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申请/专利权人：江苏航运职业技术学院

摘要：本发明公开了基于数字孪生的钢结构焊缝质量实时监控系统，涉及钢结构技术领域，该发明利用数字孪生技术，通过物理模型和数据驱动模型的结合，对焊接过程实时模拟和监控，及时优化焊接参数；通过实时检测并预警焊接过程中的问题，避免严重缺陷的产生，通过监控预警模块计算并评估表面缺陷指数Qxzs，及时发现潜在缺陷，同时通过第一预警指令和第二预警指令，提醒用户采取补救措施；用户通过人机交互界面及时了解焊接的情况，并查看焊缝缺陷点；采集并计算获取焊缝下层指数Xczs，同时对焊缝下层指数Xczs进行评估，生成相应的补救策略，减少钢结构焊缝内部缺陷对钢结构的性能的影响。

主权项：1.基于数字孪生的钢结构焊缝质量实时监控系统，其特征在于：包括采集建模模块、孪生数模建立模块、监控预警模块、人机交互模块和质量优化模块；所述采集建模模块，包括部署单元和划分采集单元；所述部署单元在焊接设备与焊接区域部署焊接传感器组件；划分采集单元根据焊缝焊接面积将焊接过程划分为三个阶段，分别为焊接前期、焊接中期和焊接后期；通过焊接传感器组件实时采集，并传输每个焊接阶段的参数，并构建实时数据集；所述孪生数模建立模块，包括物理模型建立单元、数据驱动模型建立单元和模型集成单元；所述物理模型建立单元用于建立物理模型；所述数据驱动模型建立单元用于建立数字驱动模型；将物理模型和数据驱动模型集成为数字孪生模型，再进行校准，最后实时对焊接过程进行监控以及预警；所述监控预警模块，用于接收实时数据，并监控数字孪生模型实时模拟焊接过程，以及预测焊接过程中的变化；分别在焊接过程的三个阶段计算表面缺陷指数Qxzs；并预设第一差值A1和第二差值A2，对钢结构焊缝表面的缺陷指数Qxzs进行评估，并生成第一预警指令和第二预警指令；所述人机交互模块，通过人机交互界面，实时显示焊接过程，并接收第一预警指令和第二预警指令后，用户通过人机交互界面查看钢结构焊缝缺陷点；所述质量优化模块，用于对钢结构焊缝内部缺陷点及时进行调整；采集钢结构焊缝的内部数据，构建内部数据集；同时提取内部数据集进行计算，获取焊缝下层指数Xczs；最后对焊缝下层指数Xczs进行评估，并生成补救策略；所述监控预警模块包括监控单元，第一计算单元和第一评估单元；所述监控单元通过数字孪生模型接收实时数据集，并基于实时数据集进行实时模拟，预测焊接过程中发生的变化；所述第一计算单元和第一评估单元，分别在焊接前期、焊接中期和焊接后期计算并评估钢结构焊缝表面的缺陷指数Qxzs；所述第一计算单元用于计算缺陷指数Qxzs，所述缺陷指数Qxzs基于实时数据集，提取焊缝裂纹面积Hlw、焊缝气孔面积Hqk、焊缝缩孔面积Hsk和焊缝夹渣体积Hjz并进行无量纲处理后，通过以下公式计算获得： 式中，N表示为采样点的总数，、、和分别表示为第i个采样点的焊缝裂纹面积Hlw、焊缝气孔面积Hqk、焊缝缩孔面积Hsk和焊缝夹渣体积Hjz，q1、q2、q3和q4分别表示焊缝裂纹面积Hlw、焊缝气孔面积Hqk、焊缝缩孔面积Hsk和焊缝夹渣体积Hjz的权重值；且0≤q1＜1，0≤q2＜1，0≤q3＜1，0≤q4＜1，q1+q2+q3+q4=1，P表示第一修正常数；所述第一评估单元用于评估缺陷指数Qxzs；通过预设第一差值A1和第二差值A2对表面缺陷指数Qxzs进行评估，且第一差值A1＞第二差值A2，生成以下指令；若表面缺陷指数Qxzs＞第一差值A1，则表示当前钢结构焊缝表面存在缺陷，且差异大，此时生成第一预警指令，提醒用户及时做出补救；若第一差值A1＞表面缺陷指数Qxzs＞第二差值A2，则表示当前钢结构焊缝表面存在缺陷，但缺陷小，此时生成第二预警指令，提醒用户进行补救；若第二差值A2＞表面缺陷指数Qxzs，则表示当前钢结构焊缝表面没有存在缺陷，此时对钢结构焊缝进行下一步加工；所述质量优化模块包括下层数据采集单元、第二计算单元和第二评估单元；所述下层数据采集单元，用于采集焊缝中的缺陷点信息，用户通过在焊缝表面两侧安装超声波传感器以及射线探测仪，采集钢结构焊缝的内部数据，并构建内部数据集；所述内部数据集包括：层间气孔面积Cqk、未熔合面积Wrh、层间氧化面积Cyh和氢致裂纹面积Qzl；所述层间气孔面积Cqk，是指在焊缝层间存在的孔洞或气泡，通过超声波检测获得；所述未熔合面积Wrh是指焊缝金属与母材或焊缝金属之间未完全熔合的区域，通过超声波检测获得；所述层间氧化面积Cyh是指焊接过程中由于保护不良，氧气侵入焊缝层间导致的氧化区域，通过射线检测识别获得；所述氢致裂纹面积Qzl是由于焊接过程中氢气的溶解和扩散，在冷却过程中引起的裂纹，通过超声波检测获得；所述第二计算单元用于计算钢结构焊缝内部的焊缝下层指数Xczs；提取内部数据集中的层间气孔面积Cqk、未熔合面积Wrh、层间氧化面积Cyh和氢致裂纹面积Qzl，进行无量纲处理后，通过以下公式计算获取焊缝下层指数Xczs： 式中，w1、w2、w3和w4分别表示层间气孔面积Cqk、未熔合面积Wrh、层间氧化面积Cyh和氢致裂纹面积Qzl的权重值，Azmj表示层间气孔面积Cqk、未熔合面积Wrh、层间氧化面积Cyh和氢致裂纹面积Qzl的总面积，A表示焊缝下层指数Xczs的变量，dA表示焊缝下层指数Xczs的变量的微分；且0≤w1＜1，0≤w2＜1，0≤w3＜1，0≤w4＜1，w1+w2+w3+w4=1，L表示第二修正常数；所述第二评估单元，用于通过预设第三差值A3与焊缝下层指数Xczs进行评估，生成以下补救策略：若预设第三差值A3＞焊缝下层指数Xczs，则表示焊缝内部的层间气孔面积Cqk、未熔合面积Wrh、层间氧化面积Cyh和氢致裂纹面积Qzl无异常，不需要补救；若预设第三差值A3≤焊缝下层指数Xczs，则表示焊缝内部的层间气孔面积Cqk、未熔合面积Wrh、层间氧化面积Cyh和氢致裂纹面积Qzl有异常，此时通过使用电弧气刨工具，去除含有异常的焊缝部分，再重新焊接，对相应的缺陷进行补救。

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