浅谈焊接结构件设计及工艺风险评估模式

杨光伟 张超 郭娇娇 李佳佳

摘 要 如果把设计系统比作虚拟系统，工艺系统比作现实系统，借助仿真工具，在设计仿真评估流程中加入工艺仿真评估环节，能够有效将虚拟与现实相互结合起来，能够规避大部分设计及工艺问题，减少设计与工艺之间反复更改或纠正，降低生产成本，提高产品可靠性。本文以焊接结构件为研究对象，探究焊接结构件设计及工艺风险评估模式。

关键词 焊接结构件 设计 工艺

中图分类号：TQ052.4文献标识码：A

0引言

随着德国政府率先提出“工业4.0”战略，并在2013年4月的汉诺威工业博览会上正式推出，在世界范围掀起了“工业4.0”的热潮，各国纷纷探讨本国信息时代的工业化道路发展。德国学术界和产业界对于“工业4.0”的定义为：以智能制造为主导的第四次工业革命，或革命性的生产方法，将制造业向智能化转型。近二十年来，随着计算机技术的迅速发展，美、英、法等国以仿真技术为核心，利用高速计算机网络已经将各种试验系统及有关科研机构联合起来，形成了一个高效的、完整的仿真实验体系，为实现智能制造提供有力支持。本文借助仿真工具，在设计仿真评估流程中加入工艺仿真评估环节，能够有效将虚拟与现实相互结合起来，特别是在焊接结构件设计前期通过工艺仿真技术对现有的工艺方法和结构形式进行分析和优化，能够规避大部分设计及工艺问题，减少设计与工艺之间反复更改或纠正，加快研制进度，降低生产成本，提高产品可靠性。

1焊接结构件设计与工艺风险评估流程设计

焊接结构件的设计及制造过程都非常复杂。焊接结构件设计与制造过程中加入设计及工艺风险评估，将会避免一些新设计结构件或改进的结构件在制造、验证过程暴露出的工艺性不佳、性能未满足要求等问题的发生。目前，焊接结构件会进行静力学、动力学范畴的仿真评估，但很少考虑工艺因素。由于缺少有效的手段，焊接结构件的工艺性没有量化，一些较为隐蔽的工艺性问题只能在产品制造过程中被发现。

为此，我们设计以下风险评估的一般流程，如图1所示。焊接结构件初步方案被设计出来后，首先进行力学仿真对结构各项设计性能指标进行评估，并根据仿真结果不断修正或优化。通过设计风险评估后的产品设计方案再进行工艺性评估，如果在工艺性评估中出现问题，需要设计部门重新审视结构件的初步方案，做出改进或调整，避免在实际产品制造完成后再出现反复更改。

2焊接结构件设计风险评估技术

目前，焊接结构件设计风险评估技术较为成熟。设计过程需要考虑产品在全工作周期内所承受的温度、压力、位移载荷等各个约束条件或载荷条件，保持设计输入与输出的一致性，是设计过程必须要坚持的基本原则之一，相关的静力学、动力学、热力学等仿真技术是焊接结构件设计风险评估的主要技术支撑。设计人员通过仿真工具，特别是采用较为成熟的力学仿真工具能夠很方便的计算出均方根Mises应力云图等各类仿真输出结论（如图2），用于分析。

3焊接结构件工艺风险评估技术

焊接结构件工艺风险评估技术由于起步较晚，无论是技术水平，还是软硬件条件都较为落后，没有形成相关的技术体系支撑前面提到的焊接结构件设计与工艺风险评估模式，因此多年来工艺人员只能用经验、生产试验件来协调设计人员一起改进结构方案，往往产生工艺滞后于设计的情况，尤其是一些新结构、新工艺产生的问题层出不穷。本文提出解决的方案就是要让工艺的判断先于设计，并行于设计，从设计阶段便开始规避一些严重的设计结构纰漏。

综上，我们提出要建立焊接结构件工艺仿真技术体系的概念。“体系”泛指一定范围内或同类的事物按照一定的秩序和内部联系组合而成的整体，如工业体系、思想体系、作战体系等。“技术体系”是指技术按照一定的层次结构和规则而组织形成的一个整体系统，是通过高度综合的辨证发展而形成的一个门类繁多、纵横交错、互相渗透、彼此贯通的网络结合。“设计与工艺风险评估技术体系”指制设计及工艺仿真评估中所运用到的技术或工具的集合，比如“结构件焊接仿真技术系统”包含焊接热源模拟技术、模型建立及网格划分技术、热源行走及控制技术、结果后处理技术、参数化编程技术、二次开发技术和专家数据库技术，组成“结构件焊接仿真技术系统”的二层结构。无限元模拟技术是有限元方法里处理边界的一种方法，不单成一个层次。绝大部分焊接结构件均可以通过结构件焊接仿真技术体系，找到设计及工艺风险评估的方法和依据，得到准确的解决办法。

每一项技术下均有不同的技术方法和工具，形成更为具体的方法层，成为二层结构的扩充，成为三层次的树形结构。随着仿真技术的不断发展，“结构件焊接仿真技术体系”还会不断的在横向和纵向进行沿伸，解决更多、更复杂的结构问题，是研制型号箭体焊接结构件设计及工艺风险评估的重要技术支撑。

4结论

通过使用仿真手段进行风险评估在设计部门较为常见，制造单位中使用工艺仿真技术手段进行风险评估较为少见。我们在工业4.0和数字化工厂的启发下，将工艺仿真和设计仿真进行紧密结合，共同探讨提高产品性能和质量的办法取得了较好的效果。综合上述内容可提出两点结论：

（1）借助仿真工具，在设计仿真评估流程中加入工艺仿真评估环节，能够有效将虚拟与现实相互结合起来，特别是在焊接结构件设计前期通过工艺仿真技术对现有的工艺方法和结构形式进行分析和优化，能够规避大部分设计及工艺问题，减少设计与工艺之间反复更改或纠正，加快研制进度，降低生产成本，提高产品可靠性。

（2）实现焊接结构件设计与工艺风险评估的首要条件是搭建工艺仿真技术体系，补齐该方面与设计仿真技术体系的不足，让工艺介入设计，甚至先于设计，达到规避设计重大结构隐患，减少施工过程中的反复迭代问题。

参考文献

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