大型构件焊接变形预测和控制关键技术

★项目或成果名称

大型构件焊接变形预测和控制关键技术

★项目或成果简介

本成果面向焊接结构的变形控制，以热弹塑性有限元理论为基础，采用理论研究、数值仿真和试验相结合的方法，研究有效实现了大型构件多道焊和单道焊变形仿真的策略、建模方法和实现技术。

主要包括：

(1)基于局部-整体应变映射的大型构件单道焊变形建模与仿真方法；

(2)基于已焊、在焊和未焊三种填充材料状态特征的材料建模新方法和实现技术；

(3)面向大型构件，基于焊缝分割与平均热循环曲线的节点热源加载方法；

(4)基于壳单元过渡的实体-壳单元混合结构大型构件多道焊变形仿真建模方法和实现技术；

(5)基于罚函数法，考虑接触约束的大型构件焊接变形仿真建模方法和实现技术；

(6)基于统一模型的多工位复杂结构焊接变形仿真建模方法和实现技术；

(7)基于焊序和工装等优化的大型构件焊接变形控制。

本成果有效解决了大型构件焊接变形仿真中建模过程复杂、计算规模大、难以收敛等问题，可预测焊接顺序对变形的影响，支持焊序优化，为大型焊接结构设计、焊接顺序设置、反变形量控制、工装优化设计等提供了技术方法。籍此，可实现对焊接变形的有效控制，显著降低焊后冷、热调修量，降低焊后调修、试验和产品试制等工艺成本，缩短了开发周期。

★成果已转化推广情况

该成果已在我国主要的轨道交通客车、货车、铁路电气化焊接钢结构，以及船舶和核能装备制造（美国Shaw Group）等10余家国内外知名企业得到成功应用。

应用效果表明：该成果为焊接结构设计、焊接顺序确定和夹具设计等提供了有效的技术和方法支持。通过焊接顺序优化等手段，可降低矫形和调修量约25~50%左右，显著降低了焊后矫形和调修、试验和产品试制等相关制造成本，提高了产品质量，缩短了开发周期。同时，显著降低了工人的劳动强度和能源消耗，降低了因热矫形带来的气体排放和烟尘，显著改善了生产环境。经济效益和社会效益显著，具有良好的应用推广价值。

★提供技术的程度和合作方式

本团队可通过技术服务等形式，提供大型焊接结构的焊接变形预测和控制的解决方案。

★适用范围

  该成果广泛应用于各类基于焊接结构的复杂产品的结构与工艺设计开发，如轨道交通装备制造、起重机械、船舶、机械、航空航天等的新产品开发、改型等，支持基于MIG/MAG、搅拌摩擦焊接等结构的焊接顺序优化、装卡位置优化、反变形量设计等。