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申请/专利权人：江苏航运职业技术学院

摘要：本发明公开了一种钢结构焊缝有限元模型的建模方法及系统，涉及钢结构技术领域，该系统通过三维激光扫描仪和数字图像处理系统，高精度地获取焊缝特征参数，通过焊接评估指数Hc和焊接质量指数Hz的计算，综合评估焊接过程中的参数和质量，及时发现焊接质量问题，防止焊缝裂纹、未熔合和气孔，并采取相应的措施加以修正；通过焊缝熔池指数Rz、焊接评估指数Hc和焊接质量指数Hz的综合评估，系统全面评估焊缝的质量和结构特征，进而计算出焊缝的缺陷指数QX，发现焊接中的潜在缺陷并采取相应的措施及时加以修正，再对比焊缝熔池指数Rz、焊接评估指数Hc和焊接质量指数Hz，针对性地解决焊接质量问题，提高焊接质量和结构安全性。

主权项：1.一种钢结构焊缝有限元模型的建模系统，其特征在于：包括模型建立模块（1）、识别提取模块（2）、焊接中期监测模块（3）、焊接质量监测模块（4）、评估生成模块（5）；所述模型建立模块（1），用于用视觉检测技术采集船舶焊缝信息，并通过CAD绘制出船舶焊缝的几何形状和连接部位，建立三维船舶钢结构焊缝模型，并在三维船舶钢结构焊缝模型中生成网格对焊缝区域进行分析；所述识别提取模块（2），用于识别焊缝形状，并将同样焊缝形状的进行归类，获得I形状焊缝区域、V形状焊缝区域以及U形状焊缝区域，并在三维船舶钢结构焊缝模型中进行第一分类标记；采集I形状焊缝区域、V形状焊缝区域以及U形状焊缝区域中每一个焊缝熔池体积Tj、坡口角度Pjd、坡口深度Pks和几何特征指数Jtz，构建待焊缝熔池数据集（201），并通过计算获得待焊缝熔池指数Rz，再将待焊缝熔池指数Rz的值在三维船舶钢结构焊缝模型中进行第二分类标记；所述焊接中期监测模块（3），用于采集I形状焊缝区域、V形状焊缝区域以及U形状焊缝区域在焊接过程中的各项参数，并构建焊接数据集（301），同时利用焊接数据集（301）计算获得焊接评估指数Hc；所述焊接质量监测模块（4），用于采集I形状焊缝区域、V形状焊缝区域以及U形状焊缝区域在焊接完成后的质量数据，建立质量数据集（401），利用质量数据集（401）计算焊接质量指数Hz，获取焊缝构建缺陷指数QX；所述评估生成模块（5），用于评估缺陷指数QX，利用评估单元（501）预设阈值X对评估缺陷指数QX进行评估，并设置钢结构焊接区域的加载条件，再利用求解单元（503）计算整体焊接区域的指标，再将分析结果和可视化图表整合到分析报告中，通过生成单元（504）呈现给用户，以帮助用户理解分析结果和做出相应的决策；所述I形状焊缝区域、V形状焊缝区域和U形状焊缝区域，分别对应不同的焊接工艺和结构要求，并通过第一分类标记区分不同形状的焊缝区域；所述第二分类标记显示出每个焊缝区域的质量和结构特征，焊缝熔池体积Tj是焊接过程中熔化金属形成的熔池的容积；坡口角度Pkj是指开槽后的焊接接头两侧形成的夹角；坡口深度Pks是焊接前工件表面到坡口底部的距离；几何特征指数Jtz包括：焊缝长度Hfc、焊缝宽度Hfk、焊缝深度Hfs和焊缝交叉面积Hfj；所述焊缝熔池体积Tj和坡口深度Pks通过三维激光扫描仪，对焊缝表面进行高精度的三维扫描，从而获取焊缝的体积和坡口深度；在焊接过程中，用熔化金属填充焊缝，因此，焊缝的体积等于焊缝熔池体积Tj作为熔化金属形成的熔池的容积；所述焊缝长度Hfc、焊缝宽度Hfk和焊缝深度Hfs通过数字图像处理系统，拍摄焊缝表面的数字图像，再结合图像处理技术测量得出；所述焊缝交叉面积Hfj通过截面扫描仪，对焊缝的截面进行扫描和测量，获取焊缝横截面与基材交叉的面积；所述几何特征指数Jtz的获取方式为，提取每一个焊缝的焊缝长度Hfc、焊缝宽度Hfk、焊缝深度Hfs和焊缝交叉面积Hfj，进行无量纲处理后，通过以下公式计算获得几何特征指数Jtz： 式中，n是焊缝的数量；Hfci是第i个焊缝长度；Hfki是第i个焊缝宽度；Hfsi是第i个焊缝的深度；Hfji是第i个焊缝的交叉面积；wi是第i个焊缝特征的权重，A表示为第一修正常数；所述待焊缝熔池指数Rz通过以下计算公式获得： 式中，q1、q2、q3和q4分别表示为焊缝熔池体积Tj、坡口深度Pks、坡口角度Pkj和几何特征指数Jtz的权重值，且焊缝熔池体积Tj、坡口深度Pks、坡口角度Pkj和几何特征指数Jtz全部进行无量纲处理，B为第二修正常数；所述焊接评估指数Hc包括：焊接电流Hdl、焊接电压Hdy、焊接速度Hsd、保护气体流量Bql和焊接温度Hwd；所述焊接电流Hdl和焊接电压Hdy通过电弧焊设备的电压表测量获得；焊接速度Hsd通过编码器测量获得；保护气体流量Bql通过气体流量计进行监测；焊接温度Hwd通过红外线热像仪进行监测；将焊接电流Hdl、焊接电压Hdy、焊接速度Hsd、保护气体流量Bql和焊接温度Hwd进行无量纲处理后，通过以下公式计算获得焊接评估指数Hc： ；式中，Bz表示对于I形状焊缝区域、V形状焊缝区域以及U形状焊缝的预设流速阈值，且Bz根据I形状焊缝区域、V形状焊缝区域以及U形状焊缝区域，预设流速阈值也不相同，通过用户调整设置，是sigmoid函数，取值范围在[0,1]之间，w1、w2、w3、w4和w5分别表示为焊接电流Hdl、焊接电压Hdy、焊接速度Hsd、保护气体流量Bql和焊接温度Hwd的权重值，C表示为第三修正常数；焊接熔深间隙密度值Hrs通过X射线衍射分析对焊缝进行分析评估获得，焊接熔深间隙的密度值表示焊缝内材料和焊缝结构内表面的融合程度，融合程度大，则间隙密度值大，从而使焊缝的密封性能下降，融合程度小，则间隙密度值小，呈正反比关系；残余应力Cyl通过电子衍射仪进行测量获得；将热影响指数Ryx、焊接熔深间隙密度值Hrs和残余应力Cyl进行无量纲处理后，通过以下公式计算获得焊接质量指数Hz： 式中，e1、e2和e3分别表示为热影响指数Ryx、焊接熔深间隙密度值Hrs和残余应力Cyl的权重值，3表示为参数的总数量，D表示为第四修正常数；所述热影响指数Ryx通过热仿真仪器进行监测获得；所述焊缝熔池指数Rz、焊接评估指数Hc、焊接质量指数Hz进行无量纲处理后，通过以下公式计算获得缺陷指数QX： 式中，wi表示权重系数，3表示参数总数量。

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