淺談焊接結構件設計及工藝風險評估模式

楊光偉 張超 郭嬌嬌 李佳佳

摘 要 如果把設計系統比作虛擬系統，工藝系統比作現實系統，借助仿真工具，在設計仿真評估流程中加入工藝仿真評估環節，能夠有效將虛擬與現實相互結合起來，能夠規避大部分設計及工藝問題，減少設計與工藝之間反復更改或糾正，降低生產成本，提高產品可靠性。本文以焊接結構件為研究對象，探究焊接結構件設計及工藝風險評估模式。

關鍵詞 焊接結構件 設計 工藝

中圖分類號：TQ052.4文獻標識碼：A

0引言

隨著德國政府率先提出“工業4.0”戰略，并在2013年4月的漢諾威工業博覽會上正式推出，在世界范圍掀起了“工業4.0”的熱潮，各國紛紛探討本國信息時代的工業化道路發展。德國學術界和產業界對于“工業4.0”的定義為：以智能制造為主導的第四次工業革命，或革命性的生產方法，將制造業向智能化轉型。近二十年來，隨著計算機技術的迅速發展，美、英、法等國以仿真技術為核心，利用高速計算機網絡已經將各種試驗系統及有關科研機構聯合起來，形成了一個高效的、完整的仿真實驗體系，為實現智能制造提供有力支持。本文借助仿真工具，在設計仿真評估流程中加入工藝仿真評估環節，能夠有效將虛擬與現實相互結合起來，特別是在焊接結構件設計前期通過工藝仿真技術對現有的工藝方法和結構形式進行分析和優化，能夠規避大部分設計及工藝問題，減少設計與工藝之間反復更改或糾正，加快研制進度，降低生產成本，提高產品可靠性。

1焊接結構件設計與工藝風險評估流程設計

焊接結構件的設計及制造過程都非常復雜。焊接結構件設計與制造過程中加入設計及工藝風險評估，將會避免一些新設計結構件或改進的結構件在制造、驗證過程暴露出的工藝性不佳、性能未滿足要求等問題的發生。目前，焊接結構件會進行靜力學、動力學范疇的仿真評估，但很少考慮工藝因素。由于缺少有效的手段，焊接結構件的工藝性沒有量化，一些較為隱蔽的工藝性問題只能在產品制造過程中被發現。

為此，我們設計以下風險評估的一般流程，如圖1所示。焊接結構件初步方案被設計出來后，首先進行力學仿真對結構各項設計性能指標進行評估，并根據仿真結果不斷修正或優化。通過設計風險評估后的產品設計方案再進行工藝性評估，如果在工藝性評估中出現問題，需要設計部門重新審視結構件的初步方案，做出改進或調整，避免在實際產品制造完成后再出現反復更改。

2焊接結構件設計風險評估技術

目前，焊接結構件設計風險評估技術較為成熟。設計過程需要考慮產品在全工作周期內所承受的溫度、壓力、位移載荷等各個約束條件或載荷條件，保持設計輸入與輸出的一致性，是設計過程必須要堅持的基本原則之一，相關的靜力學、動力學、熱力學等仿真技術是焊接結構件設計風險評估的主要技術支撐。設計人員通過仿真工具，特別是采用較為成熟的力學仿真工具能夠很方便的計算出均方根Mises應力云圖等各類仿真輸出結論（如圖2），用于分析。

3焊接結構件工藝風險評估技術

焊接結構件工藝風險評估技術由于起步較晚，無論是技術水平，還是軟硬件條件都較為落后，沒有形成相關的技術體系支撐前面提到的焊接結構件設計與工藝風險評估模式，因此多年來工藝人員只能用經驗、生產試驗件來協調設計人員一起改進結構方案，往往產生工藝滯后于設計的情況，尤其是一些新結構、新工藝產生的問題層出不窮。本文提出解決的方案就是要讓工藝的判斷先于設計，并行于設計，從設計階段便開始規避一些嚴重的設計結構紕漏。

綜上，我們提出要建立焊接結構件工藝仿真技術體系的概念。“體系”泛指一定范圍內或同類的事物按照一定的秩序和內部聯系組合而成的整體，如工業體系、思想體系、作戰體系等。“技術體系”是指技術按照一定的層次結構和規則而組織形成的一個整體系統，是通過高度綜合的辨證發展而形成的一個門類繁多、縱橫交錯、互相滲透、彼此貫通的網絡結合。“設計與工藝風險評估技術體系”指制設計及工藝仿真評估中所運用到的技術或工具的集合，比如“結構件焊接仿真技術系統”包含焊接熱源模擬技術、模型建立及網格劃分技術、熱源行走及控制技術、結果后處理技術、參數化編程技術、二次開發技術和專家數據庫技術，組成“結構件焊接仿真技術系統”的二層結構。無限元模擬技術是有限元方法里處理邊界的一種方法，不單成一個層次。絕大部分焊接結構件均可以通過結構件焊接仿真技術體系，找到設計及工藝風險評估的方法和依據，得到準確的解決辦法。

每一項技術下均有不同的技術方法和工具，形成更為具體的方法層，成為二層結構的擴充，成為三層次的樹形結構。隨著仿真技術的不斷發展，“結構件焊接仿真技術體系”還會不斷的在橫向和縱向進行沿伸，解決更多、更復雜的結構問題，是研制型號箭體焊接結構件設計及工藝風險評估的重要技術支撐。

4結論

通過使用仿真手段進行風險評估在設計部門較為常見，制造單位中使用工藝仿真技術手段進行風險評估較為少見。我們在工業4.0和數字化工廠的啟發下，將工藝仿真和設計仿真進行緊密結合，共同探討提高產品性能和質量的辦法取得了較好的效果。綜合上述內容可提出兩點結論：

（1）借助仿真工具，在設計仿真評估流程中加入工藝仿真評估環節，能夠有效將虛擬與現實相互結合起來，特別是在焊接結構件設計前期通過工藝仿真技術對現有的工藝方法和結構形式進行分析和優化，能夠規避大部分設計及工藝問題，減少設計與工藝之間反復更改或糾正，加快研制進度，降低生產成本，提高產品可靠性。

（2）實現焊接結構件設計與工藝風險評估的首要條件是搭建工藝仿真技術體系，補齊該方面與設計仿真技術體系的不足，讓工藝介入設計，甚至先于設計，達到規避設計重大結構隱患，減少施工過程中的反復迭代問題。

參考文獻

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