基于支持向量回归的双相不锈钢抗点蚀性能及焊接工艺优化研究

摘要

随着社会发展进步，矿产资源越来越少、开采越来越难，而人类对材料的使用性能要求越来越高。不锈钢作为一种常用生活材料，由于其优异的耐蚀性、抗氧化、超塑性、杀菌性能和记忆功能等，被广泛应用于各个领域。人们已经研究合成出很多常用的标准不锈钢，但多是根据经验公式/ANN模型得出材料化学成分配比，并不能十分有效地得到抗腐蚀性能最高的不锈钢。所以，通过建立一个稳定准确的模型对于寻找抗腐蚀性能优异的材料成分配比有着非常重要的作用。本文主要根据相关实验数据，对非标准双相不锈钢的抗腐蚀性能、非标准双相不锈钢弱相点蚀性能及不锈钢焊接工艺对焊接点抗腐蚀性能影响进行建模、优化研究:①收集相关实验数据并建立模型；②对所建模型进行准确性检验；③分析模型所揭示的相关规律。
　　本文利用基于支持向量回归的粒子群寻优算法进行了建模分析。主要工作如下：
　　①低镍高锰氮非标准双相不锈钢的抗点蚀电位的SVR建模研究
　　在本研究中，文献作者以低镍高锰氮非标准双相不锈钢中铬(Cr)、钼(Mo)、氮(N)三种化学成分作为不锈钢的组分，测量并计算了其点蚀当量指数(PREN)，然后以PREN作为中间变量拟合了材料的抗点蚀电位值。我们根据粒子群寻优算法获得最优指数模型（PREN1.47），并以此模型计算了低镍高锰氮非标准双相不锈钢中的最优抗点蚀电位；也直接根据低镍高锰氮非标准双相不锈钢中铬(Cr)、钼(Mo)、氮(N)三种化学成分建立了其与抗点蚀电位（Ep）之间的SVR模型。为检验所建SVR模型的准确性，应用检验样本对其进行了验证。结果表明，所建SVR模型的预测值与实验结果吻合良好，所建SVR模型预测的平均绝对百分误差(MAPE)0.91％大大优于其他三种非线性回归模型的预测结果(分别为PREN16=13.70%, PREN30=14.68%, PREN1.47=12.45%)。同时利用所建SVR模型计算了抗点蚀电位对各元素的灵敏度。结果发现，铬元素对不锈钢抗腐蚀性能影响最敏感，其他两种元素敏感度相同；
　　②低镍高锰氮非标准双相不锈钢的弱相抗点蚀电位的SVR建模研究
　　本研究中，文献作者报导了以铬(Cr)、钼(Mo)、氮(N)、镍(Ni)为参数，以点蚀当量(PREN)作为中间变量求得低镍高锰氮非标准双相不锈钢的抗点蚀电位值，与(1)不同的是，文中取材料中晶相较低的PREN值作为中间变量(即取材料中PRENα和PRENγ值较低者)。我们根据低镍高锰氮非标准双相不锈钢中弱相中的铬(Cr)、钼(Mo)、氮(N)三种化学成分建立了与其抗点蚀电位值之间的SVR模型，并用测试样本和独立样本对所建 SVR模型进行了检验。结果显示：SVR模型对训练、测试和独立样本的 MAPE(0.0002%、2.50%、32.38%)均远优于 PREN模型的三个结果（12.35%、9.85%、65.18%）。灵敏度计算结果显示铬元素对抗点蚀电位敏感度最强，氮元素次之，钼元素和镍元素再次之；
　　③双相不锈钢电镀金属焊接因素对焊点抗腐蚀性能的影响
　　人们实验发现，双相不锈钢的抗腐蚀性能与材料本身的化学成分配比、材料的金相分布有关，在其焊接点处的抗腐蚀性能还与焊接因素有关。本文根据焊接时的焊接电流、焊接速度、焊头到工件的距离和焊接角度等四个参数和相关实验数据，对其抗点蚀电位值进行了 SVR建模与预测研究。结果显示：SVR模型所得结果近乎与实验结果相吻合，而文献中每组结果误差都在0.5%以上；所建SVR模型对训练和测试样本的 MAPE(分别为0.42%、0.32%)远优于文献报导结果(分别6.36%、14.49%)。同时从所建SVR模型中还可以得出，焊接速度对焊接点处的抗腐蚀性能有很大的影响。
　　总之，以上建模研究结果表明，所建SVR模型稳健、准确，能定量揭示自变量(Cr, Mo, N，Ni组分；焊接工艺等)对不锈钢抗腐蚀能力的影响规律；可为寻找或研发具有高抗点蚀电位的新型低镍高锰氮非标准双相不锈钢材的化学成分配比提供理论指导，为双相不锈钢的焊接工艺提供科学优化，对节省实验时间、减少实验成本和试验次数有着非常重要的指导意义和实际应用价值。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 不锈钢发展及现状

1.2 研究目的及意义

1.3 研究的内容

2 支持向量回归

2.1 统计学习理论的基本思想

2.2 支持向量回归原理

2.3 核函数

2.4 支持向量回归机参数选择

2.5 小结

3 非标准低镍高锰氮双相不锈钢的抗点蚀电位建模研究

3.1 模型方法和数据集

3.2 模型预测性能评价

3.3 结果讨论

3.4 结论

3.5 小结

4 非标准低镍高锰氮双相不锈钢弱相抗点蚀电位建模研究

4.1 数据来源

4.2 模型建立和预测评价

4.3 结果讨论

4.4 最优组分参数及SVR模型因素分析

4.5 灵敏度分析

4.6 小结

5 双相不锈钢电镀金属焊接因素对其抗点蚀电位影响

5.1 数据来源

5.2 模型建立和预测评价

5.3 结果讨论

5.4 最优工艺参数及SVR模型中焊接因素分析

5.5 小结

6 结论及展望

6.1 主要结论

6.2 后续研究工作的展望

致谢

参考文献

附录

附录A 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录