本發(fā)明涉及金屬材料焊接，具體而言，涉及一種船用結(jié)構(gòu)鋼的成分設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

1、隨著越來越多的性能更優(yōu)異的新型船舶不斷涌現(xiàn)，這也對高性能船舶材料研發(fā)提出了迫切需求。船舶結(jié)構(gòu)主要通過焊接的方式將各種規(guī)格的結(jié)構(gòu)鋼材連接而成，因此焊接接頭往往是船舶結(jié)構(gòu)的性能薄弱部位，易發(fā)生斷裂、疲勞裂紋等材料失效問題。

2、對于船用高強鋼焊縫金屬而言，合金元素是影響焊縫金屬力學(xué)性能最關(guān)鍵的因素，甚至決定著船舶結(jié)構(gòu)的服役性能。由于焊縫金屬是鑄態(tài)組織，無法像鋼板一樣進行軋制和熱處理來提高性能；此外，焊接材料中的各個合金元素之間往往存在復(fù)雜的交互作用和非線性效應(yīng)，每個元素對焊縫金屬的作用效果不僅取決于它本身，還取決于其它元素的存在和加入量，導(dǎo)致焊接材料性能與其合金元素之間沒有固定的函數(shù)關(guān)系可遵循，因此船舶結(jié)構(gòu)鋼配套焊材的研發(fā)難度極大。

3、若通過對所有合金元素進行全面試驗尋求最優(yōu)設(shè)計，顯然試驗次數(shù)太多而幾乎是不可能實現(xiàn)的。例如要考察6種主要合金元素對焊材性能的影響，每個元素取5水平，則需做15625次試驗。為此，國內(nèi)外學(xué)者通常采用傳統(tǒng)的經(jīng)驗法和單因子輪換法，其中經(jīng)驗法是在已知焊材的合金成分基礎(chǔ)上憑借經(jīng)驗調(diào)整元素含量，其局限性比較大且存在一定的盲目性；而單因子輪換法則是先固定若干因子不變,每次僅改變一個因子進行試驗，獲得其最佳含量，直到試制出比較滿意的試驗結(jié)果為止。如申請?zhí)枮?02210498755.3的中國專利公開了一種鋁合金焊絲的設(shè)計方法，包括：s1、焊絲成分設(shè)計；s2、熔煉；s3、機械加工；s4、焊接；s5、樣品制備；s6、顯微組織觀察；s7、力學(xué)性能測試；s8、數(shù)據(jù)反饋；s9、焊絲制備。該方法直接用鑄錠制得鋁合金焊絲，能夠在研發(fā)過程中省略擠壓和拉拔過程以提高研發(fā)效率；然而該方法無法考察各因子之間的交互作用，所提取的試驗信息片面性大；若合金元素之間的交互作用較大時，很難得到最優(yōu)結(jié)果。

4、有鑒于此，特提出本發(fā)明。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明解決的問題是現(xiàn)有船用焊材的成分設(shè)計方法存在局限性和一定的盲目性，也無法很難考慮各合金元素之間的交互作用，導(dǎo)致實驗量大且研發(fā)周期長。

2、為解決上述問題，本發(fā)明提供一種船用結(jié)構(gòu)鋼焊材的成分設(shè)計方法，包括如下步驟：s1、獲取均勻的船用結(jié)構(gòu)鋼焊材的力學(xué)性能數(shù)據(jù)樣本并構(gòu)建模型；s2、通過全集交叉操作獲得多組與焊材的合金元素成分相關(guān)的輸入數(shù)據(jù)，進行標(biāo)準(zhǔn)化處理后再基于構(gòu)建模型得到輸入數(shù)據(jù)對應(yīng)的力學(xué)性能預(yù)測值，建立包含輸入數(shù)據(jù)對應(yīng)力學(xué)性能預(yù)測值的數(shù)據(jù)庫；s3、設(shè)定目標(biāo)力學(xué)性能參數(shù)，在數(shù)據(jù)庫中檢索并輸出符合預(yù)設(shè)性能參數(shù)條件的合金元素成分設(shè)計數(shù)據(jù)。

3、優(yōu)選的，步驟s2中作為輸入數(shù)據(jù)的合金元素成分取值范圍為：w(c)：0.03％-0.12％，w(si)：0.02％～0.6％，w(mn)：0.4％～2.4％，w(ni)：0.4％～9.6％，w(cr)：0.1％～1.0％，w(mo)：0.1％～1.2％，w(v)：0％～0.02％，w(ti)：0％～0.05％，輸入數(shù)據(jù)的遞進步長分別為w(c)：0.01％、w(si)：0.1％、w(mn)：0.1％、w(ni)：0.2％、w(cr)：0.1％、w(mo)：0.1％、w(v)：0.01％、w(ti)：0.02％。

4、優(yōu)選的，步驟s2中采用步驟s1中建模所用樣本數(shù)據(jù)的平均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ對輸入數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

5、優(yōu)選的，步驟s3中設(shè)置誤差函數(shù)并計算目標(biāo)性能與預(yù)測性能的誤差值，選擇誤差最小的預(yù)測性能相應(yīng)的輸入變量即為合金元素的設(shè)計成分。

6、優(yōu)選的，所述誤差函數(shù)為加權(quán)誤差error＝|屈服預(yù)測值-屈服目標(biāo)值|*w1+|抗拉預(yù)測值-抗拉目標(biāo)值|*w2+|沖擊預(yù)測值-沖擊目標(biāo)值|*w1，其中w1＝rmse(抗拉)*rmse(沖擊)/[rmse(屈服)*rmse(抗拉)]+rmse(屈服)*rmse(沖擊)]+rmse(抗拉)*rmse(沖擊)]；w2＝rmse(屈服)*rmse(沖擊)/[rmse(屈服)*rmse(抗拉)]+rmse(屈服)*rmse(沖擊)]+rmse(抗拉)*rmse(沖擊)]；w3＝rmse(屈服)*rmse(抗拉)/[rmse(屈服)*rmse(抗拉)]+rmse(屈服)*rmse(沖擊)]+rmse(抗拉)*rmse(沖擊)]；其中rmse(屈服)、rmse(抗拉)和rmse(沖擊)分別為屈服強度模型、抗拉強度模型和沖擊功模型的均方根誤差。

7、優(yōu)選的，所述力學(xué)性能包括屈服強度rp0.2、抗拉強度rm、延伸率、沖擊功。

8、優(yōu)選的，步驟s1包括：

9、s11、獲取均勻的船用高強鋼焊材力學(xué)性能數(shù)據(jù)樣本；

10、在歷史試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用正交試驗進行設(shè)計并制備一系列不同成分的焊材，在不同線能量下進行焊接操作，測定焊縫金屬的合金元素(c、si、mn、ni、cr、mo、v、ti、cu)、屈服強度、抗拉強度、延伸率以及不同溫度下的沖擊功，將上述數(shù)據(jù)共同作為數(shù)據(jù)樣本，并計算樣本數(shù)據(jù)的最大值、最小值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差；

11、s12、通過相關(guān)性分析和顯著性t檢驗，確定模型的輸入特征變量；

12、s13、對樣本數(shù)據(jù)按照公式z＝(x-μ)/σ進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，其中μ和σ分別代表特征參量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，z表示處理后的值；

13、s14、模型建立；

14、隨機選取所述樣本數(shù)據(jù)的80％-90％作為訓(xùn)練集，剩余10％-20％樣本數(shù)據(jù)作為測試集，采用xgboost算法建模并進行調(diào)參；利用測試集來計算構(gòu)建模型的決定系數(shù)r2、平均誤差和均方根誤差，當(dāng)決定系數(shù)r2＞0.92且平均誤差百分比≤12％時，代表建模成功。

15、優(yōu)選的，步驟s12中分析合金元素、線能量e和溫度與焊材力學(xué)性能的相關(guān)系數(shù)，根據(jù)二者之間相關(guān)性的顯著性水平來確定模型的輸入特征變量。

16、優(yōu)選的，步驟s14中通過隨機網(wǎng)格搜索和五折交叉驗證法對xgboost模型進行調(diào)參，交叉驗證的每次劃分都計算獲得精度值，對每種超參數(shù)設(shè)置計算平均驗證精度，選擇平均驗證精度最高的超參數(shù)作為模型超參數(shù)。優(yōu)選的，所述焊材為焊條。

17、優(yōu)選的，步驟s2中進行標(biāo)準(zhǔn)化處理后再基于構(gòu)建模型得到輸入數(shù)據(jù)的線能量和溫度為固定數(shù)值，例如線能量設(shè)定為焊條常規(guī)焊接線能量值13.3kj/cm，溫度設(shè)定為船用鋼焊條典型考核溫度，即-50℃。

18、相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明所述船用結(jié)構(gòu)鋼焊材的成分設(shè)計方法具有如下有益效果：1)獲取均勻的力學(xué)性能數(shù)據(jù)樣本進行建模，能夠較為準(zhǔn)確的反映焊材中合金元素之間的交互作用，在300mpa～1000mpa，溫度在-60℃～20℃范圍內(nèi)對焊材的力學(xué)性能進行準(zhǔn)確預(yù)測；2)通過海量樣本網(wǎng)格搜索的方法可以快速實現(xiàn)船用高強鋼焊材合金成分設(shè)計，有效降低船用高強鋼焊材成分設(shè)計中的盲目性，研發(fā)周期短且效率高；3)通過對力學(xué)性能數(shù)據(jù)的加權(quán)處理，使沖擊功獲得更高的權(quán)重，從而可以提高合金設(shè)計的準(zhǔn)確性。

技術(shù)特征：

1.一種船用結(jié)構(gòu)鋼焊材的成分設(shè)計方法，其特征在于，包括如下步驟：s1、獲取均勻的船用結(jié)構(gòu)鋼焊材的力學(xué)性能數(shù)據(jù)樣本并構(gòu)建模型；s2、通過全集交叉操作獲得多組與焊材的合金元素成分相關(guān)的輸入數(shù)據(jù)，進行標(biāo)準(zhǔn)化處理后再基于構(gòu)建模型得到輸入數(shù)據(jù)對應(yīng)的力學(xué)性能預(yù)測值，建立包含輸入數(shù)據(jù)對應(yīng)力學(xué)性能預(yù)測值的數(shù)據(jù)庫；s3、設(shè)定目標(biāo)力學(xué)性能參數(shù)，在數(shù)據(jù)庫中檢索并輸出符合預(yù)設(shè)性能參數(shù)條件的合金元素成分設(shè)計數(shù)據(jù)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船用結(jié)構(gòu)鋼焊材的成分設(shè)計方法，其特征在于，步驟s2中作為輸入數(shù)據(jù)的合金元素成分取值范圍為：w(c)：0.03％-0.12％，w(si)：0.02％～0.6％，w(mn)：0.4％～2.4％，w(ni)：0.4％～9.6％，w(cr)：0.1％～1.0％，w(mo)：0.1％～1.2％，w(v)：0％～0.02％，w(ti)：0％～0.05％，輸入數(shù)據(jù)的遞進步長分別為w(c)：0.01％、w(si)：0.1％、w(mn)：0.1％、w(ni)：0.2％、w(cr)：0.1％、w(mo)：0.1％、w(v)：0.01％、w(ti)：0.02％。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船用結(jié)構(gòu)鋼焊材的成分設(shè)計方法，其特征在于，步驟s2中采用步驟s1中建模所用樣本數(shù)據(jù)的平均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ對輸入數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船用結(jié)構(gòu)鋼焊材的成分設(shè)計方法，其特征在于，步驟s3中設(shè)置誤差函數(shù)并計算目標(biāo)性能與預(yù)測性能的誤差值，選擇誤差最小的預(yù)測性能相應(yīng)的輸入變量即為合金元素的設(shè)計成分。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的船用結(jié)構(gòu)鋼焊材的成分設(shè)計方法，其特征在于，所述誤差函數(shù)為加權(quán)誤差error＝|屈服預(yù)測值-屈服目標(biāo)值|*w1+|抗拉預(yù)測值-抗拉目標(biāo)值|*w2+|沖擊預(yù)測值-沖擊目標(biāo)值|*w1，其中w1＝rmse(抗拉)*rmse(沖擊)/[rmse(屈服)*rmse(抗拉)]+rmse(屈服)*rmse(沖擊)]+rmse(抗拉)*rmse(沖擊)]；w2＝rmse(屈服)*rmse(沖擊)/[rmse(屈服)*rmse(抗拉)]+rmse(屈服)*rmse(沖擊)]+rmse(抗拉)*rmse(沖擊)]；

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船用結(jié)構(gòu)鋼焊材的成分設(shè)計方法，其特征在于，所述力學(xué)性能包括屈服強度rp0.2、抗拉強度rm、延伸率、沖擊功。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船用結(jié)構(gòu)鋼焊材的成分設(shè)計方法，其特征在于，步驟s1包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的船用結(jié)構(gòu)鋼焊材的成分設(shè)計方法，其特征在于，步驟s12中分析合金元素、線能量e和溫度與焊材力學(xué)性能的相關(guān)系數(shù)，根據(jù)二者之間相關(guān)性的顯著性水平來確定模型的輸入特征變量。

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的船用結(jié)構(gòu)鋼焊材的成分設(shè)計方法，其特征在于，步驟s14中通過隨機網(wǎng)格搜索和五折交叉驗證法對xgboost模型進行調(diào)參，交叉驗證的每次劃分都計算獲得精度值，對每種超參數(shù)設(shè)置計算平均驗證精度，選擇平均驗證精度最高的超參數(shù)作為模型超參數(shù)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種船用結(jié)構(gòu)鋼焊材的成分設(shè)計方法，包括：S1、獲取均勻的船用結(jié)構(gòu)鋼焊材的力學(xué)性能數(shù)據(jù)樣本并構(gòu)建模型；S2、通過全集交叉操作獲得多組與焊材的合金元素成分相關(guān)的輸入數(shù)據(jù)，進行標(biāo)準(zhǔn)化處理后再基于構(gòu)建模型得到輸入數(shù)據(jù)對應(yīng)的力學(xué)性能預(yù)測值，建立包含輸入數(shù)據(jù)對應(yīng)力學(xué)性能預(yù)測值的數(shù)據(jù)庫；S3、設(shè)定目標(biāo)力學(xué)性能參數(shù)，在數(shù)據(jù)庫中檢索并輸出符合預(yù)設(shè)性能參數(shù)條件的合金元素成分設(shè)計數(shù)據(jù)。本發(fā)明通過均勻的力學(xué)性能數(shù)據(jù)樣本進行建模，能夠較為準(zhǔn)確的反映焊材中合金元素之間的交互作用，在300MPa～1000MPa，溫度在?60℃～20℃范圍內(nèi)對焊材的力學(xué)性能進行準(zhǔn)確預(yù)測；降低了船用高強鋼焊材成分設(shè)計中的盲目性，大幅縮短研發(fā)周期。

技術(shù)研發(fā)人員：薛鋼,何亮,張玉祥
受保護的技術(shù)使用者：洛陽船舶材料研究所（中國船舶集團有限公司第七二五研究所）
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9