楊光偉 張超 郭嬌嬌 李佳佳

摘 要 如果把設(shè)計(jì)系統(tǒng)比作虛擬系統(tǒng)，工藝系統(tǒng)比作現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，借助仿真工具，在設(shè)計(jì)仿真評(píng)估流程中加入工藝仿真評(píng)估環(huán)節(jié)，能夠有效將虛擬與現(xiàn)實(shí)相互結(jié)合起來(lái)，能夠規(guī)避大部分設(shè)計(jì)及工藝問(wèn)題，減少設(shè)計(jì)與工藝之間反復(fù)更改或糾正，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品可靠性。本文以焊接結(jié)構(gòu)件為研究對(duì)象，探究焊接結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)及工藝風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模式。

關(guān)鍵詞 焊接結(jié)構(gòu)件 設(shè)計(jì) 工藝

中圖分類號(hào)：TQ052.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

隨著德國(guó)政府率先提出“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略，并在2013年4月的漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上正式推出，在世界范圍掀起了“工業(yè)4.0”的熱潮，各國(guó)紛紛探討本國(guó)信息時(shí)代的工業(yè)化道路發(fā)展。德國(guó)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界對(duì)于“工業(yè)4.0”的定義為：以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命，或革命性的生產(chǎn)方法，將制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型。近二十年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，美、英、法等國(guó)以仿真技術(shù)為核心，利用高速計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)將各種試驗(yàn)系統(tǒng)及有關(guān)科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合起來(lái)，形成了一個(gè)高效的、完整的仿真實(shí)驗(yàn)體系，為實(shí)現(xiàn)智能制造提供有力支持。本文借助仿真工具，在設(shè)計(jì)仿真評(píng)估流程中加入工藝仿真評(píng)估環(huán)節(jié)，能夠有效將虛擬與現(xiàn)實(shí)相互結(jié)合起來(lái)，特別是在焊接結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)前期通過(guò)工藝仿真技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的工藝方法和結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析和優(yōu)化，能夠規(guī)避大部分設(shè)計(jì)及工藝問(wèn)題，減少設(shè)計(jì)與工藝之間反復(fù)更改或糾正，加快研制進(jìn)度，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品可靠性。

1焊接結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)與工藝風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程設(shè)計(jì)

焊接結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)及制造過(guò)程都非常復(fù)雜。焊接結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中加入設(shè)計(jì)及工藝風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，將會(huì)避免一些新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)件或改進(jìn)的結(jié)構(gòu)件在制造、驗(yàn)證過(guò)程暴露出的工藝性不佳、性能未滿足要求等問(wèn)題的發(fā)生。目前，焊接結(jié)構(gòu)件會(huì)進(jìn)行靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)范疇的仿真評(píng)估，但很少考慮工藝因素。由于缺少有效的手段，焊接結(jié)構(gòu)件的工藝性沒(méi)有量化，一些較為隱蔽的工藝性問(wèn)題只能在產(chǎn)品制造過(guò)程中被發(fā)現(xiàn)。

為此，我們?cè)O(shè)計(jì)以下風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的一般流程，如圖1所示。焊接結(jié)構(gòu)件初步方案被設(shè)計(jì)出來(lái)后，首先進(jìn)行力學(xué)仿真對(duì)結(jié)構(gòu)各項(xiàng)設(shè)計(jì)性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，并根據(jù)仿真結(jié)果不斷修正或優(yōu)化。通過(guò)設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估后的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案再進(jìn)行工藝性評(píng)估，如果在工藝性評(píng)估中出現(xiàn)問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)部門(mén)重新審視結(jié)構(gòu)件的初步方案，做出改進(jìn)或調(diào)整，避免在實(shí)際產(chǎn)品制造完成后再出現(xiàn)反復(fù)更改。

2焊接結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)

目前，焊接結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)較為成熟。設(shè)計(jì)過(guò)程需要考慮產(chǎn)品在全工作周期內(nèi)所承受的溫度、壓力、位移載荷等各個(gè)約束條件或載荷條件，保持設(shè)計(jì)輸入與輸出的一致性，是設(shè)計(jì)過(guò)程必須要堅(jiān)持的基本原則之一，相關(guān)的靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)等仿真技術(shù)是焊接結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的主要技術(shù)支撐。設(shè)計(jì)人員通過(guò)仿真工具，特別是采用較為成熟的力學(xué)仿真工具能夠很方便的計(jì)算出均方根Mises應(yīng)力云圖等各類仿真輸出結(jié)論（如圖2），用于分析。

3焊接結(jié)構(gòu)件工藝風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)

焊接結(jié)構(gòu)件工藝風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)由于起步較晚，無(wú)論是技術(shù)水平，還是軟硬件條件都較為落后，沒(méi)有形成相關(guān)的技術(shù)體系支撐前面提到的焊接結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)與工藝風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模式，因此多年來(lái)工藝人員只能用經(jīng)驗(yàn)、生產(chǎn)試驗(yàn)件來(lái)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)人員一起改進(jìn)結(jié)構(gòu)方案，往往產(chǎn)生工藝滯后于設(shè)計(jì)的情況，尤其是一些新結(jié)構(gòu)、新工藝產(chǎn)生的問(wèn)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(shè)計(jì)，并行于設(shè)計(jì)，從設(shè)計(jì)階段便開(kāi)始規(guī)避一些嚴(yán)重的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)紕漏。

綜上，我們提出要建立焊接結(jié)構(gòu)件工藝仿真技術(shù)體系的概念?！绑w系”泛指一定范圍內(nèi)或同類的事物按照一定的秩序和內(nèi)部聯(lián)系組合而成的整體，如工業(yè)體系、思想體系、作戰(zhàn)體系等?！凹夹g(shù)體系”是指技術(shù)按照一定的層次結(jié)構(gòu)和規(guī)則而組織形成的一個(gè)整體系統(tǒng)，是通過(guò)高度綜合的辨證發(fā)展而形成的一個(gè)門(mén)類繁多、縱橫交錯(cuò)、互相滲透、彼此貫通的網(wǎng)絡(luò)結(jié)合?！霸O(shè)計(jì)與工藝風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)體系”指制設(shè)計(jì)及工藝仿真評(píng)估中所運(yùn)用到的技術(shù)或工具的集合，比如“結(jié)構(gòu)件焊接仿真技術(shù)系統(tǒng)”包含焊接熱源模擬技術(shù)、模型建立及網(wǎng)格劃分技術(shù)、熱源行走及控制技術(shù)、結(jié)果后處理技術(shù)、參數(shù)化編程技術(shù)、二次開(kāi)發(fā)技術(shù)和專家數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，組成“結(jié)構(gòu)件焊接仿真技術(shù)系統(tǒng)”的二層結(jié)構(gòu)。無(wú)限元模擬技術(shù)是有限元方法里處理邊界的一種方法，不單成一個(gè)層次。絕大部分焊接結(jié)構(gòu)件均可以通過(guò)結(jié)構(gòu)件焊接仿真技術(shù)體系，找到設(shè)計(jì)及工藝風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法和依據(jù)，得到準(zhǔn)確的解決辦法。

每一項(xiàng)技術(shù)下均有不同的技術(shù)方法和工具，形成更為具體的方法層，成為二層結(jié)構(gòu)的擴(kuò)充，成為三層次的樹(shù)形結(jié)構(gòu)。隨著仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，“結(jié)構(gòu)件焊接仿真技術(shù)體系”還會(huì)不斷的在橫向和縱向進(jìn)行沿伸，解決更多、更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)問(wèn)題，是研制型號(hào)箭體焊接結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)及工藝風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重要技術(shù)支撐。

4結(jié)論

通過(guò)使用仿真手段進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估在設(shè)計(jì)部門(mén)較為常見(jiàn)，制造單位中使用工藝仿真技術(shù)手段進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估較為少見(jiàn)。我們?cè)诠I(yè)4.0和數(shù)字化工廠的啟發(fā)下，將工藝仿真和設(shè)計(jì)仿真進(jìn)行緊密結(jié)合，共同探討提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量的辦法取得了較好的效果。綜合上述內(nèi)容可提出兩點(diǎn)結(jié)論：

（1）借助仿真工具，在設(shè)計(jì)仿真評(píng)估流程中加入工藝仿真評(píng)估環(huán)節(jié)，能夠有效將虛擬與現(xiàn)實(shí)相互結(jié)合起來(lái)，特別是在焊接結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)前期通過(guò)工藝仿真技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的工藝方法和結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析和優(yōu)化，能夠規(guī)避大部分設(shè)計(jì)及工藝問(wèn)題，減少設(shè)計(jì)與工藝之間反復(fù)更改或糾正，加快研制進(jìn)度，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品可靠性。

（2）實(shí)現(xiàn)焊接結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)與工藝風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的首要條件是搭建工藝仿真技術(shù)體系，補(bǔ)齊該方面與設(shè)計(jì)仿真技術(shù)體系的不足，讓工藝介入設(shè)計(jì)，甚至先于設(shè)計(jì)，達(dá)到規(guī)避設(shè)計(jì)重大結(jié)構(gòu)隱患，減少施工過(guò)程中的反復(fù)迭代問(wèn)題。

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