基于改进遗传算法的拉锻式塞补焊工艺参数寻优

0 引言

随着我国航空、航天行业的快速发展，对铝合金焊接技术的需求与应用日益扩大，也促进了铝合金焊接工艺的不断发展。然而自动化、先进化的焊接工艺也避免不了焊接缺陷的产生，现有的补焊工艺多采用传统手工TIG焊，产品质量无法有效保障，在航空、航天领域内一些重要器件更会因为补焊质量不高而导致重大事故和经济损失。摩擦塞补焊(friction plug welding，FPW)作为一种新型固相补焊技术，有望弥补传统补焊工艺缺陷，为航空、航天领域提供优质可靠的补焊技术，从而进一步提高我国工业制造技术水平。

摩擦塞补焊是英国焊接所于1995年发明的一种新型固相连接和修复技术，属于堆焊工艺，首先在洛克希德·马丁公司得到应用，2000年摩擦塞补焊技术正式应用于航天外贮箱的焊接修补。目前国内摩擦塞补焊技术逐步开展，首都航天机械公司首先对摩擦塞补焊相关设备进行了研制。摩擦塞补焊具有接头质量高、残余应力低、焊接变形小等优点，在航空航天铝合金补焊、精密仪器设备补焊等领域拥有广阔的应用前景。

研究国内外摩擦塞补焊的效果可知，影响其质量和效率的参数包括：转速、拉拔行程、拉拔速度与锥度等，需采用优化方法对实验数据进行寻优以得到最佳参数。遗传算法作为基于自然界生物进化原理的普适性全局优化算法，是目前发展最快的优化算法之一。本文通过对传统实数编码遗传算法和普通免疫遗传算法进行改进，采用标准测试函数对改进算法的性能进行检验，运用改进遗传算法对塞补焊参数进行寻优。应力优化结果对于摩擦塞补焊实际使用具有重要的意义。

1 遗传算法发展现状

遗传算法(genetic algorithm，GA)自20世纪60年代末创立以来，发展至今已取得了丰硕的理论研究进展和应用成果[1-2]。遗传算法是一种借鉴生物界自然选择和自然遗传机制的随机、高度隐形并行的智能性搜索算法。它使用当前解和一些随机信息来产生新解，已发展成一种自组织、自适应、自学习的综合优化技术[3-5]。遗传算法常用的编码方案有二进制编码、实数编码、矩阵编码、树型编码和量子比特编码等[6-8]。编码方案决定了遗传算子的操作方式，对遗传算法的搜索效率有重要影响[9-10]。实数编码遗传算法中个体的每个基因直接采用实数来表示，易于进行数值操作[11-12]，是最有发展前景的优化算法之一。

2 改进实数编码遗传算法

本文提出的改进实数编码遗传算法结合了3个基本算子(选择、交叉、变异)的并联运行和串联运行，并采用均布生成初始种群和递进式变异。前者能够生成良好的初始种群，后者将种群平均适应度控制在一定范围的基础上，进行相比于其他变异算子是更为活跃的遗传变异操作。改进算法可以获得优势个体，降低进化代数，提高搜索效率。

2.1 算法流程

Himmelblau Function的表达式如式(2)所示。

  

图1 改进实数编码遗传算法流程图

图1中需设定的参数包括：种群规模P、最大进化代数N、变量个数n、交叉概率Pc、变异概率Pm。

图1所示算法主要由2个部分组成。第1部分：选择算子、交叉算子、变异算子同时对初始种群进行操作，并联运行得到过渡的组合种群G={X1,X2…，Xj}(j=1,2,…,P)。比较各个体适应度f(Xj)(j=1,2,…,P)，根据优胜劣汰的原则，选取最优的P个个体构成子代种群第2部分：由选择算子、交叉算子、变异算子对第t代种群Gt(t=1,2,…,N)执行串联运行，通过精英保留替代获得子代种群G t+1(t=1,2,…,N)，判断是否满足终止条件，如果满足，则算法结束；反之进化代数t=t+1,重复第2部分的运行。

2.2 编码方式

遗传算法的寻优参数为转速、拉拔行程、拉拔速度与锥度。搅拌工具的转速(ω, rpm)以及拉拔速度(v,mm/min), ω/v或ω2/v越高，摩擦越剧烈，热输入量越大，材料能更充分的软化进而产生高效的流动和混合。然而如果ω/v或ω2/v过高，会导致搅拌区材料过热甚至熔化，难以形成致密的焊缝；过低则材料塑化不足，流动性变差，形成表面沟槽或内部隧道的缺陷。从大量的试验数据中提取表3中20组典型数据作为改进遗传算法的初始种群进行迭代运算寻优。

2.3 标准测试函数的寻优

为了验证改进实数编码遗传算法的有效性，本文分别使用典型标准测试函数Schaffer Function、Schaffer1 function、Himmelblau Function和Griewank function，通过搜索各函数的全局最小值检验改进算法的搜索精度和速度。

Schaffer Function的表达式如式(1)所示。

 

(1)

图2为根据式(1)绘制的函数三维图，可以看出函数具有二元多峰性。当(x*,y*)=(0,0)时，函数取得全局最小值F(x*,y*)=0，且它被无数个局部最小值包围。式(1)是多元多峰函数的优化问题,利用该函数可以测试本文优化算法的抗早熟性能。

图1为本文提出的改进实数编码遗传算法的算法流程。

F=(x2+y-11)2+(x+y2-7)2,x≤6,y≤6

(2)

  

图2 Schaffer Function的三维图

图3为根据式(2)绘制的函数三维图，可以看出该函数有4个全局最小值点，即当(x*,y*)={(3.0,2.0),(3.584 428,-1.848 126),(-2.805 118,3 013 131), (-3.779 310,-3.283 186)}时，函数取得全局最小值F(x*,y*)=0。式(2)是多元多峰函数的优化问题，该函数可用来测试本文优化算法的全局快速搜索能力。

点评：这两张叠加的照片都是颜色浓重的照片，不好驾驭，但作者完成得不错，框架的照片可以不透明度再低一些。

  

图3 Himmelblau Function的三维图

2.4 算法搜索精度的比较

将交叉概率Pc设置为0.8，变异概率Pm设置为0.1，种群规模P设置为50，以进化代数N=100为运行终止的条件，采用传统实数编码遗传算法和改进实数编码遗传算法分别对2个测试函数的全局最小值进行搜索。

图4为针对Schaffer function函数的传统实数编码遗传算法在进化代数达到100时，运行得到的最优值为0.4，图5为改进算法在进化代数达到100时，运行得到的最优值为0.39。

总之，在高中生物教学中，教师应关心、爱护学困生，要改进教学方法，帮助学生记忆、复习，建构自己的知识体系。教师要尊重后进生，要通过激发学习动机、培养意志品质、强化学法指导，让学生获得应有的进步。

  

图4 传统实数编码遗传算法的寻优结果

  

图5 改进实数编码遗传算法的寻优结果

图6为针对Himmeblau function函数的传统实数编码遗传算法在进化代数达到100时，运行得到的最优值为3.7，图7为改进算法在进化代数达到100时，运行得到的最优值为2.6。

基因阳性表型阴性组(G+/P-组)共60例，其中男23例、女37例，年龄(37±14)岁。经基因一代验证，携带肌小节类蛋白基因主要为MYH 7基因 28 例(46.7%)、MYBPC3基因21例(35%)，其他肌小节基因(TNNT 2、TNNI 3、MYL 2、MYL 3、TPM 2、ACTC 1)11 例(18.5%)；基因阴性表型阴性组(G-/P-组)的亲属73例为对照组，其中男43例、女30例，年龄(37±12)岁。两组的年龄、性别匹配。

  

图6 传统实数编码遗传算法的寻优结果

  

图7 改进实数编码遗传算法的寻优结果

以上优化结果表明：通过对2个不同的标准测试函数的全局最小值进行搜索，在相同的进化代数条件下，改进实数编码遗传算法能取得比传统实数编码遗传算法更高的搜索精度。

①读写器的数据交换协议如何制定？是我们制定完成后，RF将其进行调制，采用的CRC校验可以杜绝黑匣子部分不能解决可能性。

2.5 算法搜索速度的比较

3) 通过试验验证，采用改进实数编码遗传算法搜索得到的最优工艺参数能够取得更高的焊接效率。

图8为针对Schaffer function函数的传统实数编码遗传算法在达到搜索精度时，运行得到的终止代数为73。 图9为改进算法在达到搜索精度时，运行得到的终止代数为9。

  

图8 传统实数编码遗传算法的寻优结果

  

图9 改进实数编码遗传算法的寻优结果

图10为针对Himmeblau function函数的传统实数编码遗传算法在达到搜索精度时，运行得到的终止代数为87，图11为改进算法在达到搜索精度时，运行得到的终止代数为9。

  

图10 传统实数编码遗传算法的寻优结果

  

图11 改进实数编码遗传算法的寻优结果

参考文献:

3 工艺参数寻优

试验采用2219-T6铝合金材料，其主要质量分数和力学性能如表1、表2所示。

 

表1 2219-T6铝合金质量分数

  

元素AlCuMnFeTiVZnSiZr质量分数92．16．480．320．230．060．080．040．490．2

 

表2 2219-T6铝合金力学性能

  

项目抗拉强度/MPa屈服强度/MPa延伸率/(%)数值41634515

铝合金材料尺寸为150mm×75mm×6mm，采用K型热电偶接触式测温度： 0.1mm，0.25℃的精度，力传感器的频度为500ms。

做好源头管理，建立完善的科研成果评价体系，根据市场评估成果，设置详细的转化标准和转化细则。定期对科研成果进行严格的评估和审核，对其市场价值进行严格的判定，确保待转化成果的高品质和运营成本的合理可控。

本文采用实数编码方式，相比于二进制编码，实数编码直接采用解空间的形式进行编码，其特点是编码意义明确，易于引入特定领域的信息，能大大缩短编码串长度。另外，遗传操作无须频繁地编码和解码，程序运行所占内存空间减小，易于进行相关的数值操作，改善了GA的计算复杂性，因而算法的搜索速度有较大的提高。

对照组44例泌尿外科患者的男女性别各占例数分别为22例、22例;平均年龄值(47.55±0.25)岁,年龄上限值66岁,下限值23岁。

 

表3 典型数据表

  

转速/(r/min)拉拔行程/mm拉拔速度/(mm/min)锥度/(°)温度/℃拉锻力/kN保压力/kN抗拉强度/MPa延伸率/(%)焊接效率/(%)700031853031412．214．3216．50．9275．4700032003032810．311208．50．5676．2700032253026017．515．3226．81．0677．1700031803032811．592200．4974．760005250403602516200．11．176860005300401652622．5181．22．3661．660005200403492720234．71．379．860005250503113229242．91．0582．560005200503303230249．44．2384．760004200402671918253．12．2486600041604035220．518233．51．7779．3

 

续表3

  

转速/(r/min)拉拔行程/mm拉拔速度/(mm/min)锥度/(°)温度/℃拉锻力/kN保压力/kN抗拉强度/MPa延伸率/(%)焊接效率/(%)60004160502982624225．72．4376．7500052504039025182444．1482．9500052004037226222358．7879．850005200503503432251．53．2885．550004200402932523252．22．6385．750004160403622118231．71．8878．750004200503422927253．82．2786．250004160503592422243．44．6782．750004200503402625253．43．1986．1

通过使用改进实数编码遗传算法对寻优参数进行寻优，焊接效率为温度、拉锻力、保压力、抗拉强度和延伸率的综合指标，所以寻优以焊接效率最高为目标值，得到最优解为转速：5 000r/min，拉拔行程5mm，拉拔速度250mm/min，锥度50°。以最优解的参数值进行试验，得到焊接效率为87.6%，超过表3中使用其他参数值的焊接效率。

4 结语

1) 在进化代数相同时，改进实数编码遗传算法能取得比普通实数编码遗传算法更高的搜索精度。

2) 在达到相同的搜索精度条件下，改进实数编码遗传算法能取得比传统实数编码遗传算法更快的搜索速度。

将Pc设置为0.8，Pm设置为0.1，P设置为50，以搜索精度δ=10-3为运行终止的条件，算法的最大进化代数为100，即算法进化100次未达到搜索精度时算法也停止运行。采用传统实数编码遗传算法和改进实数编码遗传算法分别对4个测试函数的全局最小值进行搜索。

以上优化结果表明：通过对2个不同的标准测试函数的全局最小值进行搜索，在达到相同的搜索精度条件下，改进实数编码遗传算法能取得比传统实数编码遗传算法更快的搜索速度。

在香港国际美酒展上约了她做访谈，那时候的她基本上是连轴转地转场主持不同的大师班。在场馆外看着她脸上虽略带疲累，但每一位学员上前咨询课程细节时，她的每一句回答都依然保持着精准和举一反三的专业度。能如此年轻就摘取葡萄酒大师头衔，这股毅力和意志着实可怕。跟她的对话也是在步行前往另一个大师班的路上完成，时间对于Sarah来说显然是越来越珍贵。今年才刚30岁的她，真的很拼。

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共享营销又称为互销。共享营销是指买卖双方通过双向交易方式提供产品或服务的行为，包括为促进该行为进行的有关辅助活动，比如：互买、互卖、互推、互换、互租、互保、互贷、互投等。

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2.5 糖尿病患者握力与影响因素的多元线性回归结果 以握力作为应变量，前述表2中相关显著的指标作为自变量，建立多元线性回归模型。分析结果显示，年龄、性别、BMI、糖尿病病程长短、糖尿病并发症数量、合并其他代谢性疾病数量、清蛋白、总蛋白、肌酐可能影响糖尿病患者的握力（P＜0.05）。对于糖尿病患者而言，男性握力高于女性，年龄越大、BMI越低、糖尿病病程越长、糖尿病相关并发症越多、合并其他代谢性疾病越多，患者的握力水平可能越低（P＜0.05）。生化指标中，总蛋白、清蛋白、肌酐水平高者握力越大（P＜0.05）。见表3。

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采用个别分舱治疗，实施常规治疗干预。①升压：关紧舱门，打开供氧阀，调节氧流量，电脑控制均速升压，常规升压时间15 min，升压速率<0.01 MPa/min，必要时根据病人情况，酌情延长加压时间，减慢加压速率。②稳压：病人先吸氧30 min，休息10 min后再次吸氧30 min，吸氧浓度100%。③减压：电脑控制均速减压，减压时间25 min。治疗时注意，对中度耳痛病人应常规暂停3 d～5 d后再行高压氧治疗，或根据病人需要于第2 天治疗前10 min给予羟甲唑啉鼻腔喷雾喷双侧鼻腔，帮助调压。如实施上述措施后病人依旧无法耐受高压氧，则继续暂停治疗，或根据需要行鼓膜穿刺后，再行治疗。

朱敦儒一首《卜算子·旅雁向南飞》，诗人以向南迁徙的旅雁自喻，在一场风雨中与雁群飞散，后经过忍饥挨饿、逆流振翅、孤立汀上、鸥鹭难亲等一系列困苦挫折。看着茫茫云海之大，却无一处可供自己安身。普天之下，谁又能听到“我”的哀鸣呢？全词通篇叙事，结句抒情，将这只旅雁——抽象化的词人的悲戚遭遇推向高潮。