支持向量机的矫直控制方法研究【字数：15387】
摘 要随着可持续发展的观念逐渐深入人心，再制造工程逐步成为一种广受关注的技术。目前，通过机器学习对反弯矫直行程进行预测的研究较少。已有的研究更多集中在通过机器学习对滚压矫直进行研究。本文分析现有的弹塑性力学理论，结合有限元分析，将最小二乘支持向量机应用在矫直行程控制上。以此达到提高矫直工作效率与精度的功能。本文设计了三点反弯矫直实验方案，进行了矫直实验，获取了实验数据。并通过ABAQUS软件，对测试零件的反弯矫直过程进行了有限元分析。虽然支持向量机在处理小样本问题上，有很好的效果。但是支持向量机的精度受假样本的影响很大。所以在训练支持向量机之前，应当找到并修正实验样本中可能存在的假样本。通过对比仿真结果和实验样本，发现了可能存在的假样本，并对其重新进行了实验，获取了相同条件下的数据。修正了可信度较低的样本，保存了实验数据的准确性。介绍了支持向量机的理论，并分析了最小二乘支持向量机的优越性。通过MATLAB软件，建立了最小二乘支持向量机的模型，并对三点反弯矫直行程进行了控制。最后，设计了相应的GUI界面。基本实现了对测试零件矫直的智能控制，减少了对人工的依赖。
目 录
1. 引言 1
1.1 反弯矫直国内外研究现状 1
1.1.1 国内反弯矫直理论研究状况 1
1.1.2 国外反弯矫直理论研究状况 3
1.2 矫直设备的国内外研究现状 3
1.2.1 国内压力矫直设备 3
1.2.2 国外压力矫直设备 4
1.3 基于智能算法的矫直行程计算研究现状 5
1.4 主要问题和发展趋势 5
1.5 主要研究内容 6
1.6 本章小结 6
2. 反弯矫直的弹塑性力学理论分析 7
2.1 三点反弯矫直原理 7
2.2 反弯矫直弹复理论基本假设 7
2.3 反弯矫直过程中的材料模型 8
2.4 弹塑性弯曲过程中的应力应变分析 10
2.5 反弯矫直过程中的基本曲率关系 12
2.6 本章小结 12
3. 实测样本的获取方法 14
3.1 实验设备 14 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
3.2 实验要求 15
3.3 实验方案 15
3.3.1 实验对象 15
3.3.2 矫直实验流程 15
3.3.3 实验数据 17
3.4 本章小结 17
4. 基于数值计算的样本修正 18
4.1 实验过程中常见的偶然误差 18
4.2 基于数值计算的样本趋势分析 19
4.3 反弯矫直的有限元仿真 19
4.3.1 有限元仿真的材料参数 19
4.3.2 有限元仿真的矫直过程 19
4.3.3 数值计算结果 20
4.4 数值计算结果和实验样本的对比 21
4.4.1 趋势对比 21
4.4.2 样本去趋势 21
4.3.3 样本修正 22
4.5 本章小结 23
5. 基于SVM的矫直控制方法 24
5.1 支持向量机的基本理论 24
5.2 支持向量回归机 24
5.2.1 线性支持向量回归机 24
5.2.2 核函数 26
5.2.3 支持向量机的参数优化 26
5.2.4 最小二乘支持向量回归机 26
5.3 基于LSSVM的矫直实验 27
5.3.1 输入输出量的选择 27
5.3.2 LSSVM的参数选择 27
5.3.3 基于LSSVM的矫直行程控制 28
5.3.4 矫直结果分析 28
5.3.5 基于LSSVM的交互程序设计 29
5.4 本章小结 30
6. 结论与展望 31
6.1 结论 31
6.2 展望 31
参考文献 32
发表论文情况 34
致谢 35
附录1 36
附录2 37
附录3 39
附录4 40
附录5 43
1 引言
随着全球经济的发展，人们的消费水平不断提高，一方面造成了资源日益短缺，另一方面也造成了机电产品报废量的激增。据统计，全球范围内，有70%以上的排放物是来自于制造业，每年产出约55亿吨的无害废物和7亿吨的有害废物[1]。为了减少报废产品对环境的危害，也为了能够减少环境资源的浪费，对废旧机电产品进行再制造早就显得十分有必要了。
再制造工程，是我国新发展起来的一种研究方向。充分体现了环保性和经济性的特点。再制造可以使得废旧资源中潜藏的价值得到最大限度的利用，缓解资源的短缺，并减少大量的报废产品对环境造成的危害[2]。
再制造领域中，存在很多因为受到冲击，而产生塑性变形并超过允许误差范围后，失效的废旧零件[3]。通过反弯矫直可以使得这类零件回到再次能够被使用的状态。反弯矫直是通过外加静载荷使弯曲零件产生反向变形以达到矫直的一种方法。具体的工艺过程是将两支点支起，在工件弯曲最大处施加反向的压力，使得工件产生反向的变形。卸去压力后，工件发生一部分的回弹，一部分的永久塑性变形。若弹性回复量刚好等于反向变形量，则工件被矫直[4]。
然而，在实际工程中，为了提高反弯矫直的工作效率，我们常常希望在进行反弯矫直之前能够预测出矫直量的大小。但是，发生弯曲变形的零件类型多种多样，不仅材料类型、零件截面不同，跨距和初始挠度也往往各不相同。建立有效的数学模型来实现对矫直量的预测，往往十分困难。
为了解决上述问题，我们可以采用机器学习，来实现对矫直量的预测。同时，出于实验经济性的考虑，我们选用在小样本上具有良好性能的支持向量机，来进行矫直量的预测。
1.1 反弯矫直国内外研究现状
1.1.1 国内反弯矫直研究状况
1996年钦明浩[5]等基于弹塑性理论，建立了弹塑性挠度和曲率之间的方程。已知初始弯曲曲率，求出反弯挠度。该理论首先基于弹塑性理论的方法来解决矫直的问题，具有较大的理论参考意义。但由于实际零件截面各不相同，弯曲情况复杂，因此难以保证矫直精度[6]。1997年蒋守仁[7]等建立了载荷挠度关系模型，提出计算矫直机下压行程控制的理论方法。该数学模型可以利用初始挠度直接计算出下压量，同时也易于在自动矫直机上进行编程控制。2003年孙杰[8]对航空整体结构件的结构特点进行了分析，并建立了相关的数学模型。并通过弹塑性理论，对其反弯矫直的过程进行了分析，如图所示11。2004年李骏[9]等对已有的矫直数学模型进行了化简和推导，对已有的计算理论进行了详细分析。为更精确计算公式的获得提供了理论基础。2007年王会刚[10]建立了H型钢矫直的实体模型和有限元模型，计算出了关键的工艺参数可调辊压下挠度的传统解、工程解和精确理论解。2013年钟华勇[11]对锆合金管的弯曲矫直理论进行了深入的研究。2016年杨昕宇[12]以压力矫直理论为基础，计算出了反弯矫直力与水平张力的匹配关系。并利用ABAQUS对相应的力学模型进行了数值模拟验证，如图12所示。王立权[13]等对卷管铺设中管道的反弯矫直过程进行了有限元分析。2017年张翔燕[14]通过等效建模的方法，用等效零件代替原零件，并建立出相应的反弯矫直模型，以此简化了矫直模型的多样性，更容易计算出需要的矫直参数，如图13所示。蔺艺辉[15]对实心T型的矫直过程进行了建模仿真，并以此确定最佳下压量。
目 录
1. 引言 1
1.1 反弯矫直国内外研究现状 1
1.1.1 国内反弯矫直理论研究状况 1
1.1.2 国外反弯矫直理论研究状况 3
1.2 矫直设备的国内外研究现状 3
1.2.1 国内压力矫直设备 3
1.2.2 国外压力矫直设备 4
1.3 基于智能算法的矫直行程计算研究现状 5
1.4 主要问题和发展趋势 5
1.5 主要研究内容 6
1.6 本章小结 6
2. 反弯矫直的弹塑性力学理论分析 7
2.1 三点反弯矫直原理 7
2.2 反弯矫直弹复理论基本假设 7
2.3 反弯矫直过程中的材料模型 8
2.4 弹塑性弯曲过程中的应力应变分析 10
2.5 反弯矫直过程中的基本曲率关系 12
2.6 本章小结 12
3. 实测样本的获取方法 14
3.1 实验设备 14 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
3.2 实验要求 15
3.3 实验方案 15
3.3.1 实验对象 15
3.3.2 矫直实验流程 15
3.3.3 实验数据 17
3.4 本章小结 17
4. 基于数值计算的样本修正 18
4.1 实验过程中常见的偶然误差 18
4.2 基于数值计算的样本趋势分析 19
4.3 反弯矫直的有限元仿真 19
4.3.1 有限元仿真的材料参数 19
4.3.2 有限元仿真的矫直过程 19
4.3.3 数值计算结果 20
4.4 数值计算结果和实验样本的对比 21
4.4.1 趋势对比 21
4.4.2 样本去趋势 21
4.3.3 样本修正 22
4.5 本章小结 23
5. 基于SVM的矫直控制方法 24
5.1 支持向量机的基本理论 24
5.2 支持向量回归机 24
5.2.1 线性支持向量回归机 24
5.2.2 核函数 26
5.2.3 支持向量机的参数优化 26
5.2.4 最小二乘支持向量回归机 26
5.3 基于LSSVM的矫直实验 27
5.3.1 输入输出量的选择 27
5.3.2 LSSVM的参数选择 27
5.3.3 基于LSSVM的矫直行程控制 28
5.3.4 矫直结果分析 28
5.3.5 基于LSSVM的交互程序设计 29
5.4 本章小结 30
6. 结论与展望 31
6.1 结论 31
6.2 展望 31
参考文献 32
发表论文情况 34
致谢 35
附录1 36
附录2 37
附录3 39
附录4 40
附录5 43
1 引言
随着全球经济的发展，人们的消费水平不断提高，一方面造成了资源日益短缺，另一方面也造成了机电产品报废量的激增。据统计，全球范围内，有70%以上的排放物是来自于制造业，每年产出约55亿吨的无害废物和7亿吨的有害废物[1]。为了减少报废产品对环境的危害，也为了能够减少环境资源的浪费，对废旧机电产品进行再制造早就显得十分有必要了。
再制造工程，是我国新发展起来的一种研究方向。充分体现了环保性和经济性的特点。再制造可以使得废旧资源中潜藏的价值得到最大限度的利用，缓解资源的短缺，并减少大量的报废产品对环境造成的危害[2]。
再制造领域中，存在很多因为受到冲击，而产生塑性变形并超过允许误差范围后，失效的废旧零件[3]。通过反弯矫直可以使得这类零件回到再次能够被使用的状态。反弯矫直是通过外加静载荷使弯曲零件产生反向变形以达到矫直的一种方法。具体的工艺过程是将两支点支起，在工件弯曲最大处施加反向的压力，使得工件产生反向的变形。卸去压力后，工件发生一部分的回弹，一部分的永久塑性变形。若弹性回复量刚好等于反向变形量，则工件被矫直[4]。
然而，在实际工程中，为了提高反弯矫直的工作效率，我们常常希望在进行反弯矫直之前能够预测出矫直量的大小。但是，发生弯曲变形的零件类型多种多样，不仅材料类型、零件截面不同，跨距和初始挠度也往往各不相同。建立有效的数学模型来实现对矫直量的预测，往往十分困难。
为了解决上述问题，我们可以采用机器学习，来实现对矫直量的预测。同时，出于实验经济性的考虑，我们选用在小样本上具有良好性能的支持向量机，来进行矫直量的预测。
1.1 反弯矫直国内外研究现状
1.1.1 国内反弯矫直研究状况
1996年钦明浩[5]等基于弹塑性理论，建立了弹塑性挠度和曲率之间的方程。已知初始弯曲曲率，求出反弯挠度。该理论首先基于弹塑性理论的方法来解决矫直的问题，具有较大的理论参考意义。但由于实际零件截面各不相同，弯曲情况复杂，因此难以保证矫直精度[6]。1997年蒋守仁[7]等建立了载荷挠度关系模型，提出计算矫直机下压行程控制的理论方法。该数学模型可以利用初始挠度直接计算出下压量，同时也易于在自动矫直机上进行编程控制。2003年孙杰[8]对航空整体结构件的结构特点进行了分析，并建立了相关的数学模型。并通过弹塑性理论，对其反弯矫直的过程进行了分析，如图所示11。2004年李骏[9]等对已有的矫直数学模型进行了化简和推导，对已有的计算理论进行了详细分析。为更精确计算公式的获得提供了理论基础。2007年王会刚[10]建立了H型钢矫直的实体模型和有限元模型，计算出了关键的工艺参数可调辊压下挠度的传统解、工程解和精确理论解。2013年钟华勇[11]对锆合金管的弯曲矫直理论进行了深入的研究。2016年杨昕宇[12]以压力矫直理论为基础，计算出了反弯矫直力与水平张力的匹配关系。并利用ABAQUS对相应的力学模型进行了数值模拟验证，如图12所示。王立权[13]等对卷管铺设中管道的反弯矫直过程进行了有限元分析。2017年张翔燕[14]通过等效建模的方法，用等效零件代替原零件，并建立出相应的反弯矫直模型，以此简化了矫直模型的多样性，更容易计算出需要的矫直参数，如图13所示。蔺艺辉[15]对实心T型的矫直过程进行了建模仿真，并以此确定最佳下压量。
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