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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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(shí)間和澆注溫度5個(gè)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(cè)驗(yàn)證。結(jié)果表明：模型具有較佳的預(yù)測(cè)能力和較高的預(yù)測(cè)精度，模型相對(duì)預(yù)測(cè)誤差介于3.57%與5.02%之間，平均相對(duì)預(yù)測(cè)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(shí)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(qiáng)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(shí)，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(diǎn)[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(duì)耐候鋼的研究也較多。盧軍輝等[2]分析了鈣處理對(duì)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(qiáng)比高強(qiáng)耐候鋼的CCT曲線及性能。武永壽等[4]研究了高強(qiáng)度耐候鋼Q355對(duì)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(duì)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(duì)低屈強(qiáng)比高強(qiáng)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(duì)建筑用耐候鋼顯微組織的影響。但是隨著市場(chǎng)對(duì)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(yàn)研究來進(jìn)行建筑耐候鋼鑄態(tài)性能優(yōu)化，將耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力。我們都知道，隨著計(jì)算機(jī)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(chǔ)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(bào)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(duì)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(yàn)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(gè)輸入層、兩個(gè)隱含層和一個(gè)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(yùn)算；輸出層的主要作用是輸出模型預(yù)測(cè)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(gè)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(shí)間、澆注溫度。隱含層一和隱含層二分別有30個(gè)、6個(gè)神經(jīng)單元。輸出層有1個(gè)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(píng)價(jià)，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(jì)算容量，所有輸入?yún)?shù)進(jìn)行了歸一化處理，并對(duì)所有輸出參數(shù)進(jìn)行了歸一化逆運(yùn)算。

2試驗(yàn)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(jī)選取25個(gè)組合進(jìn)行試驗(yàn)，制備出不同參數(shù)下的25個(gè)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(jì)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(shí)熔煉覆蓋劑為C3型覆蓋劑，靜置設(shè)置的相應(yīng)時(shí)間后進(jìn)行兩次精煉，精煉時(shí)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(yàn)在室溫條件下，用CS330型電化學(xué)工作站進(jìn)行測(cè)試，腐蝕液為5%氯化鈉水溶液，記錄腐蝕電位。腐蝕試驗(yàn)前先在-1.0V恒電位下極化180s。腐蝕試驗(yàn)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(cè)驗(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)中隨機(jī)抽取的19組試驗(yàn)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(dòng)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(duì)訓(xùn)練誤差是指訓(xùn)練值與試驗(yàn)值之差的絕對(duì)值與試驗(yàn)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(duì)訓(xùn)練誤差介于4.01%與6.51%之間，平均相對(duì)訓(xùn)練誤差5.01%，模型相對(duì)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(shí)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(duì)應(yīng)關(guān)系，可以用來預(yù)測(cè)鑄態(tài)新型建筑耐候鋼耐腐蝕性能。

3.2模型的預(yù)測(cè)驗(yàn)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(cè)驗(yàn)證樣本為未經(jīng)學(xué)習(xí)訓(xùn)練的6組試驗(yàn)數(shù)據(jù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型的預(yù)測(cè)驗(yàn)證結(jié)果如表3所示，表中的相對(duì)預(yù)測(cè)誤差是指預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值之差的絕對(duì)值與試驗(yàn)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(duì)預(yù)測(cè)誤差介于3.57%與5.02%之間，平均相對(duì)預(yù)測(cè)誤差4.24%，模型相對(duì)預(yù)測(cè)誤差偏小，具有較佳的預(yù)測(cè)能力和較高的預(yù)測(cè)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(shí)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(duì)應(yīng)關(guān)系，可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)鑄態(tài)新型建筑耐候鋼耐腐蝕性能。

3.3應(yīng)用驗(yàn)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(cè)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(yàn)后的表面形貌。從圖2可以看出，09MnCuPTi建筑耐候鋼腐蝕試驗(yàn)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(yàn)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(shí)間和澆注溫度5個(gè)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(cè)能力和較高的預(yù)測(cè)精度，模型相對(duì)預(yù)測(cè)誤差介于3.57%與5.02%之間，平均相對(duì)預(yù)測(cè)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(dòng)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(duì)訓(xùn)練誤差介于4.01%與6.51%之間，平均相對(duì)訓(xùn)練誤差5.01%；模型相對(duì)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(shí)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