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建筑耐候鋼鑄造性能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法優(yōu)化

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建筑耐候鋼鑄造性能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法優(yōu)化

摘要:為了進(jìn)行新型建筑耐候鋼鑄造性能優(yōu)化,本文以合金元素、合金元素添加量、熔煉溫度、靜置時間和澆注溫度5個神經(jīng)單元為輸入層參數(shù)、以腐蝕電位為輸出層參數(shù),以tansig函數(shù)為隱含層傳遞函數(shù)、purelin函數(shù)為輸出層傳遞函數(shù),構(gòu)建了5×30×6×1四層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的新型建筑耐候鋼鑄態(tài)性能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型,并進(jìn)行了模型的學(xué)習(xí)訓(xùn)練與預(yù)測驗證。結(jié)果表明:模型具有較佳的預(yù)測能力和較高的預(yù)測精度,模型相對預(yù)測誤差介于3.57%與5.02%之間,平均相對預(yù)測誤差4.24%。模型優(yōu)化出的新型建筑耐候鋼是在09MnCuPTi鋼中添加0.3%Ce,熔煉溫度是1630℃、靜置時間是30min、澆注溫度是1600℃。與09MnCuPTi建筑耐候鋼相比,優(yōu)化的新型建筑耐候鋼的腐蝕電位從-676mV正移到-543mV,正移133mV,耐腐蝕性能得到明顯提高。

關(guān)鍵詞:神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法優(yōu)化;鑄態(tài)性能;耐腐蝕性能;建筑耐候鋼;合金化;09MnCuPTi鋼

在建筑領(lǐng)域,耐候鋼是一種常用的鋼材。耐候鋼是由普碳鋼添加少量銅、鎳等耐腐蝕元素而成,具有優(yōu)質(zhì)鋼的強韌、塑延、成型、焊割、磨蝕、高溫、抗疲勞等特性,耐候性為普碳鋼的2~8倍,涂裝性為普碳鋼的1.5~10倍;同時,耐候鋼耐銹,使構(gòu)件抗腐蝕延壽,具有減薄降耗,省工節(jié)能等特點[1]。耐候鋼主要用于鐵道、車輛、橋梁、塔架、光伏、高速工程等長期暴露在大氣中使用的鋼結(jié)構(gòu)。人們對耐候鋼的研究也較多。盧軍輝等[2]分析了鈣處理對耐候鋼低溫韌性和耐腐蝕性能的影響。姚紀(jì)壇等[3]研究了低屈強比高強耐候鋼的CCT曲線及性能。武永壽等[4]研究了高強度耐候鋼Q355對接接頭多次焊修力學(xué)行為。王發(fā)倉等[5]進(jìn)行了新型3Ni鋼和Q235碳鋼、普通耐候鋼在熱帶島嶼大氣環(huán)境中暴曬后的銹層對比分析。陳劍波等[6]進(jìn)行了Q345A-V含釩建筑耐候鋼的鑄造工藝優(yōu)化研究。林田子等[7]分析了返紅溫度對低屈強比高強度耐火耐候鋼組織及性能的影響。唐百曉[8]研究和分析了軋制工藝對建筑用耐候鋼顯微組織的影響。但是隨著市場對建筑耐候鋼性能要求的不斷提高,現(xiàn)有的建筑耐候鋼往往難以滿足要求,尤其是鑄態(tài)力學(xué)性能和耐磨損性能迫切需要提高。但是建筑耐候鋼鑄態(tài)性能的影響因素眾多,且各因素影響程度不同,單靠單純的試驗研究來進(jìn)行建筑耐候鋼鑄態(tài)性能優(yōu)化,將耗費大量的人力、物力和財力。我們都知道,隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,作為新一代人工智能技術(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到快速發(fā)展。趙傳營等[9]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法進(jìn)行了磁粒研磨TC4材料工藝參數(shù)優(yōu)化。陳詩雨等[10]進(jìn)行了Fourier神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非線性擬合性能優(yōu)化研究。李瑞娟等[11]基于CAE和T-S神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行了儲物箱注塑工藝優(yōu)化。但是,目前關(guān)于建筑耐候鋼鑄態(tài)性能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的研究還鮮有報道。為此,本文嘗試構(gòu)建四層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,對新型建筑耐候鋼鑄態(tài)性能進(jìn)行優(yōu)化,以期為建筑耐候鋼鑄態(tài)性能優(yōu)化提供新的思路和試驗數(shù)據(jù)。

1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型的構(gòu)建

09MnCuPTi鋼是一種最常用的建筑耐候鋼,本文以09MnCuPTi鋼為基礎(chǔ),通過添加少量的合金元素制備出新型建筑耐候鋼。本文構(gòu)建新型建筑耐候鋼鑄態(tài)性能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型采用5×30×6×1四層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(圖1),模型有一個輸入層、兩個隱含層和一個輸出層。輸入層的主要作用是將各輸入?yún)?shù)輸入到模型內(nèi);隱含層的主要作用是進(jìn)行內(nèi)部運算;輸出層的主要作用是輸出模型預(yù)測結(jié)果。隱含層傳遞函數(shù)選擇tansig函數(shù),輸出層傳遞函數(shù)選擇purelin函數(shù)。輸入層有5個神經(jīng)單元參數(shù),分別是合金元素、合金元素添加量、熔煉溫度、靜置時間、澆注溫度。隱含層一和隱含層二分別有30個、6個神經(jīng)單元。輸出層有1個神經(jīng)單元參數(shù):耐腐蝕性能。耐腐蝕性能以腐蝕電位來評價,腐蝕電位愈正,耐腐蝕性能越佳;反之,如果腐蝕電位愈負(fù),則耐腐蝕性能越差。新型建筑耐候鋼鑄態(tài)性能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型的各輸入?yún)?shù)取值范圍,如表1所示。為了避免因輸入?yún)?shù)過大導(dǎo)致模型超出計算容量,所有輸入?yún)?shù)進(jìn)行了歸一化處理,并對所有輸出參數(shù)進(jìn)行了歸一化逆運算。

2試驗材料及方法

以09MnCuPTi鋼為基礎(chǔ)鋼材,通過添加少量的合金元素制備出新型建筑耐候鋼試樣。從表1中隨機選取25個組合進(jìn)行試驗,制備出不同參數(shù)下的25個新型建筑耐候鋼鑄態(tài)試樣。試樣的制備過程主要包括:首先根據(jù)試樣設(shè)計成分準(zhǔn)確稱量原料;然后在感應(yīng)熔煉爐中進(jìn)行熔煉,熔煉時熔煉覆蓋劑為C3型覆蓋劑,靜置設(shè)置的相應(yīng)時間后進(jìn)行兩次精煉,精煉時通入氬氣進(jìn)行熔體保護(hù);再采用自制鐵模進(jìn)行澆注,模具預(yù)熱溫度400℃;最后將鑄錠表面氧化皮車掉,得到尺寸為準(zhǔn)80mm×260mm的鑄態(tài)試樣。用線切割方法在試樣中部切取腐蝕試樣,尺寸為準(zhǔn)30mm×15mm。腐蝕試驗在室溫條件下,用CS330型電化學(xué)工作站進(jìn)行測試,腐蝕液為5%氯化鈉水溶液,記錄腐蝕電位。腐蝕試驗前先在-1.0V恒電位下極化180s。腐蝕試驗后用JSM6510型掃描電子顯微鏡觀察試樣的表面腐蝕形貌。

3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型的訓(xùn)練與預(yù)測驗證

3.1模型的學(xué)習(xí)訓(xùn)練

新型建筑耐候鋼鑄態(tài)性能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型的學(xué)習(xí)訓(xùn)練樣本為25組試驗數(shù)據(jù)中隨機抽取的19組試驗數(shù)據(jù)。模型的學(xué)習(xí)訓(xùn)練函數(shù)調(diào)用trainlm函數(shù),學(xué)習(xí)訓(xùn)練參數(shù)為:訓(xùn)練速率設(shè)定為0.022,動量因子設(shè)定為0.75,期望誤差設(shè)定為1×10-5,其它參數(shù)則直接采用Matlab系統(tǒng)默認(rèn)值。新型建筑耐候鋼鑄態(tài)性能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型的學(xué)習(xí)訓(xùn)練結(jié)果如表2所示,表中的相對訓(xùn)練誤差是指訓(xùn)練值與試驗值之差的絕對值與試驗值的百分比。從表2可以看出,本文構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型相對訓(xùn)練誤差介于4.01%與6.51%之間,平均相對訓(xùn)練誤差5.01%,模型相對訓(xùn)練誤差較小,具有較佳的學(xué)習(xí)訓(xùn)練能力。由此可以看出,本文構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型能較準(zhǔn)確地反映合金元素、合金元素添加量、熔煉溫度、靜置時間、澆注溫度與鑄態(tài)新型建筑耐候鋼耐腐蝕性能之間的內(nèi)在對應(yīng)關(guān)系,可以用來預(yù)測鑄態(tài)新型建筑耐候鋼耐腐蝕性能。

3.2模型的預(yù)測驗證

新型建筑耐候鋼鑄態(tài)性能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型的預(yù)測驗證樣本為未經(jīng)學(xué)習(xí)訓(xùn)練的6組試驗數(shù)據(jù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型的預(yù)測驗證結(jié)果如表3所示,表中的相對預(yù)測誤差是指預(yù)測值與試驗值之差的絕對值與試驗值的百分比。從表3可以看出,本文構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型相對預(yù)測誤差介于3.57%與5.02%之間,平均相對預(yù)測誤差4.24%,模型相對預(yù)測誤差偏小,具有較佳的預(yù)測能力和較高的預(yù)測精度。由此可以看出,本文構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型較為準(zhǔn)確地建立起了新型建筑耐候鋼各輸入層神經(jīng)單元參數(shù)(合金元素、合金元素添加量、熔煉溫度、靜置時間、澆注溫度)與輸出層神經(jīng)單元參數(shù)(耐候鋼耐腐蝕性能)之間的內(nèi)在對應(yīng)關(guān)系,可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測鑄態(tài)新型建筑耐候鋼耐腐蝕性能。

3.3應(yīng)用驗證

新型建筑耐候鋼鑄造性能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型優(yōu)化出的各參數(shù)如表4所示。以表4所示優(yōu)化參數(shù)制備出的新型建筑耐候鋼鑄態(tài)試樣,記為“模型優(yōu)化新型建筑耐候鋼”。將市售的鑄態(tài)09MnCuPTi建筑耐候鋼記為“09MnCuPTi建筑耐候鋼”。模型優(yōu)化新型建筑耐候鋼與09MnCuPTi建筑耐候鋼的耐腐蝕性能測試結(jié)果為:模型優(yōu)化新型建筑耐候鋼-543mV,9MnCuPTi建筑耐候鋼-676mV。與09MnCuPTi建筑耐候鋼相比,模型優(yōu)化新型建筑耐候鋼的腐蝕電位從-676mV正移到-543mV,正移了133mV,試樣耐腐蝕性能得到明顯提高。圖2是模型優(yōu)化新型建筑耐候鋼與09MnCuPTi建筑耐候鋼腐蝕試驗后的表面形貌。從圖2可以看出,09MnCuPTi建筑耐候鋼腐蝕試驗后表面出現(xiàn)較多的團(tuán)狀腐蝕坑和團(tuán)狀腐蝕產(chǎn)物,試樣腐蝕現(xiàn)象較為嚴(yán)重。模型優(yōu)化新型建筑耐候鋼腐蝕試驗后表面未見明顯的粗大團(tuán)狀腐蝕坑和腐蝕產(chǎn)物,試樣腐蝕現(xiàn)象較09MnCuPTi建筑耐候鋼明顯減輕,試樣的耐腐蝕性能較09MnCuPTi建筑耐候鋼得到顯著改善。

4結(jié)論

(1)以合金元素、合金元素添加量、熔煉溫度、靜置時間和澆注溫度5個神經(jīng)單元為輸入層參數(shù)、以耐腐蝕性能(以腐蝕電位表征)為輸出層參數(shù),以tansig函數(shù)為隱含層傳遞函數(shù)、purelin函數(shù)為輸出層傳遞函數(shù),采用5×30×6×1四層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立的新型建筑耐候鋼鑄態(tài)性能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型具有較佳的預(yù)測能力和較高的預(yù)測精度,模型相對預(yù)測誤差介于3.57%與5.02%之間,平均相對預(yù)測誤差4.24%。(2)新型建筑耐候鋼鑄態(tài)性能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型以trainlm函數(shù)為學(xué)習(xí)訓(xùn)練函數(shù)調(diào),訓(xùn)練速率0.022,動量因子0.75,期望誤差1×10-5,其它參數(shù)采用Matlab系統(tǒng)默認(rèn)值,模型相對訓(xùn)練誤差介于4.01%與6.51%之間,平均相對訓(xùn)練誤差5.01%;模型相對訓(xùn)練誤差較小,具有較佳的學(xué)習(xí)訓(xùn)練能力。(3)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型優(yōu)化出的新型建筑耐候鋼是在09MnCuPTi鋼中添加0.3%Ce,熔煉溫度1630℃、靜置時間30min、澆注溫度1600℃。與09MnCuPTi建筑耐候鋼相比,模型優(yōu)化新型建筑耐候鋼的腐蝕電位從-676mV正移到-543mV,正移133mV,耐腐蝕性能得到明顯提高。

作者:湯東 王兵 劉松林 單位:重慶化工職業(yè)學(xué)院 重慶市建筑科學(xué)研究院有限公司 重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院