基于UG軟件的焊接結構件數字化設計方法

宮麗 GONG Li

（哈爾濱職業技術學院，哈爾濱 150000）

1 背景

港珠澳大橋是世界上總體跨度最長、鋼結構橋體最長、海底沉管隧道最長的跨海大橋。如此大規模地采用鋼梁焊接結構在世界范圍是很罕見的。這是鋼箱梁焊接工程從理念，到管理、設計、生產、技術標準的全面升級。港珠澳大橋鋼箱梁焊接工程制造，在引導鋼箱梁制造從設計、施工、保障全面提升，引導我國的焊接技術向著數字化、智能化快速轉型升級。近日《“十四五”智能制造發展規劃》提出了“十四五”及未來相當長一段時期，推進智能制造，要立足制造本質，緊扣智能特征，以工藝、裝備為核心，以數據為基礎，依托制造單元、車間、工廠、供應鏈等載體，構建虛實融合、知識驅動、動態優化、安全高效、綠色低碳的智能制造系統，推動制造業實現數字化轉型、網絡化協同、智能化變革。到2025年，規模以上制造業企業大部分實現數字化網絡化，重點行業骨干企業初步應用智能化；到2035年，規模以上制造業企業全面普及數字化網絡化，重點行業骨干企業基本實現智能化。因此，像港珠澳大橋這樣的大型焊接工程，正在深度融合智能制造技術、數字化技術、網絡化技術快速發展。

2 焊接結構件的核心界定

金屬焊接可以兩個分離的金屬物體（常見板料、棒料或各種型材）連接成一體的連接方法。焊接結構件，就是使用焊接方法連接的金屬結構件，這個金屬結構件是個整體，具有一定的用途或功能。焊接結構件用途廣泛，種類繁多。比如，按結構形式可分為梁類及梁系結構、柱類結構、格架結構、殼體結構、骨架結構、機器和儀器的焊接零件等等；按照結構的用途則可分為車輛結構、船體結構、飛機結構等等；根據焊件的材料厚度則可分為薄壁結構和厚壁結構；根據焊件的材料種類則可分為鋼制結構、鋁制結構、鈦制結構等等。

3 焊接結構件的結構特點

焊接結構件有著獨特的特點，主要有以下幾方面：

①焊接結構的整體性強。由于焊接是一種金屬原子間的連接，剛度大、整體性好，在外力作用下不會像其他機械連接那樣因間隙變化而產生過大的變形，因此焊接接頭的強度、剛度一般可達到與母材相等或相近，能夠隨基本金屬承受各種載荷的作用。

②焊接結構的強度高、質量輕。焊接結構多采用軋材制造，承受沖擊載荷能力強，且鋼材比磚石、混凝土等建筑材料的強度要高出很多倍，應用現代焊接技術制造出的焊接接頭，其強度高于母材。

焊接結構的零件或部件可以直接通過焊接方法進行連接，不需要附加任何連接件。與鉚接結構相比，具有相同結構的質量可減輕10%～20%。

③焊接結構的安全性能高。由于鋼材具有良好的塑性，在一般情況下，不會因偶然超載或局部超載造成突然斷裂破壞，而是事先出現較大的變形預兆，以便采取補救措施。鋼材還具有良好的韌性，對作用在結構上的動載荷適應性強，為焊接結構的安全使用提供了可靠保證。

在一定的應力范圍內，鋼材處于理想彈性狀態，與工程力學所采用的基本假定較符合，故計算結果準確可靠，以確保焊接結構的安全使用。

④焊接結構的致密性好。由于焊縫的致密性，焊接結構能保證產品的氣密性和水密性要求，這是鍋爐、儲氣罐、儲油罐等壓力容器在正常工作時不可缺少的重要條件。

⑤焊接結構的經濟效益好。焊接結構在使用一些型材時比軋制更經濟。例如用寬扁鋼與鋼板焊成的大型工字鋼（高度大于700mm）往往比軋制的型鋼成本更低。

焊接結構生產一般不需要大型、特殊和昂貴的設備，投資少、見效快，容易適應不同批量產品的生產，產品更新換代快速方便，經濟效益好。

4 基于UG軟件的焊接結構件數字化設計方法

焊接結構件數字化設計流程主要包括單個焊接零件的數字化設計、焊接結構件的裝配和焊縫的創建等三個步驟。這里單個焊接零件的數字化設計可以使用UG軟件的建模模塊和鈑金模塊進行三維模型設計，焊接結構件的裝配可以使用UG軟件的裝配模塊進行三維模型裝配，焊縫的創建可以使用UG軟件的焊接助理模塊和結構焊接模塊進行設計。這三個步驟中，前兩個步驟可以參考機械零件的數字化設計方法，第三步焊縫的創建需要結合焊接工藝知識，這里重點介紹使用UG軟件的焊接助理模塊和結構焊接模塊創建焊縫的方法。

4.1 單個焊接零件的數字化設計

UG軟件提供了直線、矩形、圓、多邊形、長方體、圓柱體、圓錐、球、拉伸、旋轉、掃掠、孔等命令可以進行單個焊接零件的數字化設計。梁類、柱類、格架類、骨架類焊接結構件多數使用長方體、圓柱體命令創建出不同的板、管形零件。殼體焊接結構件多數使用旋轉、掃掠、孔創建出不同的曲面殼體。如果單個零件的結構特別復雜比如大型發電機的葉片，需要使用曲面模塊的命令，如直紋曲面、N邊曲面、通過曲線組、通過曲線網格等命令創建曲面模型。多數是常見的單個焊接零件數字化設計如表1所示。

表1 常見的單個焊接零件數字化設計

4.2 焊接結構件的裝配設計

UG軟件提供了新建組件、添加組件、移動組件、裝配約束、鏡像裝配、陣列組件、爆炸圖等命令可以進行焊接結構件的裝配設計。添加組件用于將單個零件的模型文件加載到裝配模型中。移動組件是用于選擇一個或多個要移動的組件，移動方式主要有通過約束、定義選定組件的移動距離、從選定點移到目標點、指定的XC、YC和ZC距離、按一定角度、兩個坐標系的關系等等移動組件。裝配約束是通過定義兩個組件之間的約束條件來確定組件在裝配體中的位置，常用的約束類型是接觸對齊、距離、中心、平行、垂直等等。鏡像裝配對沿基準面對稱分布規律的組件，實現快速裝配相同零部件。陣列組件用于選擇一個或多個要形成陣列的組件，常用陣列方式有矩形陣列、環形陣列等等。使用爆炸圖命令可創建一個視圖，在該視圖中，選中的部件或子裝配相互分離開來，以便用于圖紙或圖解。此命令以可見形式在爆炸圖中對組件進行變換，并且不會更改組件的實際裝配位置。常見的焊接結構件的裝配設計如表2所示。

表2 常見的單個焊接零件數字化設計

4.3 焊縫的創建

常用的焊縫形式有對接焊縫、角焊縫、塞焊縫、槽焊縫和端接焊縫五種。UG軟件提供了坡口焊、角焊、塞焊、槽焊、筋、填角焊等命令可以進行焊接結構件的焊縫設計。

4.3.1 對接焊縫的數字化設計方法

UG軟件提供了坡口焊命令進行對接焊縫的數字化設計（如表3所示）。對接焊縫是在焊件的坡口面間或一零件的坡口面與另一零件表面間焊接的焊縫。坡口焊命令可以創建平頭對接焊縫、V形對接焊縫、斜角對接焊縫、U形對接焊縫、J形對接焊縫、喇叭形對接焊縫、半喇叭形對接焊縫。焊縫的橫截面可以設計成平面的、凸面的、凹面的。

表3 對接焊縫的數字化設計

4.3.2 角焊縫的數字化設計方法

UG軟件提供了角焊命令進行角焊縫的數字化設計（如表4所示）。角焊縫是沿兩直交或近直交零件的交線所焊接的焊縫。角焊縫的橫截面可以是直角三角形或者斜邊凸起的三角形。

表4 角焊縫的數字化設計

4.3.3 塞焊縫的數字化設計方法

UG軟件提供了塞焊命令進行塞焊縫的數字化設計。塞焊縫是兩零件相疊，其中一塊開圓孔，在圓孔中焊接兩板所形成的焊縫。焊縫的橫截面有平齊、凸多面體、凹多面體等類型，根據實際需要填充不同類型橫截面的焊縫。

4.3.4 槽焊縫的數字化設計方法

UG軟件提供了槽焊命令進行槽焊縫的數字化設計。槽焊縫是兩板相疊，其中一塊開長孔，在長孔中焊接兩板的焊縫。

4.3.5 異形焊縫的數字化設計方法

UG軟件提供了筋命令進行異形焊縫的數字化設計（如表5所示）。筋命令通過路徑和橫截面創建實體。定義的橫截面形狀可以在任意數量的對象上沿路徑掃掠以創建焊縫特征。

表5 異形焊縫的數字化設計

當不需要焊縫的實體表示時，使用UG軟件的焊接接頭命令，可以創建單獨的焊接接頭或創建作為組件的接頭。更適合于輕量級連接創建焊接接頭特征。

5 結束語

焊接結構件采用UG軟件進行數字化設計方法的優勢在于，充分運用UG軟件的焊接助理和結構焊接等模塊的主要命令，可以提高設計效率，預先發現組裝問題，便于焊接工藝人員合理規劃焊接工藝。