что является одним из крупнейших достижений в исследованиях усталости металлов в 20 веке.Механизм усталости в различных материалах и структурах широко описан Шийве [3] в его книге.

Современные теории усталости отдельно анализируют каждую фазу процесса утомления. Теории возникновения трещин основаны на предположении, что усталостные трещины возникают с локальными концентрациями напряжений или деформаций на поверхности структурного элемента из-за различных геометрических форм, таких как отверстия, выемки, неоднородности и т. Д. Распространение трещины и окончательное разрушение (разрушение) анализируются с помощью механики разрушения, которая рассматривает скорость распространения трещины в зависимости от напряженного состояния в вершине трещины.

2.2. Усталостные свойства сварных соединений

Металлоконструкции содержат большое количество геометрически сложных сварных деталей. Сварка влияет на свойства материала в процессе нагрева, охлаждения, а также путем соединения основного и дополнительного материала. Это приводит к неоднородности сварных швов. Сварные швы всегда содержат определенные недостатки, такие как зазубрины, поры, пустоты, недостаточный провар и неполное соединение основного и дополнительного материала. Влияние дефектов на усталостную долговечность сварных соединений рассмотрено Хоббахером [8].Мэддокс работал с оценкой усталостной долговечности сварных швов с дефектами [9] и пришел к выводу, что подход механики разрушения лучше всего подходит для таких оценок. Сварка представляет собой резкое изменение геометрии соединения, которое вызывает высокие концентрации напряжений, как показано на рисунке 1.


Сварка проводится путем плавления основного и дополнительного материала с использованием концентрированного источника тепла. Возникновение остаточных напряжений в зоне термического влияния и деформации элементов из-за деформаций, вызванных нагревом, является результатом быстрого охлаждения после сварки.Локальные концентрации напряжений, которые добавляются к циклическим напряжениям от внешней нагрузки, вызываются остаточными напряжениями в корне или носке сварного шва, и в некоторых случаях усталостная долговечность снижается [10, 11]. На усталостную прочность сварных соединений влияет толщина листов соединяемых элементов. Основываясь на экспериментальных результатах и ​​анализе, Герни [12] подтвердил, что увеличение толщины листа приводит к снижению усталостной прочности сварных соединений. Остаточные напряжения, вызванные процессом сварки, увеличиваются за счет увеличения толщины листа.В стандартах отрицательное влияние толщины элемента учитывается коэффициентом уменьшения сопротивления усталости, например, в европейских стандартах EN 1993-1-9, с коэффициентом уменьшения усталостного напряжения для учета размерных эффектов [13]. Важно отметить, что качество основного материала незначительно влияет на усталостную прочность сварных соединений по сравнению с другими факторами. Однако, как упоминалось во введении, использование высокопрочных сталей приводит к уменьшению собственного веса, и есть отрицательный эффект на стороне нагружения, которая в этом случае становится доминирующей.Следовательно, усталость становится ведущим предельным состоянием при проектировании конструкций.

Как упоминалось ранее, двумя фазами процесса усталости являются фаза зарождения трещины и фаза распространения. Для несварных деталей, которые склонны к усталости, большая часть усталостной долговечности связана с фазой зарождения трещины, в то время как фазой распространения трещины можно пренебречь. Сварные соединения содержат уже упомянутые недостатки в местах, где трещины могут начать распространяться с первого цикла нагружения.Поэтому в сварных соединениях фазой зарождения трещины можно пренебречь, а предел выносливости свариваемых деталей зависит от исходного размера дефекта внутри сварного шва [14]. Уже упомянутые особенности сварного шва показывают, что в сварных деталях, склонных к усталости, трещины всегда возникают в местах сварки, а не в основном материале. Трещины могут возникать в корне или на носке шва. В случае стыковых швов с полным проваром усталостные трещины возникают на носке сварного шва и распространяются по основному материалу, а в случае неполного провара трещины возникают в корне шва и распространяются по его толщине [15].

Для улучшения свариваемых стальных деталей возможно применение методов послесварочной обработки. Наиболее распространенными являются шлифование заусенцев (BG), обработка TIG (TIG), ударная обработка, чистка игл и HFMI (высокочастотное механическое воздействие) для удаления дефектов, вызванных сваркой [16, 17]. Это обеспечивает более плавный переход между подошвой сварного шва и основным материалом, что снижает концентрации напряжений, показанные на рисунке 1. Кроме того, некоторые из этих методов снимают остаточные напряжения таким образом, что деформации (деформации) пластического материала в области носка сварного шва вызывают положительные сжимающие напряжения.Следствием послесварочной обработки является увеличение возможного количества циклических нагрузок, вызывающих возникновение трещин. Основываясь на более длительной фазе зарождения трещины, качество стали теперь играет роль в повышении усталостной прочности [18]. Таким образом можно получить сварные стальные детали, которые на 30–60% более устойчивы к усталости [16]. Важно отметить, что обработка подошвы шва незначительна, если трещина зародилась в корне шва.

Усталостное повреждение возникает уже при относительно небольших напряжениях, далеко от текучести материала.Поэтому в рамках различных методов оценки усталости оправдана оценка напряжений на основе теории упругости. Ключевую роль в оценке сопротивления усталости свариваемых деталей играет точная оценка воздействия нагрузки и геометрии. Этого практически невозможно достичь без использования современных компьютерных инструментов, основанных на методе конечных элементов. Примеры расчетов соответствующих нагрузок в рамках оценки усталостной долговечности можно найти в [15, 19–21]. Развитие метода конечных элементов приводит к появлению более совершенных методов оценки сопротивления усталости, таких как метод напряжений в горячих точках, метод структурных напряжений, нечувствительных к сетке и метод эталонных кривых SN, метод эффективного напряжения надреза или деформации и анализ распространения трещин с помощью линейно-упругая механика разрушения.

Проблема усталости сварных соединений дополнительно усложняется, если циклические напряжения в свариваемых деталях действуют в большем количестве направлений. Это явление называется многоосной усталостью, которая значительно неблагоприятна для сварных соединений по сравнению с одноосной усталостью [22]. В литературе есть много предложенных теорий для оценки многоосной усталостной долговечности сварных соединений [23–25]. Анализ 233 экспериментальных результатов сварных соединений, склонных к усталости, представлен в статье Бэкстремса и Маркиза [26].Результаты анализируются тремя различными методами, основанными на напряжении в горячих точках, которые включают максимальную амплитуду главного напряжения, максимальную амплитуду напряжения сдвига и подход к модели критической плоскости. Сделан вывод, что модель критической плоскости лучше всего описывает кривую S-N. Однако в будущем необходимо дополнительно развить этот метод для учета остаточных напряжений.

Многоосная усталостная нагрузка может быть пропорциональной, когда направление главных напряжений постоянное, и непропорциональной, когда направления напряжений меняются во времени.В случае пропорциональной нагрузки в EN 1993-1-9 [13] предлагается использование максимальной основной нагрузки в качестве параметра повреждения. Непропорциональная нагрузка наносит гораздо больший ущерб по сравнению с пропорциональной. В этом случае многоосная усталость разбирается на две составляющие: нормальные и касательные напряжения. Используя правило Майнера, повреждения каждого компонента оцениваются отдельно и объединяются уравнениями взаимодействия. Уравнения взаимодействия наиболее подходят для случаев, когда нормальные и касательные напряжения действуют в одном месте и в одном направлении.Существуют эксперименты, которые показывают, что усталостная долговечность элементов, подверженных непропорциональной нагрузке, столь же близка, как и усталостная долговечность элементов, склонных к одноосной нагрузке [27]. Основываясь на 233 экспериментальных результатах, Бэкстрем и Маркиз сравнивают уравнения взаимодействия, приведенные в рекомендациях европейских стандартов EN 1993-1-9 [13], финских стандартов SFS 2378 [28] и рекомендаций IIW [25]. Показано, что все три выражения обладают определенной степенью консерватизма [29]. Наилучшая корреляция для пропорциональных и непропорциональных нагрузок дается с уравнениями взаимодействия из рекомендаций IIW, которые ограничивают совокупную сумму повреждений для непропорциональной нагрузки на 0.5.

Консерватизм уравнений взаимодействия в EN 1993-1-9 [13] и рекомендациях IIW [25] подтвержден Лотсбергом в его статье [30]. Соединения, в которых трещина возникает в корне шва из-за многоосной нагрузки, были исследованы Bokesjö et al. [31]. Были проведены только испытания с пропорциональными напряжениями. Результаты были проанализированы уравнениями взаимодействия трех стандартов [13, 25, 32]. Показано, что модели оценки многоосной усталости подходят для определения усталостной долговечности, когда трещина возникает в корне сварного шва.

В настоящее время преимущества оценки многоосной усталости с помощью спектрального анализа напряжений более признаны, чем классическая хронология напряжений. Временные истории, которые используются для оценок, часто показывают большие статистические вариации, и каждое следующее напряжение, записанное во времени, отличается. Более того, моделирование амплитуды многоосных напряжений с более длительной историей может занять время. Эти проблемы могут быть решены с помощью спектрального подхода и обзора методов оценки многоосной усталости с использованием спектрального подхода, приведенного в [33].Необходимо провести дополнительные исследования, чтобы подтвердить пригодность численных моделей в реальных условиях. За последние четыре десятилетия было проведено много исследований, которые значительно улучшили понимание многоосевой усталости [34]. Однако очевидно, что для точной оценки динамики элементов, склонных к многоосной усталости, требуются дальнейшие значительные исследования, с акцентом на разработку уравнений взаимодействия, чтобы снизить степень консерватизма и позволить простой инженерный метод для практических оценок. .Кроме того, необходимо исследовать влияние компонентов нормального напряжения на разрушающий процесс касательных напряжений, что дало бы лучшее понимание поведения взаимодействия [29].

3. Методы оценки усталостной долговечности сварных соединений в целом

Оценка усталостной долговечности сварных соединений является очень сложной и сложной процедурой. Сварные соединения крупных стальных конструкций могут подвергаться различным нагрузкам в зависимости от их геометрической конфигурации и степени сложности.Оценка усталости явно или неявно включает сравнение нагрузки, напряжений или деформаций с их критическими значениями, которые вызывают повреждения, деформации, начальную трещину или отказ. Классические методы оценки напряженного состояния, а также базы данных с результатами подробных экспериментальных исследований были весьма ограничены. Детали проектирования и моделирования на практике основывались на опыте, полученном методом проб и ошибок [35, 36].

Сегодня существует множество подходов к оценке усталостной долговечности в зависимости от того, как учитывается локальная концентрация напряжений.Общие методы основаны непосредственно на внутренних силах и моментах в критическом сечении в предположении линейного распределения напряжений. Влияниями локальных концентраций на стороне нагружения пренебрегают. Оценки локальной усталости основываются на местных параметрах (местные напряжения или деформации) с учетом эффектов локальной геометрии в наблюдаемом месте. Наиболее часто используемые варианты локального и глобального подходов показаны на Рисунке 2 [10]. Каждый вариант характеризуется определенными параметрами нагружения, напряжения или деформации со стороны воздействия, а на диаграммах - со стороны сопротивления.


Руководства и стандарты по оценке усталости в основном основаны на подходе номинального напряжения, который фактически является глобальной концепцией. Однако выход из строя элементов конструкции из-за усталости - это локальный процесс. Локальные параметры и геометрия максимально влияют на усталостную прочность и усталостную долговечность элементов конструкции. Обширная литература, содержащая местные подходы для несварных и сварных конструкций, собрана Радаем [37]. Наиболее часто используемые методы, основанные на напряжениях, - это подход номинального напряжения, метод напряжения горячей точки и метод эффективного напряжения надреза [37, 38].В последнее десятилетие метод структурных напряжений, нечувствительных к сетке, и метод эталонной кривой S-N [39, 40] также стали широко распространены благодаря доступности удобного для пользователя коммерческого программного обеспечения, такого как Verity ™ в FE-safe ™ [41].

Для проведения точной оценки усталости сварных стальных конструкций необходимо иметь столь же точную информацию о нагрузке; даже малейшее изменение значения нагрузки может вызвать большую разницу в результатах оценки. Более того, определение нагрузки методом конечных элементов является идеализацией и не включает все параметры, влияющие на поведение конструкции.Единственный способ получить точную информацию о нагрузке - это измерение поля, когда реальные деформации могут быть измерены и отмечены различными датчиками, прикрепленными к элементам конструкции. Таким образом создается наиболее точная основа для оценки утомляемости.

Системы долгосрочного мониторинга состояния конструкций, так называемые системы мониторинга состояния конструкций, в настоящее время более широко используются и развиваются [42, 43]. Они предназначены для раннего обнаружения структурных повреждений, предоставления информации о состоянии конструкции в реальном времени и для получения данных для дальнейших исследований [44].Преимущества таких систем признаны во многих странах и внедрены в большие стальные конструкции по всему миру [42, 44–48]. Для точного определения мест повреждений на конструкции используются локальные неразрушающие методы, такие как визуальный осмотр, ультразвуковой контроль, радиографические методы, контроль магнитных частиц и так далее. [49, 50]. Эти методы часто дороги и требуют много времени, но необходимы из-за оценки структурного состояния после повреждений [51].Недостатком всех этих методов является то, что история структурного состояния представляет собой только запись в определенном временном интервале и не должна представлять состояние в будущем. Учитывая множество неопределенностей, возникающих во время процедуры оценки усталости, вероятностный подход представляет собой рациональное решение. Источники неопределенностей в основном классифицируются как физические неопределенности, неопределенности измерения, статистические неопределенности из-за ограниченного числа измерений и неопределенности модели из-за несовершенства и идеализации.Разработка методов надежности конструкции (вероятностных) и метода накопления усталостных повреждений позволила при оценке усталости учесть все эти неопределенности. В конце 80-х годов были опубликованы статьи, предлагающие полную методологию оценки утомляемости с помощью вероятностных методов [52]. В то время эти методы в основном использовались для морских конструкций, а затем для оценки усталости соединений внутри стальных мостов, подверженных транспортной нагрузке [53, 54].Исчерпывающий обзор литературы, посвященной существующим подходам к надежности для повторной оценки автомобильных и железнодорожных мостов, доступен в статье Byers et al. [55].

Первым шагом в анализе усталостной надежности конструкций является формулировка математической модели, которая в идеале включала бы больше переменных, влияющих на усталостные характеристики. После этого проводится вероятностный и статистический анализ [52].

При оценке усталости два основных подхода, которые в основном используются на этапе проектирования и оценки уровня надежности, - это подходы SN в сочетании с правилом Майнера и механикой разрушения, которая используется на этапах оценки состояния и оценки остаточной усталости. жизнь конструкции.В первом случае целью анализа на усталость является определение усталостной долговечности конструкции или элемента конструкции с заданной надежностью или определение интервалов проверки, в то время как в других случаях целью является определение интервалов проверки или оставшегося времени до ремонта.

4. Подходы на основе кривых S-N
4.1. В целом

Для успешного проведения оценки усталости стальной конструкции необходимо оценить усталостную долговечность каждого элемента конструкции.Сопротивление детали представлено соответствующей кривой S-N, полученной в результате испытания образцов, подвергнутых переменным напряжениям постоянной и переменной амплитуд. Он определяется как соотношение между переменными напряжениями S и количеством изменений напряжений N . Таким образом, получают данные о сопротивлении каждой детали соответствующей геометрии, качестве работы, влиянии окружающей среды и способе нагружения.

Если кривые показаны в логарифмическом масштабе, линии берутся, рисунок 3.Аналитическое уравнение для кривой S-N: где - угол наклона кривой S-N, - значение амплитуды, которое соответствует количеству изменений напряжения, и - значение амплитуды, которое соответствует количеству изменений напряжения.

Из рисунка 3 видно, что сопротивление усталости уменьшается с увеличением числа амплитуд напряжений N . Билинейная кривая S-N имеет определенный наклон (обычно м = 3) к точке, которая соответствует пределу усталости с постоянной амплитудой (CA, рисунок 3.). Предполагается, что усталостная долговечность определенной детали при постоянных амплитудах напряжений ниже этого предела бесконечна. Сегодня авторы очень скептически относятся к этому утверждению [56]. Если проверка проводится достаточно долго, каждый элемент в конечном итоге выйдет из строя. Это особенно верно в случае конструкций, которые подвергаются большому количеству циклов напряжения. Как показано на рисунке 3, необходимо изменить допущение о пределе усталости с постоянной амплитудой (CA), если деталь подвергается нагрузкам с переменной амплитудой (VA).В случае переменных амплитуд (пунктирная линия на рис. 3) этот предел выносливости должен быть изменен. Например, европейский стандарт [13] дает кривые S-N с наклоном, измененным на м, = 5 после CA с горизонтальной линией после N = 10 8 (предел отсечения). Стандарты IIW в случае многоцикловой усталости принимают кривые S-N с наклоном м = 22 после CA без предела отсечки. Если пренебречь пределом усталости по постоянной амплитуде и выбрать одну линию с постоянным наклоном к горизонтали, это будет консервативный подход, как показано пунктирной линией.

Во время оценки усталости характерные детали классифицируются по категориям (классы FAT) таким образом, что одна стандартизованная кривая представляет больше деталей. В стандартах категория деталей представляет детали диапазона напряжений, выраженных как характеристическая усталостная прочность в МПа для количества циклов напряжения N = 2 × 10 6 .

Как упоминалось ранее, кривые S-N основаны на экспериментальных результатах, полученных в основном при постоянных амплитудах, в то время как в действительности детали подвергаются нагрузкам с переменными амплитудами.Используя гистограмму, можно показать спектр переменного напряжения, где каждый блок определяется амплитудой напряжения, Δ σ i и соответствующим количеством вариаций напряжения (Рисунок 4).


На рисунке 4 представлена ​​гистограмма с шестью такими блоками. Чтобы преобразовать напряжения с переменной амплитудой (которые могут быть обнаружены в действительности) в напряжения постоянной амплитуды, предполагается, что каждый блок напряжений вызывает определенные связанные частичные повреждения ( n i / N i ) , при котором порядок напряжений не учитывается.

Эта процедура называется гипотезой Палмгрена – Майнера о линейном накоплении повреждений, широко известной как правило Майнера [57]. Согласно правилу Майнера, кумулятивное усталостное повреждение может быть выражено как где - количество диапазонов напряжений с постоянной амплитудой и - количество диапазонов напряжений до разрушения.

Отказ происходит, когда сумма каждого частичного повреждения равна единице. Правило Майнера также может применяться с использованием концепции эквивалентного диапазона напряжений. Он представляет собой диапазон фиктивного напряжения постоянной амплитуды Δ σ e , который вызывает такие же повреждения, как и сумма диапазонов напряжений Майнера, если это происходит достаточно часто.Диапазон эквивалентных напряжений сравнивается с соответствующей кривой S-N для заданного числа диапазонов напряжений. Обзоры применения правил Майнера для сварных конструкций даны Мэддоксом и Размджу [58], Герни [59] и Сонсино и др. [60, 61].

Оценка усталостной долговечности стохастически нагруженной конструкции связана с соотношением спектра напряжений и сопротивления рассматриваемой детали. Спектр напряжений обычно неизвестен и может быть получен с помощью различных измерений и моделирования.Чтобы получить амплитуды напряжений из истории напряжений, необходимо использовать один из методов подсчета диапазона напряжений, например, метод водохранилища или дождевого потока [62]. Метод резервуара больше подходит для ручных расчетов, а метод дождевого потока больше подходит для программирования и, соответственно, компьютерного расчета [63].

Подход S-N не отличается от зарождения и распространения трещин, но учитывает общую усталостную долговечность конструктивного элемента. В случае геометрически сложных деталей конструкции, которые невозможно отнести к определенной категории, необходимо использовать более продвинутые методы оценки усталости (местные подходы), которые точно определяют значения напряжений в наблюдаемом месте.Применение локальных подходов оправдано тем, что даже процесс утомления локального характера не может быть хорошо описан глобальными подходами. Функция предельного состояния формируется базовыми переменными со стороны сопротивления и нагрузки. Модель нагрузки определяется ее собственным значением и частотой возникновения, в то время как модель сопротивления получается путем испытаний на усталость. Обзор наиболее часто используемых функций распределения для модели нагрузки и сопротивления приведен в [53]. Существует множество вероятностных исследований усталостных повреждений и оценок усталостной долговечности мостов.Вероятностная модель для оценки надежности стальных мостов на основе данных длительного мониторинга разработана Ni et al. [64]. В статье интегрировано распределение вероятностного диапазона напряжений в горячей точке с вероятностной формулировкой правила Майнера. Недавние оценки усталости стальных мостов с помощью билинейной кривой S-N также можно найти в [65, 66].

Как уже упоминалось, кривая S-N представляет собой взаимосвязь между диапазонами напряжений с постоянными амплитудами и количеством диапазонов напряжений до разрушения.Если речь идет о переменных амплитудах, используется правило Майнера. Для эргодических процессов диапазонов напряжений разбросом истории напряжений можно пренебречь и разрушение D n с диапазоном напряжений n можно записать как [67]:

.

Математическое моделирование процесса сварки трением с перемешиванием для прогнозирования прочности соединения двух разнородных алюминиевых сплавов с использованием экспериментальных данных и генетического программирования

Сварка трением с перемешиванием (FSW) - самый популярный и эффективный метод соединения твердотельных элементов для аналогичных, а также разнородные металлы и сплавы. Он в основном используется в аэрокосмической, железнодорожной, автомобильной и морской промышленности. Многие исследователи в настоящее время работают с разными точками зрения на этот процесс FSW для различных комбинаций материалов.Общие входные параметры процесса - это толщина листа, осевая нагрузка, скорость вращения, скорость сварки и угол наклона. Выходными параметрами являются твердость соединения,% относительного удлинения, а также предел прочности при ударе и текучести. Генетическое программирование (GP) - это относительно новый метод эволюционных вычислений, главное преимущество которого заключается в оценке эффективных математических моделей или уравнений для прогнозирования без каких-либо предварительных предположений относительно возможной формы функциональной взаимосвязи.В этом документе определяется и показано, как GP может быть применен к процессу FSW для получения точных соотношений между выходными и входными параметрами для получения обобщенной модели прогнозирования. Модель GP поможет инженерам в количественной оценке производительности FSW, а результаты этого исследования можно затем использовать для оценки будущих требований на основе исторических данных, чтобы обеспечить надежное решение. Полученные результаты по моделям GP показали хорошее согласие с экспериментальными и целевыми данными при средней ошибке прогноза 0.72%.

1. Введение

Некоторые металлы, такие как алюминий и его сплавы, известны как несвариваемые материалы с использованием традиционных методов сварки и не могут обеспечить достаточную прочность из-за пористости в зоне плавления. Однако недавние усовершенствования методологии сварки и исследования исследователей привели к разработке новой техники сварки, известной как сварка трением с перемешиванием (FSW) [1, 2]. В 1991 году Институт сварки в Великобритании изобрел технологию соединения в твердом состоянии, которая первоначально применялась к алюминиевым сплавам.Основная концепция FSW исключительно проста, в которой неотвлекаемый твердотельный термообработанный твердосплавный инструмент (со штифтом и буртиком) вводится в стыковые концы листов или пластин, которые необходимо соединить, и перемещается вдоль линии соединения с определенным вращением. скорость, скорость перемещения, осевое усилие и угол наклона. Этот процесс сварки обеспечивает получение качественной сварки [3]. Поскольку вращающийся инструмент контактирует с соединяемыми материалами, он нагревает соединение, что в дальнейшем приводит к пластической деформации соединения.Этот процесс относится к категории сварки в твердом состоянии, поскольку на стыке не образуется сварочная ванна; скорее вращательное движение инструмента передает материал для создания соединения. Различная геометрия инструмента приводит к развитию различных структур кристаллизации зерен, что в конечном итоге приводит к различной прочности сварного соединения в зависимости от типа геометрии [4, 5].

1.1. Обзор литературы

Соединение термообработанного алюминия с нетермообработанными алюминиевыми сплавами требует использования скорости вращения инструмента, скорости перемещения и угла наклона в качестве входных параметров и твердости, прочности на разрыв и предела текучести в качестве выходных параметров.Выходные параметры для разнородных металлов трудно достижимы из-за различных тепловых коэффициентов, химического состава основного металла и свойств термообработанного алюминия и нетермообработанного алюминиевого сплава [6]. Исследование оптимизированного влияния параметров сварки на алюминиевые пластины AA6082 толщиной 5 мм с помощью метода ANOVA основано на ортогональном массиве L8, показывающем, что скорость вращения инструмента, скорость сварки и врезания являются важными параметрами при определении прочности и относительного удлинения [7 , 8].

FSW - это процесс соединения в твердом состоянии, который подходит для соединения алюминиево-медных сплавов по сравнению с процессами сварки плавлением. Математическая модель с параметрами процесса и геометрией инструмента для прогнозирования таких характеристик, как предел текучести, предел прочности и пластичность сварных швов трением с перемешиванием алюминиевого сплава AA2014-T6 [6], сформулирована с использованием эмпирических соотношений. Оптимизация параметров процесса для достижения высокого предела прочности на разрыв для определения влияния параметров процесса соединения СТП для аналогичных алюминиевых сплавов h40 помогла разработать практический подход к определению оптимальных условий, ведущих к более высокому пределу прочности [9].

Значительная оптимальная поперечная подача достигается с помощью квадратного инструмента при обнаружении влияния параметров сварки на механические свойства, такие как твердость и предел прочности при осевом типе зоны сварного шва [10]. Было обнаружено, что метод ANOVA и метод Тагучи очень полезны в случае сплава AA6063 для погруженного состояния FSW для получения оптимальных условий сварки для максимальной прочности на твердость с параметрами процесса сварки, такими как скорость вращения, скорость сварки и профили стержней инструмента ( цилиндрические, резьбовые и конические) [4, 11–14].

Параметры геометрии инструмента (диаметр выступа и штифта, форма штифта и выступа, а также длина) сыграли решающую роль в тепловыделении и потоке материала при определении влияния параметров сварки на механическую прочность аналогичных или разнородных алюминиевых сплавов [15, 16 ]. Скорость вращения инструмента была наиболее влиятельным фактором при выборе оптимальных параметров процесса FSW разнородных алюминиевых сплавов (AA6262 и AA7075) с использованием реляционного анализа Грея характеристик множественного отклика, таких как прочность на разрыв (UTS) и твердость по Виккерсу (VHN) [17].

Модель методологии поверхности отклика (RSM) была разработана для исследования влияния геометрии уступа инструмента и зонда на Al FSW в отношении прочности сварного шва, площади поперечного сечения и размера зерна, чтобы определить, что подходит для характеристик FSW [ 5]. Анализ дисперсии данных показал, что скорость вращения и диаметр инструмента являются основными и второстепенными значимыми факторами соответственно. Аналогичным образом это видно при изучении влияния сварочных факторов на микроструктуру и механическую прочность неоднородных специально сваренных заготовок (сплавов Al 5083-h22 и 6061-T6) [18].Оптимизация параметров СТП была установлена ​​в различных условиях основного материала и микроструктуры сварного состояния по сравнению с послесварочными термообработанными микроструктурами, сваренными в отожженном состоянии и состоянии Т6 [19]. Также были расширены работы по СТП с использованием алюминиевых сплавов и влияния геометрии инструмента на микроструктуру, тип дефекта и механические свойства соединения. Для большего диаметра заплечика и штифта возникающие дефекты были меньше по сравнению с их меньшими размерами [20].Правильная настройка параметров сварки представлена ​​таким образом, что сварочная поверхность нагревается до пластического состояния в месте сварки. Функциональное поведение сварных деталей определяется пределом прочности на разрыв, металлургическими характеристиками, шероховатостью поверхности, твердостью сварного шва и микротвердостью. Проведены различные работы по параметрам сварки и профилю пальца инструмента для определения качества сварного шва под влиянием скорости вращения и перемещения на формирование зоны обработки трением с перемешиванием в пластинах из алюминиевого сплава АА 5083.Сварные образцы исследовали с помощью оптической микроскопии для определения различных зон соединения и выявления возможных дефектов [21].

1.2. Генетическое программирование

Генетическое программирование (GP) - это компьютеризированный процесс построения программ, тесно связанных с дарвиновским принципом естественного отбора для тщательного решения конкретных проблем, и рассматривается как расширение генетических / эволюционных алгоритмов, которое их эффективно использует. GP разрабатывает программу, которая прогнозирует фактический результат из файла экспериментальных данных входов и выходов [22, 23].Программное обеспечение GP Discipulus использует Java, C / C ++ и интерпретатор ассемблера [24] для написания программы, отображающей входные данные в выходные данные. В общем, GP в первую очередь генерирует значительное количество случайных компьютерных программ, каждая из которых выполняется и оценивается в соответствии с метрикой пригодности, определенной разработчиком. Лучшая программа для решения проблем выбирается в каждом поколении и порождает ее [25]. Спонтанно, если две компьютерные программы хоть немного полезны для решения проблемы, то некоторые из их частей, вероятно, имеют определенные достоинства.Комбинируя временно выбранные части эффективных программ, мы можем создавать новые компьютерные программы, которые могут быть еще лучше приспособлены к решению проблемы. После применения генетических методов к развитой текущей популяции (группе программ) популяция программ нового поколения вытесняет старые. Затем проводится оценка пригодности каждой из популяции компьютерных программ, и этот процесс повторяется на протяжении многих поколений. В результате этого процесса будут созданы популяции компьютерных программ, которые на протяжении многих поколений, как правило, демонстрируют возрастающую среднюю компетентность в работе с окружающей средой.

Лучшая особь, появившаяся в любом поколении серии (лучшая на данный момент особь), обозначается как результат, полученный в результате генетического программирования. Уровень оценивания компьютерных программ, которые производятся, является важной характеристикой GP. Таким образом, результаты GP по своей сути иерархичны.

Программное обеспечение Discipulus использует технологию автоматической индукции машинного кода для решения проблемы скорости машинного обучения, что позволяет пользователю выполнять большее количество прогонов для исследования взаимосвязей между входными и выходными данными и выявления неверных данных или выбросов, оценки времени и так далее [26].Сгенерированные модели предназначены для разработки математических моделей прогнозирования процессов. Следовательно, для настоящей работы выбран метод GP. Решения GP - это компьютерные программы, которые легко проверять, документировать, оценивать и тестировать. Решения GP помогают понять тип производной корреляции между входными и выходными данными, который ранее был неизвестен. GP одновременно изменяет структуру и константы решения [27].

Discipulus GP активно различает соответствующие входные данные и входные данные, не имеющие отношения к решению [28].Другими словами, Discipulus выполняет выбор входных переменных как побочный продукт своего алгоритма обучения. GP успешно используется для решения задач в огромном количестве областей, таких как системы, данные, прогнозирование временных рядов и экономическое моделирование, подгонка кривой, символьная регрессия, управление производственными процессами, финансовая торговля, оптимизация и планирование, а также биоинформатика [29].

Существует множество доступных методов, таких как линейная регрессия, статистическая и искусственная нейронная сеть, ANFIS с нечеткой логикой и методология поверхности отклика, для получения корреляций, но они показали ограниченную точность.Это исследование направлено на получение математической модели, показывающей эмпирические корреляции между входными и выходными данными для прогнозирования механических свойств совместной прочности СТП с использованием подхода генетического программирования, который может использоваться при прогнозировании с уровнем точности от 99,2 до 99,6%. Эта новая модель будет более простой, если исключить необходимость в больших вычислениях, связанных с любыми традиционными приложениями для уравнения состояния. Это также было бы очень полезно при разработке и изучении полученных корреляций без проведения экспериментов для проверки данных в будущем [30].

2. Материалы и методы

В данном исследовании были исследованы два разнородных алюминиевых сплава AA7075 и AA6061, имеющих разную толщину 3, 4 и 5 мм, химический состав которых указан в таблице 1. Выполняется конфигурация стыковой сварки на вертикально-фрезерном станке со специальным инструментом (цилиндрический конический профиль с диаметром штифта 6 мм, конус 10 °, длина штифта 1,8 мм, диаметр уступа 20 мм). Чтобы получить математическую модель, нам требуется огромное количество экспериментальных данных, для которых различные параметры процесса на разных уровнях, оказывающие большее влияние на механические свойства соединения, образованного FSW, взяты из литературы.Они являются осевая нагрузка, скорость вращения инструмента, сварки скорость, угол наклона, а толщина пластины и их уровни приведены в таблице 2. стыковой сваркой Образцы готовят с буровой установки, состоящей из MS опорной пластины для поддержки основного металла вдоль прокатки направление. Различные механические свойства AA6061 и AA7075, а именно твердость, удлинение, прочность на разрыв и ударная вязкость, указаны в Таблице 3. Сварка осуществляется путем попеременного размещения пластин на продвигающейся стороне и отступающей стороне и их прочного зажима для предотвращения стыка. поверхности не должны быть отделены от правильного перемешивания и смешивания материала и отделки за счет вращения и поступательного движения инструмента.Наклон инструмента в обратном направлении гарантирует, что заплечик инструмента удерживает перемешиваемый материал шпилькой с резьбой и эффективно перемещает материал от передней части шпильки к задней. Величина проникновения штифта на глубину и радиус заплечика инструмента, контактирующего с заготовкой, определяется длиной штифта. Критерии длины штифта полезны при выполнении сварных швов с внутренним каналом, поверхностной канавкой, чрезмерным заусенцев или местным утонением сварных пластин и т. Д.


Элементы Mg Mn Fe Si Cu Cr Zn Ti Al

Основной металл (AA6061) 0.8–1,2 0,0–0,15 0,0–0,70 0,4–0,8 0,15–0,40 0,05–0,35 0,0–0,25 0,15 Остаток
Основной металл (AA7075) 2,9 0,3 0,5 0,4 2 0,28 6,1 0,2 Остаток


Параметры процесса Символ Единица Уровень 1 Уровень 2 Уровень 3

Угол наклона (°) 3 4 - -
Осевая нагрузка (кН) 2 2.5 3
Скорость вращения инструмента (об / мин) 600 900 1200
Скорость сварки (мм / сек) 70 90 115
Толщина листа (мм) 3 4 5


Параметры Присвоенное значение

Размер популяции () 600

Количество поколений 1000

Максимальная глубина дерева 6

Максимальное поколение 60

Функциональный набор Умножение (×), плюс (+), минус (-), деление (/)

Набор клемм Угол наклона , осевая нагрузка, скорость вращения инструмента, скорость сварки, толщина листа, предел прочности, удлинение и ударная вязкость.

Количество прогонов 100

Скорость мутации 15%

Скорость кроссовера (i) 0,80 для негомологичных
(ii) 0,20 для гомологичных

Скорость воспроизводства 0,05

Фитнес

Прекращение Индивидуальная программа появляется, когда сумма абсолютных ошибок равен нулю (меньше указанного)
(a) выполнено необходимое количество прогонов (10000) или
(b) получен требуемый коэффициент корреляции () (когда меньше 0.1)

Набор клемм

Каждое стыковое соединение было разрезано на части образцов для испытаний на текучесть и ударную вязкость в соответствии со стандартом ASTM. Универсальная испытательная машина использовалась для проведения испытаний на растяжение, и их записи о нагрузке и удлинении образцов также были приняты для расчета прочности на разрыв и скорости удлинения на основе их нагрузки на разрушение образцов.Испытание на удар по Шарпи используется для оценки энергии удара соединения FSW в соответствии со стандартами ASTM.

3. Генетические модели

GP является наиболее распространенным подходом среди методов эволюционных вычислений, в котором программы адаптируют иерархически классифицированные программы, полученные динамически путем изменения размера и формы, эволюционировавших во время моделирования. Случайная программа была разработана с использованием доступных функций и конечных генов символической регрессии из множества (арифметические операторы) и множества, соответственно, создавая начальную популяцию для адаптации к среде решения.Структуры программы продолжают изменяться с учетом возможности адаптации на основе рекомендаций с использованием функции измерения пригодности. Измерение пригодности показывает, насколько данные, предсказанные врачом, совпадают с экспериментальными данными. Начинается генетическая модификация содержания программы, и из этого следует, что когда расчет измерения приспособленности применяется к исходной популяции и становится повторяющимся, это называется эволюцией. Как только критерии завершения будут выполнены, процесс эволюции останавливается, чтобы получить количество поколений решения.Для этого анализа были взяты наборы данных, собранные в результате различных измерений механических свойств прочности стыков СТП. Нашими целевыми показателями являются прочность на разрыв, ударная вязкость и удлинение. Осевая нагрузка, скорость сварки, скорость вращения инструмента, угол наклона и толщина листа принимаются в качестве входных данных. Выборки данных были рандомизированы вручную с использованием программного обеспечения Notitia. Подача рандомизированного набора данных в программное обеспечение первоначально выполняется путем разделения их на три категории, а именно: обучение, проверка и прикладное тестирование [2, 24].Discipulus всегда принимает последний столбец как предлагаемый результат. Многие экспериментальные прогоны помогают сгенерировать оптимальное решение для нахождения лучших параметров за наименьшее время с использованием произвольных настроек, как показано в таблице 3. Другой термин, называемый коэффициентом корреляции, играет важную роль, где этот термин представляет коэффициент линейной связи между двумя переменными с использованием силы и путь. изменяется в, где знаки (+) и (-) указывают на положительную и отрицательную линейные зависимости соответственно.Когда

.

Смотрите также