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Technisches
Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Gestaltungsverfahren
und eine Vorrichtung für
gebogene Platten.
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Stand der
Technik
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Die GB 2 259 877A offenbart ein Verfahren
zur Laserbearbeitung von Blech.
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Der zu verformende Teil eines Blechs
2 wird erwärmt,
indem er mit einem Laserstrahl L2 bestrahlt wird, der mit hoher
Geschwindigkeit abtasten gelassen wird, und wenn der zu verformende
Teil eine vorbestimmte Temperatur erreicht hat, wird eine Kraft
auf den Teil ausgeübt,
um das Biegen durchzuführen.
Durch fortschreitendes Biegen an voneinander beabstandeten Stellen
kann das Blech zu einem Bogen von 90° mit einem vorbestimmten Radius
gebogen werden. 4 (nicht
gezeigt). Der Laserstrahl kann entlang umschlossener Wege I1, I2, ... I6 abtasten gelassen werden, um fortschreitend
eine konvexe Form zu erzeugen, 6.
Der Prozess kann unter numerischer Steuerung durchgeführt werden.
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Es wird ein Arbeitsinformationsspeicher
verwendet.
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Dieser Speicher speichert Daten über Material
und Dicke der Platte, den zu verformenden Teil und die Intensität und Bestrahlungszeit
des Laserstrahls.
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Allgemein werden beim Formen von
Schiffsrumpfstücken
weithin zwei Verfahren verwendet: Heißformen und Kaltformen. Da
mechanisches Kaltformen aufgrund der Verwendung einer Presse oder
einer Walze leicht gesteuert werden kann, wird es hauptsächlich als
Verfahren zum Formen von schwach gebogenen Platten oder einfachen
Platten mit konstanter Krümmung
auf ihrer ganzen Fläche
und ein vorangehendes Verfahren beim Formen von doppelt gebogenen
Platten verwendet. Das Heißformverfahren,
das Rest-Thermoelastikplastik-Verformung verwendet, die beim Erwärmen zu
verursachen ist, wird hauptsächlich
als ein zweites Verfahren zum Formen von doppelt gebogenen Platten
oder als ein Verfahren zum Beseitigen von Rest-Schweißverformung
von Schiffsblöcken
verwendet.
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Das Heißformverfahren wurde Linienerwärmungsprozess
genannt, da die Platten in einer konstanten Richtung erwärmt werden.
Dieser Linienerwärmungsprozess
benötigt
viele Gestaltungsinformationen wie z. B. Erwärmungspositionen, Erwärmungsgeschwindigkeit,
Abkühlpositionen,
Abkühlgeschwindigkeit
usw.. Bei dem früheren
Prozess haben erfahrene Arbeiter diese Gestaltungsinformationen
bestimmt. Die Situation wurde dadurch verschlechtert, dass noch
keine technischen Systeme und Datenbanken in Bezug auf diesen Prozess
erstellt worden sind.
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Um die Mechanismen des Linienerwärmungsprozesses
zu simulieren und systematisch Gestaltungsinformationen zu erzeugen,
hat man dreidimensionale Thermoelastikplastik-Analysen untersucht
und veröffentlicht.
Aufgrund ihrer langen Rechenzeit eignen sich solche Analyseverfahren
aber nicht zum praktischen Gebrauch in Produktions- stätten.
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Um diesen Mangel zu verbessern, werden
Forschungen durchgeführt.
Diese werden grob in zwei Kategorien eingeteilt. Die eine ist, aus
der Beziehung zwischen der Wärmezufuhr
und der entsprechenden Restverformung, die aus vielen experimentellen
Daten erhalten wird, eine einfache Formel herzuleiten. Dies hat den
Vorteil, das es nicht so viel Zeit wie die Thermoelastikplastik-Analyse
verbraucht. Die andere ist, ein einfaches Modell bei der Thermoelastikplastik-Analyse
zu verwenden. Bei der vereinfachten Analyse entwickelt man neuerdings
Modelle, um ein Anfangsträgermodell
zu verbessern: es gibt ein zweidimensionales Streifenmodell, eine
zweidimensionale Thermoelastikplastik-Theorie für eine runde Platte unter Federbeschränkungen und
ein modifiziertes Streifenmodell. Diese Methode hat Schwierigkeiten,
das genaue strukturelle Verhalten anzunehmen, und bei der praktischen
Simulation des Linienerwärmungsprozesses
verbraucht dies außerdem viel
Zeit.
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Ferner weisen vereinfachte Formeln
und vereinfachte Analysen verhängnisvolle
Fehler auf, exakte Gestaltungsinformationen zu geben, da Schrumpfung,
mit anderen Worten, die in der gleichen Ebene liegende Verformung,
darin nicht berücksichtigt
wird. Beliebige gebogene Platten weisen aber sowohl in der gleichen Ebene
liegende Verformungen als auch Biegeverformungen auf. In der gleichen
Ebene liegende Verformungen und Biegeverformungen ergeben sich beim
Gestaltungsprozess unabdingbar. Werden bei der Erzeugung der Gestaltungsinformationen
nur Biegeverformungen berücksich tigt,
können
die Hauptfehler nicht aufgelöst werden.
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Früher hat man Gestaltungsinformationen
außerdem
nur in der Beziehung zwischen ebenen Platten und ihren gebogenen
Zielplatten gewonnen. Die gebogenen Zielplatten werden durch einige
Phasen geformt. Solche früheren
Verfahren haben diese Phasen, um die teilweise geformten Platten
wieder zu den gebogenen Zielplatten zu formen, nicht berücksichtigt,
so dass sie den praktischen Linienerwärmungsprozess nicht realisieren
können.
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Obwohl Gestaltungsinformationen auf
Basis einer ungenauen Theorie gewonnen wurden oder durch Intuition
der erfahrenen Arbeiter erzeugt wurden, wurde noch keine systematische
Datenbank zu solchen Gestaltungsinformationen erstellt. Ein Informationsmodell
muss so genau wie möglich
an diesem Herstellungsprozess geprüft werden. So ein Informationsmodell
wurde bis jetzt aber nicht untersucht. Somit werden Daten verwendet,
die wenig bekannt sind und die es sicherlich nicht gibt.
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Abschließend, bei früheren Techniken
zur Gestaltung von gebogenen Platten hängen Gestaltungsinformationen
von der Erfahrung der Arbeiter ab, sind die Informationen Fehlern
aufgrund ihrer ungenauen Grundlagen ausgesetzt und wurde ihr Fluss
nicht untersucht und war ihre Handhabung nicht systematisch. Das
heißt,
sie sind in einem Zustand, dass es keine Techniken gibt, um die
auf Computer umgestellten und strukturierten Daten aus den vorhandenen
Gestaltungsinformationen zu gewinnen.
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Offenbarung
der Erfindung
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Bei der Erfindung ist beabsichtigt,
die Produktivität
beim Schiffsbau zu verbessern und einen Gestaltungsprozess für gebogene
Platten, speziell einen Linienerwärmungsprozess, zu automatisieren,
indem ein neuer Gestaltungsprozess begründet wird, um die früheren Prozesse
zu verbessern, bei denen ungenaue Gestaltungsinformationen nur unter
Berücksichtigung
von Biegeverformung verwendet werden, und diesem Prozess entsprechende
Techniken zu entwickeln. Diese werden in zwei Techniken eingeteilt:
die eine ist eine Komponententechnik, um genaue Gestaltungsinformationen
zu ergeben, und die andere ist eine Systemtechnik, um die Informationen
effizient zu nutzen.
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Die Erfindung wird gemacht, um Arbeiter
mit genauen Gestaltungsinformationen zu versorgen und um gebogene
Platten genauer zu ihren Zielplatten zu formen, speziell beim Heißformprozess,
z. B. Linienerwärmung,
bei der gebogene Platten durch lokales Erwärmen einer Seite von Platten
mit einem Brenner geformt werden. Ferner macht diese Erfindung den
Gestaltungsprozess automatisch. Diese Ziele werden erreicht, indem
systematisch eine Datenbank zu verschiedenen Daten und Gestaltungsinformationen
angelegt wird, die frühere
Erfahrungen von Arbeitern sind, indem durch das Verfahren mit einem
künstlichen
neuralen Netz neue Informationen aus dieser Datenbank gefolgert
werden und indem in der gleichen Ebene liegende und Biegeverformungen
aus der Beziehung zwischen anfänglich
ebenen Platten oder irgendwelchen anfänglich gebogenen Platten und
ihren Zielplatten berechnet werden.
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Die Erfindung verwendet drei Hauptbestandteils-Techniken,
um genaue Gestaltungsinformationen zu gewinnen. Eine ist, in der
gleichen Ebene liegende und Biegeverformungen zu berechnen. Eine
weitere ist, den Gestaltungsprozess von gebogenen Platten durch
Entwicklung eines numerischen Modells zu simulieren. Und die dritte
ist, die Gestaltungsinformationen zu berechnen und zu folgern.
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Um die durch diese drei Techniken
erzeugten Gestaltungsinformationen bei der praktischen Herstellung
effizient zu nutzen, umfasst die Erfindung die folgenden Techniken:
- – den
Gestaltungsprozess von Schiffsrumpfstücken systematisch auf Computer
umzustellen,
- – sein
Produktmodell auf Basis des objektorientierten Konzeptes zu erstellen,
um verschiedene Daten zu integrieren,
- – auf
Basis dieses Produktmodells eine Produktdatenbank zu erstellen,
und
- – neue
Informationen zum Formen der Platten bereitzustellen, die teilweise
zu ihren gebogenen Zielplatten geformt sind. Diese neuen Informationen
helfen, dass sich die Platten ihren Zielplatten nähern.
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In Übereinstimmung mit einem Aspekt
der Erfindung wird ein Verfahren zum Gestalten eines Schiffsrumpfstückes mit
folgenden Schritten bereitgestellt: (a) Anlegen einer Produktdatenbank
unter Verwendung eines relationalen Datenbankmanagementsystems und
durch Erstellen eines Produktmodells auf Basis von Informationsmodellierung
zu Gestaltungsdaten und -prozessen, (b) Messen der Form einer Platte
und Verarbeiten der Daten, (c) Durchführen von numerischen Analysen
auf Basis der Thermoelastikplastik-Theorie, die Gestaltungsinformationen über die
oben vermessene Platte und Informationen über Erwärmungspositionen als Oftline-Training
oder -Programmierung aufweisen, (d) Folgern von auf neue Platten
angewendeten Gestaltungsinformationen mit einem mehrschichtigen
künstlichen
neuralen Netz aus der Produktdatenbank, die viele durch numerische
Simulationen und bei den vorhergehenden Arbeiten gemessene Daten
erhalten hat, und (e) Erzeugen von Informationen über Erwärmungswege
und Erwärmungszustand
durch Berechnen von in der gleichen Ebene liegenden und Biegeverformungen
aus der Beziehung zwischen ebenen Platten und den gebogenen Zielplatten
und aus der Beziehung zwischen den Zielplatten und in der Mitte
der Gestaltung teilweise gestalteten Platten, wobei das Verfahren
die Differenz zwischen einer geformten Platte, die in der Mitte
der Gestaltung teilweise gestaltet ist, und deren Zielplatten während des
Prozesses messen und mit dieser Differenz die in der gleichen Ebene
liegenden und Biegeverformungen numerisch berechnen kann, um die
Gestaltungsinformationen zu liefern, wobei der Gestaltungsschritt
durch wiederholte Durchführung
dieser Messung und Berechnung in jedem Prozess-Schritt vervollständigt wird.
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In Übereinstimmung mit einem weiteren
Aspekt der Erfindung wird das Verfahren zum Gestalten eines Schiffsrumpfstückes mit
den Fähigkeiten
versehen, Gestaltungsinformationen Arbeitern über Bildschirme und Arbeitsblätter zu
zeigen, sie an die automatische Vorrichtung für einen Linienerwärmungsprozess
zu senden und Zwischen-Gestaltungsinformationen von dieser Vorrichtung
in der Produktdatenbank zu speichern.
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In Übereinstimmung mit einem weiteren
Aspekt der Erfindung hat der Informationserzeugungsschritt (e) die
Fähigkeiten,
Erwärmungswege
für die
Quergestaltung zu liefern, die senkrecht zu maximalen Hauptrichtungen
von Biegeverformungen festgelegt werden, indem das Verhältnis zwischen
maximalen und minimalen Hauptbiegeverformungen berechnet wird, und
Erwärmungswege
für die
Längsgestaltung
zu liefern, die senkrecht zu maximalen Hauptrichtungen von in der
gleichen Ebene liegenden Verformungen festgelegt werden, indem das
Verhältnis
zwischen maximalen und minimalen in der gleichen Ebene liegenden
Hauptverformungen berechnet wird.
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In Übereinstimmung mit einem weiteren
Aspekt der Erfindung umfasst der Numerikanalyseschritt (c) die folgenden
Schritte: (c-1) Aufstellen von Parametern wie z. B.
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Größen der Platten, Anfangskrümmung der
Platten, Geschwindigkeit eines Brenners, dem Abstand zwischen einem
Brenner und einem Kühler,
Filmkoeffizient, der Anzahl von finiten Elementen, (c-2) Aufstellen von
Materialeigenschaften wie Leitungskoeffizient und spezifische Wärme, um
eine Wärmequelle
und ein Kühlverfahren
zu modellieren, Berechnen der Temperaturverteilung in jedem Zeitschritt
und Durchführen
einer Nachverarbeitung, um die Berechnungsergebnisse wirksam zu
zeigen, und (c-3) Aufstellen von Materialeigenschaften wie Leitungskoeffizient,
Elastikkoeffizient, Wärmeausdehnungskoeffizient,
Streckspannung, Festlegen von Randbedingungen, Berechnen von Verformungen
und Spannungen mit der Temperaturverteilung und Durchführen einer
Nachverarbeitung, um die Berechnungsergebnisse wirksam zu zeigen.
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In Übereinstimmung mit einem weiteren
Aspekt der Erfindung weist der Datenbank-Anlegeschritt (a) eine relationale Produktdatenbank
auf und weist die folgenden Schritte auf: (a-1) Informationsmodellierung enthaltend
den Datenfluss im Gestaltungsprozess von Schiftsrumpfstücken auf
Basis des objektorientierten Konzeptes, (a-2) Definition eines Produktmodells
zum Gestaltungsprozess des Schiftsrumpfstückes auf Basis des objektorientierten
Konzeptes, in welchem Produktmodell Daten alle Informationen zum
Gesamtlebenszyklus – Konstruktion,
Produktion und Abfall – eines
bestimmten Produktes abdecken, wie z. B. Phase 1, Phase 2, Phase
3 und Phase 4, wobei die Phase 1 die Auswahl von Objekten ist, das
heißt
Rumpfstück
und Kinematik, Biegeverformung und in der gleichen Ebene liegende
Verformung, Hauptkrümmung
und Stückgestaltungsverfahren,
Walzen und Walzzustand, Linienerwärmung und Erwärmungszustand,
Materialeigenschaft und NURBS-Oberfläche, Offset-Tabelle und Oberflächenmessung,
Messpunkte und Mess-Sequenz, Erwärmungslinieneinstellung
und Erwärmungssequenz,
und Kommunikationsverfahren und ANN-Modell, die Phase 2 die Definition
von deren Attributen und deren Beziehungen ist, die Phase 3 die
Aufstellung von deren Beschränkungen
ist und die Phase 4 die Modellintegration dieser Objekte ist, und
(a-3) Anlegen der Produktdatenbank, wobei Gestaltungsinformationen
auf Basis so eines Produktmodells darin gespeichert und daraus wiedergewonnen
werden.
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In Übereinstimmung mit einem weiteren
Aspekt der Erfindung wird ein Informationserzeugungssystem zur Gestaltung
eines Schiffsrumpfstückes
bereitgestellt, das aus Folgendem besteht: einem Messmodul, in dem
die Form von im Prozess befindlichen Platten und Gestaltungsinformationen
mit Vorrichtungen gemessen werden, einem Numerikanalysemodul, in
dem Erwärmungsbedingungen
berechnet und verifiziert werden und dieser Prozess unter Verwendung
eines Numerikprogramms für
Thermoelastikplastik-Analyse simuliert wird, einem Anzeigemodul,
in dem viele Informationen auf einem Bildschirm eines Personalcomputers
(PC) angezeigt und über
einen Drucker ausgedruckt werden, einem Datenzugriffsmodul, in dem
Mess- und Gestaltungsinformationen in einer Produktdatenbank gespeichert
und daraus wiedergewonnen werden und eine physische STEP-Datei verfügbar ist,
die Mess- und Gestaltungsinformationen enthält, einem Inferenzmodul, in
dem Gestaltungsinformationen und Erwärmungsbedingungen zu einer
neu zu gestaltenden Platte durch ein Verfahren mit einem künstlichen
neuralen Netz aus den Daten der Produktdatenbank vorhergesagt werden,
einem Informationserzeugungs- und Steuermodul, in dem jedes vorher
beschriebene Modul durch ein Programm dieses Moduls gesteuert wird
und Gestaltungsinformationen durch Berechnung von in der gleichen
Ebene liegenden und Biegeverformungen in den Prozessphasen erhalten
werden, wobei Erwärmungswege
oder Stellen zum Erwärmen
festgelegt werden, wobei in der gleichen Ebene liegende Verformungen
und Biegeverformungen miteinander verglichen werden, einem Kommunikationsmodul, über das
das Informationserzeugungs- und Steuermodul Gestaltungsinformationen,
Erwärmungsbedingungen
und Erwärmungswege
an eine auf PC (PC/NC) basierende numerisch gesteuerte Maschine
sendet und über
das die Mess- und die Gestaltungsergebnisse an die Produktdatenbank
gesendet und darin gespeichert werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Ein vollständigeres Verständnis der
vorliegenden Erfindung ermöglichen
die nachfolgend gegebene detaillierte Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen,
die nur zur Veranschaulichung dargeboten werden und die die vorliegende
Erfindung daher nicht einschränken
und in denen:
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1 eine
Skizze ist, die das bei der Erfindung vorgeschlagene System eines
Gestaltungsverfahrens für
gebogene Platten zeigt;
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2 ein
Diagramm ist, das einige bei der Erfindung vorgeschlagene Arten
von Informationen und ihren Herstellungsfluss bei der Datenerzeugung,
-handhabung und -speicherung zeigt;
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3 ein
Diagramm ist, das ein bei der Erfindung vorgeschlagenes Verfahren
zur Erzeugung von Gestaltungsinformationen aus irgendeiner ebenen
Platte zeigt. Mit anderen Worten, dies ist die Kinematik zwischen
irgendeiner ebenen Platte und der entsprechenden Zielplatte; und
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4 eine
Zeichnung ist, die ein bei der Erfindung vorgeschlagenes Verfahren
zur Erzeugung von Gestaltungsinformationen aus irgendeiner teilweise
geformten Platte zeigt. Mit anderen Worten, dies ist die Kinematik
zwischen irgendeiner anfänglich
gebogenen Platte und der entsprechenden Zielplatte.
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Beste Art
zur Ausführung
der Erfindung
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1 ist
eine Skizze, die das bei der Erfindung vorgeschlagene System eines
Gestaltungsprozesses für
gebogene Platten zeigt. Wie in 1 gezeigt,
besteht dieser Gestaltungsprozess aus sieben Teilen: einem Hauptmodul
und sechs Teilmodulen. Im Messmodul (10) werden die Form
von im Prozess befindlichen Platten und Gestaltungsinformationen
mit Vorrichtungen (11) gemessen. Im Numerikanalysemodul
(20) werden Erwärmungsbedingungen
berechnet und verifiziert und wird dieser Prozess unter Verwendung
eines Numerikprogramms (21) für Thermoelastikplastik-Analyse
simuliert. Im Anzeigemodul (30) werden viele Informationen auf
einem Bildschirm eines Personalcomputers (PC) (31) angezeigt und über einen
Drucker ausgedruckt. Im Datenzugriffsmodul (40) werden
Mess- und Gestaltungsinformationen in einer Produktdatenbank (41)
gespeichert und daraus wiedergewonnen, und diese Daten sind die
vorhandenen oder die neuen Daten. Es ist eine physische STEP-Datei
(STEP = STandard for the Exchange of Product model data = Standard
für den
Austausch von Produktmodelldaten) verfügbar, die Mess- und Gestaltungsinformationen
enthält.
Im Inferenzmodul (50) werden Gestaltungsinformationen und
Erwärmungsbedingungen
zu einer neu zu gestaltenden Platte durch ein Verfahren mit einem
künstlichen
neuralen Netz aus den Daten der Produktdatenbank vorhergesagt. Im
Informationserzeugungs- und
Steuermodul (60) wird jeder vorher beschriebene Prozess
durch ein Programm dieses Moduls gesteuert und werden Gestaltungsinformationen
durch Berechnung von in der gleichen Ebene liegenden und Biegeverformungen
in den Bearbeitungsphasen erhalten. Außerdem werden Erwärmungswege
oder Stellen zum Erwärmen
festgelegt, wobei in der gleichen Ebene liegende Verformungen und Biegeverformungen
mitein ander verglichen werden. Dieses Modul (60) sendet
Gestaltungsinformationen, Erwärmungsbedingungen
und Erwärmungswege über das
Kommunikationsmodul (70) an eine auf PC (PC/NC) basierende
numerisch gesteuerte Maschine (71). Außerdem werden über das
Kommunikationsmodul (70) die Mess- und die Gestaltungsergebnisse
an die Produktdatenbank (41) gesendet und darin gespeichert.
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2 ist
ein Diagramm, das einige bei der Erfindung vorgeschlagene Arten
von Informationen und ihren Herstellungsfluss bei der Datenerzeugung,
-handhabung und -speicherung zeigt. Wie in 2 gezeigt, besteht dieser Gestaltungsprozess
aus vier Teilprozessen wie folgt:
- – einem
CAD-Prozess (CAD = Computer-Aided Design = computergestützte Konstruktion)
(S100–S104), in
dem notwendige Daten wie Oberflächenmodell
und expandierte Formen auf Basis von Zielplatten berechnet werden
und diese dann in der Produktdatenbank (41) gespeichert
werden
- – einem
Walzenbiegeprozess (S201–S205),
in dem Walzinformationen wie z. B. das Walzmaß und die Messinformationen
aus der Datenbank (41) wiedergewonnen werden, Walzenbiegen
durchgeführt
wird und Messergebnisse in der Datenbank (41) gespeichert
werden
- – einem
Inferenzprozess (S301–S302),
in dem Gestaltungsbedingungen für
Walzenbiegen und Linienerwärmung
durch ein Verfahren mit einem künstlichen
neuralen Netz gefolgert werden
- – einem
Linienerwärmungsprozess
(S401–S405),
in dem Erwärmungs-
und Messinformationen aus der Datenbank (41) wiedergewonnen
werden, Linienerwärmung
durchgeführt
wird und Messergebnisse in der Datenbank (41) gespeichert
werden
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Offset-Daten von Zielplatten, die
aus dem Schiffskonstruktionsschritt erhalten werden, werden zu NURBS-Oberflächen (NURBS
= Non-Uniform Rational B-Spline = ungleichförmige rationale B-Spline) modelliert
(S101), um Biege- und in der gleichen Ebene liegende Verformungen
in diesem System zu berechnen, und die modellierten Oberflächen werden
dann in der Produktmodell-Datenbank (41) gespeichert. Im
Entwicklungs prozess (S103) werden entwickelte Formen der gebogenen
Zielplatten (S104) mit solchen Daten berechnet und ebenfalls in
der Produktdatenbank (41) gespeichert.
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Wenn das Kaltformen als der erste
Prozess (S201–S205)
beim Formen von gebogenen Platten übernommen wird, wird das Walzenbiegen
auf Basis von Walzinformationen (S201) durchgeführt, die aus der Beziehung
zwischen Zielplatten und ihren abgewickelten Platten erhalten werden.
Und danach werden die gebogenen Platten durch das Messmodul in 1 vermessen. Durch diese
Messung vergewissern wir uns, wie sehr die gebogenen Platten von
den Konstruktionsformen abweichen. Wenn ihre Formen wie gewünscht erhalten
werden, werden in diesem Prozess auftretende Informationen in der
Datenbank (41) gespeichert, und der nächste Prozess wird durchgeführt.
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Der Linienerwärmungsprozess (S401–S405) kann
als der Erste ohne Walzenbiegen oder als der Zweite nach dem Walzenbiegen übernommen
werden. Wird der Linienerwärmungsprozess
als der erste Prozess übernommen,
werden daher die Gestaltungsinformationen festgelegt, um ebene Platten
oder Platten mit einer Anfangskrümmung
herzustellen (S302). Wenn die Platten durch das Kaltformen vorgefertigt
werden, wird der Linienerwärmungsprozess
als der zweite Prozess auf gebogene Platten angewendet. Die Gestaltungsinformationen
für Linienerwärmung (S401)
ergeben sich auf dieselbe Weise wie diejenigen des Walzenbiegens.
Das heißt,
sie werden aus der Beziehung zwischen den gebogenen Zielplatten
und den Anfangsplatten erhalten. Nachdem die Linienerwärmung vonstatten
gegangen ist (S402), werden die geformten Platten vermessen (S404),
und es wird bewertet, ob die gewünschten
Formen erhalten wurden. Wenn die gewünschten Formen nicht hergestellt
wurden, werden die vorhergehenden Schritte wiederholt. Und die in
diesem Prozess auftretenden Informationen werden kontinuierlich
in der Produktdatenbank (41) gespeichert.
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Inferenzvorrichtungen, z. B. ein
Verfahren mit einem künstlichen
neuralen Netz, werden übernommen, um
Gestaltungsinformationen beim Walzenbiegen und Linienerwärmen zu
schätzen.
Im Inferenzprozess (S301–S302)
werden die neuen Informationen durch die Datenbank (41)
festgelegt, in der viele Daten gesammelt worden sind.
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Jeder Teil von 1 wird bei dieser Erfindung durch eine
Software durchgeführt.
Wir können
Software für
jeden Teil bilden, um die folgenden Schritte in Übereinstimmung mit dem Informationserzeugungs-
und Steuermodul (60) durchzuführen:
- – den Mess-Schritt,
in dem Platten und Informationen bei der Bearbeitung durch das Messmodul
(10) gemessen werden,
- – den
Numerikanalyse-Schritt, in dem Gestaltungsinformationen auf Basis
der Thermoelastik-Theorie des Numerikanalysemoduls (20)
vorhergesagt und verifiziert werden,
- – den
Anzeige-Schritt, in dem viele Informationen und Messergebnisse durch
das Anzeigemodul (30) auf PC-Monitoren (31) betrachtet
werden,
- – den
Datenhandhabungs-Schritt, in dem die Konstruktionsdaten von Platten
und Gestaltungsinformationen durch das Datenzugriffsmodul (40)
in der Produktdatenbank (41) gespeichert und daraus wiedergewonnen
werden,
- – den
Inferenz-Schritt, in dem durch das Inferenzmodul (59) unter
Verwendung eines Verfahrens mit einem künstlichen neuralen Netz neue
Gestaltungsinformationen zur Anwendung auf eine neue Fertigung aus
in der Produktdatenbank (41) vorhandenen Daten vorhergesagt
werden,
- – den
Kommunikations-Schritt, in dem Fertigungsinformationen durch das
Kommunikationsmodul (70) von der Datenbank (41)
zur Gestaltungsvorrichtung oder PC/NC-Maschine (71) gesendet werden
und die weitergeleiteten Daten von der PC/NC-Maschine (71) zum Anzeigemodul
(30) und Datenzugriffsmodul (40) gesendet werden,
- – den
Informationserzeugungs-Schritt, in dem Biege- und in der gleichen
Ebene liegende Verformungen berechnet werden, um Anfangs-Gestaltungsinformationen
und Zwischeninformationen zu erzeugen und um durch das Informationserzeugungs- und Steuermodul
(60) Stellen von Erwärmungslinien
zu bestimmen.
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Von jetzt an werden die vorher erwähnten Schritte
im Detail beschrieben.
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(1) Der Mess-Schritt
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Unter Verwendung der Messvorrichtungen
werden die Formen von im Prozess befindlichen Platten und die Prozessinformationen
gemessen. Danach werden die obigen Informationen durch das Messmodul (10)
in die Datenbank (41) eingegeben. Die Informationen der
Zwischenformen während
des Prozesses werden verwendet, um in '(6) Der Informationserzeugungs-Schritt' neue Fertigungsinformationen
zu erzeugen.
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(2) Der Numerikanalyse-Schritt
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Um die Fertigungsinformationen über Erwärmungswege,
Erwärmungsgeschwindigkeit,
Wärmezufuhr usw.
zu finden, ist eine Numerikanalyse effizient. Die Platten zeigen
ein kompliziertes Thermoelastikplastik-Verhalten im Linienerwärmungsprozess.
Um das Thermoelastikplastik-Problem zu analysieren, finde man zuerst
die zeitabhängige
Temperaturverteilung einer erwärmten
Platte. Da Wärmeverformung
von Material unter Erwärmung
und Abkühlung
nicht so groß ist,
kann man das Wärmeleitungsproblem
und das Wärmeverformungsproblem
bei dieser Analyse als entkoppelt ansehen. Somit kann das Thermoelastikplastik-Problem
etwas vereinfacht werden. Während
dieser Analyse hängen
Materialeigenschaften wie z. B. Streckspannung, Elastikkoeffizient,
Wärmeausdehnungskoeffizient
usw. von der Temperatur ab.
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Der Numerikanalyseprozess kann im
wesentlichen in drei Teile kategorisiert werden.
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Im ersten Schritt wird ein Numerikmodell
entworfen. Es umfasst die Forminformationen wie Größen und
Anfangskrümmung
einer Platte, die Gestaltungsinformationen wie Geschwindigkeit eines
Brenners, Abkühlbedingungen,
Wärmezufuhr
usw., und die Maschen der Platte, die die Numerikanalyse beeinflussen.
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Im zweiten Schritt wird das Wärmeleitungsproblem
gelöst.
Beim Erwärmen
hat die Platte die durch die Wärmeleitung
in der Quer- und Längsrichtung
verursachte Temperaturverteilung, und beim Abkühlen wird die Platte nur durch
Wärmekonvektion
abgekühlt,
vernachlässigt
man die Abkühlung
durch Strahlung.
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Bei dieser Erfindung wird die Wärmequelle
als die Form einer Gauß-Verteilung
behan delt, die sich mit fester Geschwindigkeit über die Platte bewegt. Die
Wärmequelle
wird als die folgende Gleichung modelliert.
worin
q*(r) der Wärmefluss
ist, q
max der maximale Wärmefluss ist, y der Konzentrationskoeffizient
ist, r der Abstand vom Zentrum der Wärmequelle ist. Und der Abkühlprozess
wird als Konvektionswärmeleitungs-Formel wie
unten ausgedrückt,
bekannt als Newtonsches Abkühlungsgesetz.
4''C – h(T∞, – TS)worin q*
C der
Konvektionswärmefluss
ist, h der Filmkoeffizient ist, T
∞ die
Temperatur eines Kühlmittels
ist, T
S die Temperatur auf einer Oberfläche der
Platte ist. Die Temperaturverteilung findet man durch numerisches
Lösen der
partiellen Differentialgleichungen dieses Wärmeleitungsproblems, das durch
Bewegung der verteilten Wärmequelle
verursacht wird.
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Der dritte Schritt ist die Prozedur,
bei der die Thermoelastikplastik-Analyse mit der im zweiten Schritt gefundenen
Temperaturverteilung durchgeführt
wird. Die Streckspannung einer Platte wird kleiner, wenn die Temperatur
der Platte größer wird.
Die erwärmte
Oberfläche
weist die Druckspannung auf, wenn sich die Oberfläche beim
Erwärmen
ausdehnt. Wenn diese Druckspannung niedriger als die Streckspannung
wird, gibt das Material lokal nach. Infolgedessen weist die Platte
während
des Abkühlprozesses
den Biegeeffekt auf. Die erwärmte
Oberfläche
weist die Zugspannung auf, wenn sich die Oberfläche beim Abkühlen zusammenzieht.
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Im vorher beschriebenen ersten Schritt
werden verschiedene Parameter aufgestellt. Diese Parameter umfassen
die Größe der Platte,
die Anfangskrümmung
der Platte, die Geschwindigkeit des Brenners, den Abstand zwischen
dem Brenner und der Kühlvorrichtung,
Filmkoeffizient, die Anzahl der finiten Elemente usw..
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Als der vorher beschriebene zweite
Schritt werden vier Prozeduren im Wärmeleitungsproblem durchgeführt. Die
erste ist das Aufstellen des Leitungskoeffizienten und der spezifischen
Wärme.
Die zweite ist das Modellieren der Platte, eines Brenners und einer
Kühlung.
Die dritte ist das Berechnen der Temperaturverteilung in jedem Zeitschritt.
Und die vierte ist eine Nachverarbeitung, die die Ergebnisse wirksam
zeigt.
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Als der vorher beschriebene dritte
Schritt werden außerdem
vier Prozeduren im Thermoelastikplastik-Problem durchgeführt. Die
erste ist das Aufstellen der Materialeigenschaften wie dem Leitungskoeffizienten,
dem Elastikkoeffizienten, dem Wärmeausdehnungskoeffizienten,
der Streckspannung usw.. Die zweite ist das Festlegen der Randbedingung.
Die dritte ist das Berechnen der Verformung und der Spannung aus
der im zweiten Schritt erhaltenen Temperaturverteilung. Und die
vierte ist eine Nachverarbeitung, die das Berechnungsergebnis wirksam
zeigt.
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(3) Der Anzeige-Schritt
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Dies ist der Schritt, festgelegte
Informationen über
einen Monitor zu zeigen.
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(4) Der Datenhandhabungs-Schritt
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In diesem Schritt erstellen und benutzen
wir die Konstruktionsdaten über
die Formen von gebogenen Platten und die Gestaltungsinformationen.
Die Informationen enthalten Messwerte und die Ergebnisse der Numerikanalyse.
Dafür führt die
Erfindung eine Informationsmodellierung unter Verwendung eines objektorientierten
Konzeptes im Gestaltungsprozess von Schiffsrumpfstücken durch
und definiert ein Produktdatenmodell. Dieses Produktmodel definiert
alle während
der Gesamtlebenszeit von der Konstruktion und Produktion eines bestimmten
Produktes bis zum Abfall erzeugten Informationen. Unter Verwendung
eines relationalen Datenbankmanagementsystems (RDBMS) erstellen
wir die Datenbank auf Basis des Produktmodells einer Schiffsrumpfplatte.
Die erforderlichen Objekte werden definiert, und die Datenbank wird
mit diesen Objekten organisiert. Die Hauptobjekte sind wie folgt:
| Rumpfstück, | Kinematik, |
| Biegeverformungen | In
der gleichen Ebene liegende Verformungen, |
| Hauptkrümmung, | Stückgestaltungsverfahren, |
| Walzen, | Walzzustand, |
| Linienerwärmung, | Erwärmungszustand, |
| Materialeigenschaft, | NURBS-Oberfläche, |
| Offset-Tabelle, | Oberflächenmessung, |
| Messpunkte, | Mess-Sequenz, |
| Erwärmungslinieneinstellung, | Erwärmungssequenz, |
| Kommunikationsverfahren, | ANN-Modell. |
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Auf Basis der Definition und Beschränkungen
der Attribute und Beziehungen dieser Objekte wird eine Produktdatenbank
angelegt, in 2 gezeigt.
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(5) Der Inferenz-Schritt
der Gestaltungsinformationen
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Die Fertigungsinformationen können durch
ein mehrschichtiges künstliches
neurales Netz (ANN) mit einem Rückfortpflanzungsalgorithmus
erhalten werden, was die durch die Simulation der Numerikanalyse
und die Messung erstellte Datenbank benötigt.
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Das ANN besteht aus den Eingangsschichten,
den verborgenen Schichten und den Ausgangsschichten.
R = ∫(Q)worin
I
i die Werte der Eingangsschichten sind,
Q der Wert der verborgenen Schichten ist, R der Wert der Ausgangschichten
ist, w
i die Gewichte sind und f die aktive
Funktion ist. Für
die aktive Funktion f wird die Sigmoid-Funktion wie folgt übernommen.
∫(Q)
= 1/(1 + e–Q ) -
Und die nächste Gleichung gilt zur Steuerung
der Gewichte. wni = w0i + η × δ × R
δ = f' × (T – R)
worin w n / i die aktualisierten
Werte der Gewichte sind, w 0 / i die alten Werte der Gewichte sind, R
die Ausgangswerte der entsprechenden Variablen sind, η die Trainingsrate
ist, f' die Ableitung
der aktiven Funktion f ist und T der Zielwert ist. Die Trainingsrate η ist eine
Konstante zwischen 0,01 und 1,0.
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Im Falle der Sigmoid-Funktion als
f erhält
man f' einfach als
f' = R(1 – R). Nach
Steuerung der Gewichte in der Verbindung zwischen den verborgenen
Schichten und den Ausgangsschichten werden auf ähnliche Weise auch die Gewichte
zwischen den verborgenen Schichten und den Eingangsschichten gesteuert.
Und danach, mit den neu aktualisierten Gewichten, berechnet das
ANN-System die Ausgabe. Wenn das Ergebnis innerhalb des Toleranzbereichs
liegt, beendet es das Training, und wenn nicht, setzt es das Training
fort, bis die Genauigkeit der Ausgabe in den Toleranzbereich eintritt.
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Bei der Erfindung wird das Training
mit der Variation der Anzahl der verborgenen Schichten und der Neuronen
in jeder verborgenen Schicht durchgeführt. Wenn das ANN-System genug
Neuronen in zwei verborgenen Schichten aufweist, untersucht es die
Beispielsprobleme anhand der Ergebnisse mühelos. Die Folgerung aus dem
Training gibt vernünftige
Lösungen,
die einen relativ kleinen Fehler zeigen. Dies bedeutet, wenn die
reichen Datensätze
im Problembereich untersucht und trainiert werden, legt das ANN-System
die Ergebnisse nahe an der realen Praxis vor. Und es nutzt die Ergebnisse
der Strukturanalyse effizient.
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Um diese Möglichkeit zu verifizieren,
sind Beispiele für
die Durchführung
der Numerikanalysen und die Folgerung von neuen Informationen gezeigt.
Die Numerikanalysen werden mit Variation der Dicke, Anfangskrümmung von
Platten und der Bewegungsgeschwindigkeit des Erwärmungsbrenners durchgeführt. Wenn
die Ergebnisse der Beispiele als der Trainingssatz angesehen werden,
folgert das ANN-System die maximale Verformung für neue Eingaben.
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In Tabelle 1 sind die Ergebnisse
von Numerikanalysen gezeigt. Die Eingangswerte sind Anfangskrümmung und
Dicke von Platten, und der Ausgangswert ist die Verformung.
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In Bezug auf den Radius der Anfangskrümmung, die
Dicke und die Brennergeschwindigkeit geben die zwei folgenden Fälle in Tabelle
2 die vom ANN-System gefolgerten maximalen Verformungen.
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In dieser Tabelle wird (1) aus dem
ANN-System mit 2 verborgenen Schichten und 4 Neuronen in jeder Schicht
erhalten und wird das Training 162900 mal durchgeführt. (2)
erfolgt mit dem System mit 2 verborgenen Schichten und 4 Neuronen
in jeder Schicht und 227700 mal Training.
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Wie man in Tabelle 2 erkennt, wenn
die Zahl der Neuronen in jeder Schicht zunimmt, nimmt die zum Training
nötige
Zeit mit dem bemerkenswertem Fehler ebenfalls zu. Dies bedeutet,
dass die passende Zahl der verborgenen Schichten und Neuronen mit
Vorsicht zu wählen
ist.
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(6) Der Kommunikations-Schritt.
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Als Protokoll für die Kommunikation von Herstellungsdaten
zwischen physischen Vorrichtungen und dem Datenbankmanagementsystem
wird TCP/IP übernommen.
Dieses wird gegenwärtig
als ein Internetprotokoll verwendet.
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(7) Der Informationserzeugungs-Schritt
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Verformungen werden als ein Primärfaktor
zur Festlegung der Erwärmungswege
und Gestaltungsbedingungen zur Anwendung auf Anfangsplatten übernommen.
In diesem Schritt werden solche Fertigungsinformationen durch die
Berechnung von in der gleichen Ebene liegenden und Biegeverformungen
erzeugt. Der Green-Lagrangesche Spannungstensor ist im Hauptgebrauch
wie folgt.
worin ϵ
ij die
Spannungen sind und u
i die Verformung in
x, y und z-Richtung bedeutet.
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Das Verfahren 1 ist zu der Informationserzeugung
für ebene
Platten in 3 gezeigt,
die die Kinematik zwischen irgendeiner ebenen Platte und der entsprechenden
Zielplatte zeigt.
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Betrachtet man ein infinitesimales
Element h(x,y)dxdy in
3,
werden die entsprechenden Spannungen bzw. Verformungen formuliert
als
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Wenn der Gesamtverformungstensor
mit ϵ bezeichnet wird, gilt ϵ = ϵb + ϵm.
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Die Gesamtverformungen werden in
die Biegeverformungen ϵb und in
der gleichen Ebene liegenden Verformungen ϵm unterteilt.
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Die in der gleichen Ebene liegenden
Verformungen erhält
man durch
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Und die Biegeverformungen sind gegeben
durch
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Außerdem ist die Informationserzeugung
für teilweise
geformte Platten, nämlich
die Platten, die anfänglich
verbogen sind, als das Verfahren 2 in 4 gezeigt,
die die Kinematik zwischen irgendeiner anfänglich gebogenen Platte und
der entsprechenden Zielplatte ist.
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Betrachtet man ein infinitesimales
Element h(x,y)dxdy mit Anfangsform ζ, die durch die Teilfertigung
in
4 auftritt, werden
die entsprechenden Verformungen erhalten als
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Der Gesamtverformungstensor ϵ wird
erhalten, indem zwei Verformungstensoren ϵb und ϵm wie im Falle der ebenen Platte addiert
werden. ϵ = ϵb + ϵm.
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Somit erkennt man, dass ϵij Komponenten der Verformungen darstellen,
unterteilt in in der gleichen Ebene liegende Verformungen ϵij
m und Biegeverformungen ϵij
b.
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In der gleichen Ebene liegende Verformungen
werden degradiert durch
und Biegeverformungen durch
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Die Wirkung der Anfangsverbiegung
taucht im Term ζ in
den in der gleichen Ebene liegenden Verformungen auf.
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Die Verformungen können bei
jedem Verfahren auf Basis von hergeleiteten Gleichungen numerisch berechnet
werden. Biegeverformungen stellen Krümmungen in jenem Punkt dar.
Somit können
sie durch die Krümmung
der interpolierten Oberfläche
ersetzt werden. Und in der gleichen Ebene liegende Verformungen können durch
eine Formulierung mit isoparametrischen finiten Elementen berechnet
werden. Bei dieser Formulierung wird ein Plattenelement verwendet,
um in der gleichen Ebene liegende Verformungen zu erhalten.
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Nach Erhalt solcher in der gleichen
Ebene liegenden Verformungen und Biegeverformungen werden die Gestaltungsinformationen
wie Erwärmungswege
und Erwärmungsreihenfolge
usw. festgelegt. Zuerst wird das Verhältnis der maximalen Biegeverformungen
und der minimalen Biegeverformungen berechnet, und danach werden
Erwärmungswege
für die
Quergestaltung senkrecht zu maximalen Hauptbiegeverformungen festgelegt.
Zweitens wird das Verhältnis
der maximalen in der gleichen Ebene liegenden Verformungen und der
minimalen in der gleichen Ebene liegenden Verfor mungen berechnet,
und danach werden Erwärmungswege
für die
Längsgestaltung
senkrecht zu maximalen in der gleichen Ebene liegenden Hauptverformungen festgelegt.
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In diesem Schritt konstruieren wir
eine Gestaltungstechnik, um die Fehler zu vermindern, die natürlich im
Gestaltungsprozess auftreten, indem aus der Beziehung zwischen den
gebogenen Zielplatten und zwischengeformten Platten wiederholt neue
Gestaltungsinformationen berechnet werden.
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Wie ausführlich erwähnt, liefert die Erfindung
beim Gestaltungsprozess von Schiffsrumpfstücken eine Datenbank mit Gestaltungsinformationen,
durch ein System mit einem künstlichen
neuralen Netz gefolgerten neuen Informationen, und fertigt die optimalen
Platten durch kontinuierlichen Vergleich mit den Zielplatten während des
Prozesses.
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Somit kann man eine ebene Platte
auch ohne die besten Arbeiter zu der entsprechenden Zielplatte formen,
und tatsächlich
können
alle Prozesse bei der Gestaltung von Schiffsrumpfstücken automatisiert
werden.
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Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung zu Darstellungszwecken offenbart wurden,
erkennt der Fachmann, dass verschiedene Modifizierungen, Hinzufügungen und
Ersetzungen möglich
sind, ohne den Schutzbereich der Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen angegeben,
zu verlassen.
