CC BY
63
УДК 658.512.011:624.791
В.И. Панов V.I. Panov
Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, г. Екатеринбург Ural Federal University the name after first President Russia B.N. Yeltsin (Ekaterinburg)
АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ РЕШЕНИЕ ПРОЕКТНЫХ ЗАДАЧ КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ РЕМОНТНОЙ СВАРКИ КОНСТРУКЦИЙ ИНДИВИДУАЛЬНОГО ТЯЖЕЛОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ
AUTOMATED SOLUTION OF DESIGN PROBLEMS OF DESIGN-STANDING THE REPAIR WELDING OF STRUCTURES OF INDIVIDYAL HEAVY MACHINERY
Предложена информационная технология автоматизированного решения задач выбора конструкторско-технологического обеспечения технологической подготовки ремонтной сварки массивных конструкций сложной формы. Приведена нелинейная многокомпонентная концептуальная модель «Разрушение массивных конструкций сложной формы», экспертная система «Ремонтная сварка массивных конструкций сложной формы».
Ключевые слова: массивные конструкции сложной формы, ремонтная сварка, многопроходные швы, информационные технологии, экспертные системы.
Offered information technology computer-aided design solutions of problems - technological support for technological training of repair welding massive structures of complex shape. We present a nonlinear multicomponent conceptual model of ’The Destruction of massive structures of complex shape’, expert system ’Repair welding massive structures of complex shape’.
Keywords: massive constructions of complex mould, repairing welding, repeated welds, information technologies, expert systems.
Ремонтная сварка массивных конструкций сложной формы всегда будет актуальна. В связи с современной экономической обстановкой требования к качеству сварочных работ растут. Решать эти вопросы путем увеличения численности технологов невозможно, так как объективно существуют количественные ограничения, фонд зарплаты и др. Для успешного преодоления существующих противоречий необходимо заменить традиционное ручное проектирование автоматизированным. В частности, принципиально новый,
интегрированный подход к проектированию представляют собой так называемые С-технологии (рис. 1).
Рис. 1. Содержание С-технологии ремонтной сварки массивных конструкций сложной формы
В их основе лежит идея совмещенного проектирования изделия, а также процессов его изготовления и сопровождения, координируемых с помощью специально создаваемой для этой цели распределенной информационной среды [1].
В настоящее время в системе автоматизированного проектирования технологической подготовки сварочного производства сложилось четыре направления:
- моделирование физических процессов в металлах при сварке для оценки показателей свариваемости и выбора режимов сварки [1];
- автоматизированное проектирование технологии сборочно-сварочного производства [1];
- компьютерное проектирование режимов сварки [2-5];
- развитие инженерии знаний информационных технологий сварочного производства [6-7].
Сложилось четыре направления:
- моделирование физических процессов в металлах при сварке для оценки показателей свариваемости и выборов режимов сварки;
- автоматизированное проектирование технологии сборочносварочного производства;
- компьютерное проектирование режимов сварки;
- развитие инженерии знаний информационных технологий сварочного производства.
Рассмотрим возможности применения этих подходов к ремонтной сварке конструкций индивидуального тяжелого машиностроения.
Первое направление наиболее полно реализовано в инженерном программном комплексе «Свариваемость легированных сталей» [1]. В его основу положена концептуальная модель учета соотношения действительных и кри-
тических значений трех основных факторов, влияющих на образование холодных трещин:
- структурного - соотношения структурных составляющих содержания углерода, размера аустенитного зерна;
- водородного - концентрации диффузионно-подвижного водорода;
- силового - уровня сварочных напряжений 1-го рода.
Второе направление предусматривает разработку маршрутной и операционной технологии заготовительных и сборочно-сварочных операций, проектирование сборочно-сварочных оснастки и приспособлений [1].
Третье направление представляет разработку научных основ механизированного проектирования технологии сварки в защитных газах стальных конструкций [2-3]. Расчет оптимальных параметров режимов сварки является сложной параметрической задачей, требующей рассмотрения процессов плавления основного и электродного металлов [4-5].
На рынке программного обеспечения в области сварки сложились определенные тенденции. Достаточно большой объем составляют программы, ориентированные на специалиста - сварщика. Они позволяют решать частные прикладные задачи - выполнять расчеты параметров сварочного термического цикла, прогноз ожидаемых механических свойств металла сварного соединения и др.
Разработаны программные продукты, ориентированные и на высококвалифицированных пользователей. Численное моделирование теплопереноса, формирования напряженно-деформированного состояния и других процессов производится на базе фундаментальных физических законов путем решения систем дифференциальных уравнений с использованием конечно-элементной модели объекта. Типичным представителем таких продуктов является МЛО-81М, выполняющий анализ формирования стыкового и углового швов при сварке плавящимся электродом в среде активных газов. Разработку систем SYSWELD, Weld3D, «СВАРКА» и им подобных, поддержку, сопровождение и развитие производят большие научные коллективы.
Опыт разработки и применения обычных САПР показал наряду с их положительными качествами ряд существенных недостатков. Традиционно САПР разрабатываются на жестких моделях и алгоритмах, что обусловило их узкую направленность, недостаточные гибкость и оперативную адаптацию к конкретным условиям применения.
При производстве массивных конструкций сложной формы, и особенно их ремонтной сварке, построение САПР технологического процесса только сварочных операций не отражает всех этапов их жизненного цикла, в течение которого в силу масштабного фактора и принципа технологической наследственности в металле протекают деградационные процессы. Ремонтной свар-
ке подвергаются не только заготовки конструкций, но и базовые конструкции, бывшие длительное время в эксплуатации. Силовое поле и структура металла будут отличаться от начальных расчетных значений и исходного состояния металла (выпадение хрупких фаз старения).
При принятии конструкторско-технологического решения выполнения ремонтной сварки конструкций индивидуального тяжелого машиностроения понятие «оптимальный вариант» не имеет смысла: улучшение одних параметров неизбежно вызывает ухудшение других. Поэтому речь идет о решениях, приемлемых в конкретной ситуации. Разделки имеют нестандартную форму. Компьютерные программы расчета показателей свариваемости легированных сталей [1] имеют ограниченное применение, прежде всего, из-за содержания углерода (0,03-0,45 %). В конструкциях индивидуального тяжелого машиностроения, как правило, содержание углерода значительно выше.
В отличие от технологической подготовки производства сварных конструкций, конструкторско-технологическая подготовка выполнения ремонтной сварки массивных конструкций сложной формы не имеет организующих документов типа ГОСТ 14.004-83 «Технологическая подготовка производства».
Выполнение восстановительных работ на конструкциях индивидуального тяжелого машиностроения отличается исключительной сложностью и трудоемкостью и требует решения множества разнообразных задач. Они относятся к неформализованным, т.е. к задачам, исходные данные и решения которых невозможно представить в числовой форме, а точные алгоритмы решения которых заранее неизвестны. Это не позволяет использовать для решения традиционные методы математической оптимизации. Поэтому требуется разработка новых информационных технологий автоматизированного решения задач выбора конструкторско-технологических решений подготовки и выполнения ремонтной сварки [6].
Современное состояние теории искусственного интеллекта и практического ее внедрения выдвигает необходимость организации единого информационного пространства ремонтной сварки, а именно информационной поддержки жизненного цикла изделий (ИПИ/CALS) и преемственности информации, порождаемой на всех этапах жизненного цикла конструкций ответственного назначения (рис. 2). В свою очередь, в рамках технологии CALS в сварочном производстве должны найти свое место и современные технологии управления производственной информацией (PDM-системы).
Для развития инженерии знаний информационных технологий для уровня квалифицированных технологов-сварщиков с большим стажем работы представляет интерес научное направление, несомненным лидером которого
является Э.В. Лазарсон [7]. В этом направлении наряду с основными положениями теории сварочных процессов широко использованы методы искусственного интеллекта и экспертных систем, автоматизированного проектирования, теории принятия решений, системного анализа, теории нечетких множеств и др. Настоящая работа является дальнейшим развитием этого направления.
Рис. 2. Этапы жизненного цикла конструкций индивидуального тяжелого машиностроения
Основные направления компьютеризации инженерной деятельности в ремонтной сварке массивных конструкций сложной формы представлены на рис. 3. В основу этого подхода положено более полное, чем в существующих информационных технологиях, извлечение знаний обо всех этапах жизненного цикла конструкций индивидуального тяжелого машиностроения. Формально структуру ремонтной сварки конструкций рассматриваемого класса можно представить в виде упорядоченной пары
£ =< л, я >,
где Л - множество элементов системы (тепловые процессы, структурный фактор, напряженно-деформированное состояние, водород и др.); Я - множество отношений между этими элементами.
Рис. 3. Основные направления компьютеризации инженерной деятельности в ремонтной сварке массивных конструкций сложной формы
На основе системного анализа образования трещин (разрушения) в базовых деталях тяжелонагруженного оборудования, развития этих дефектов и остановки сформулирована физическая постановка нелинейной многокомпонентной концептуальной модели «Разрушение массивных конструкций сложной формы» (рис. 4).
Рис. 4. Концептуальная модель «Разрушение массивных конструкций сложной формы»
Решение вышеописанных подходов реализовано путем разработки интеллектуальной экспертной системы и информационной базы для нее (рис. 5-6). Под ними понимается такая система программ, которая моделирует поведение человека-эксперта, и в общих чертах обладает следующими особенностями, отличающими ее от традиционных САПР: решаемые ею задачи труд-ноформализуемы, практически значимы, трудоемки и сложны для специалистов низкой квалификации. Эти системы способны накапливать и анализировать новые знания и изменять в соответствие с этим свое поведение.
Такой подход позволяет создать гибкий инструмент выбора технологических решений, накапливать знания и опыт высококвалифицированных технологов и вести процесс проектирования с учетом ситуации, возникающей в любой момент решения задачи.
Рис. 5. Схема экспертной системы «Ремонтная сварка массивных конструкций сложной формы»
Задачи (конструкторско-технологическое обеспечение ремонтной сварки), подлежащие решению, в каждом конкретном случае носят индивидуальный характер (рис. 7).
Каждая из них рассматривается как система, обладающая внутренним строением, и имеющая связи с внешней средой.
Алгоритмы подготовки и конструкторско-технологического обеспечения ремонтной сварки массивных конструкций сложной формы строятся по следующей схеме [8]:
1. Получение исходной информации.
2. Анализ информации.
3. Выявление проблемной ситуации.
4. Формирование целей.
5. Построение модели системы.
6. Формирование критерия или предпочтения.
7. Поиск процедуры решения задачи.
8. Выбор решения.
9. Корректировка решения.
10. Реализация решения.
Рис. 6. Информационная база экспертной системы «Ремонтная сварка массивных конструкций сложной формы»
Постановка
проблемы
Анализ тенденции развития системы, предсказание новых факторов, оказывающих сильное влияние
Оценка ее принципиальной разрешимости
Определение критериев, влияющих на систему
Разработка вариантов достижения цели
Формирование задач, отсечение избыточных
Декомпозиция задач на блоки
Оценка исходного состояния металла
Разработка решений выполнения восстановительных работ
Проведение исследований и расчетов
Прогнозирование вероятности повторного разрушения при ремонтной сварке
Анализ разрушения, определение механизма разрушения
Диагностика металла
Выбор средств наблюдения за процессами в металле при проведении восстановительных работ
Корректировка решения при образовании сварочных трещин
Оценка ресурса работоспособности восстановленной конструкции
Выполнение ремонтной сварки
....I
Наблюдение за поведением металла в процессе сварки
Контрольные операции по оценке качества металла сварного соединения
Мониторинг в процессе эксплуатации восстановленной конструкции
Рис. 7. Последовательность действий лица, принимающего решение (конструктора, технолога), при восстановлении работоспособности массивной конструкции сложной формы
В ходе принятия решения восстановительных работ общий алгоритм принятия решения разделен на функциональные части (рис. 8-10).
Основой алгоритмов анализа ситуаций являются булевые (логические) функции вида/ (х1, Х2,... , Хп, 0, где х1, х2,..., хп - логические переменные, полученные в результате анализа состояния объекта, ^ - момент времени, когда производится анализ ситуации. Формулируются требуемые задачи, затем разработанные алгоритмы объединяются в единую систему
Алгоритмы анализа ситуации обеспечивают распознавание и классификацию ситуаций, возникающих в процессе ремонтной сварки, эксплуатации восстановленной конструкции, и выявляют соответствующие последним классы допустимых управляющих воздействий. При этом вырабатываются рекомендации по ликвидации нарушений в ходе процесса и выделяются параметры, на которые в данной ситуации надо ориентироваться.
Рис. 8. Исходные данные для алгоритма «Характеристика металла массивных конструкций сложной формы, подвергаемых ремонтной сварке»
Рис. 9. Исходные данные для алгоритма «Оценка структурного фактора для процедуры принятия решения выполнения ремонтных работ на массивных конструкциях сложной формы»
Рис. 10. Структура исходных данных для разработки алгоритма конструкторско -технологических решений выполнения ремонтной сварки массивных конструкций сложной формы в зависимости от механизма образования трещин (механизма разрушения)
На основе анализа готовятся рекомендации для лица, принимающего решение о конструкторско-технологическом обеспечении ремонтной сварки массивных конструкций сложной формы.
Сделаем следующие выводы. Предложена информационная технология автоматизированного решения задач выбора конструкторско-технологического обеспечения технологической подготовки ремонтной сварки массивных конструкций сложной формы. В ней учитываются особенности этих конструкций, специфика нагружения, характер дефектов и другие факторы.
Список литературы
1. Компьютерное проектирование и подготовка производства сварных конструкций: учеб. пособие для вузов / под ред. С. А. Куркина, В.М. Ховова. -М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 464 с.
2. Судник В.А. САПР в сварочном производстве // Итоги науки и техники. Сер. Сварка. - М.: ВИНИТИ, 1991. - Т. 22. - С. 67-146.
3. Бабкин А.С. Разработка научных основ автоматизированного проектирования технологии сварки в защитных газах стальных конструкций: автореферат дис. ... д-ра техн. наук. - М., 2008. - 37 с.
4. Бабкин А.С. Технологическая подготовка сварочного производства с помощью системы автоматизированного проектирования // Сварка и контроль: сб. докл. Т. 2: Теория сварки. - Пермь, 2004. - С. 168-171.
5. Березовский Б.М Основные принципы и особенности математического моделирования процессов дуговой сварки. Т. 2: Математическое моделирование и оптимизация формирования различных типов сварных швов. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2002. - С. 102-251.
6. Панов В.И. Теоретические основы принятия решений выполнения ремонтных работ на конструкциях индивидуального тяжелого машиностроения // Тяжелое машиностроение. - 2004. - № 9. - С. 21-24.
7. Лазарсон Э.В. Теория и методы решения многовариантных неформализованных задач выбора (с примерами из области сварки): монография. -Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2008. - 270 с.
8. Справочник проектировщика автоматизированных систем управления технологическими процессами / под ред. Г.Л. Смилянского. - М.: Машиностроение, 1983. - 527 с.
Получено 6.09.2011
