CN111250888A - 一种用于船体结构焊接工艺设计的焊接坡口建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于船体结构焊接工艺设计的焊接坡口建模方法，所述建模方法包括：建立包括多个焊接坡口标准参数的焊接常规坡口标准；建立给定焊接方式和位置的焊接宏坡口标准；为船体结构模型设计宏坡口以明确焊接坡口的坡口面朝向；宏坡口转换为实际坡口。本发明的有益效果为在生产建造实施阶段，由于船体建造正造和反造需求有变化或坡口设计需要重新修订，则仅需更新设计坡口朝向或坡口建模参数，后续设计出图不需更改，后期船体结构零件重新展开生成就可实现焊接坡口建模更新。

Description

一种用于船体结构焊接工艺设计的焊接坡口建模方法

技术领域

本发明属于智能制造领域，具体涉及一种用于船体结构焊接工艺设 计的焊接坡口建模方法。

背景技术

目前船体结构设计数字化程序越来越高，在船体结构设计过程中， 焊接坡口设计是重要的一环，随着智能化生产设备在船舶建造行业的应 用，生产切割、装配焊接也需要有船体结构焊接坡口建模数据来支撑。 焊接坡口设计参数包括：焊接间隙大小、焊接收缩补偿量、正坡口角度、 反坡口角度、正大坡口角度、反大坡口角度、留根等。在具体的船体焊接设计中，由于船体结构模型的复杂多样性，焊接坡口建模对象根据船 体设计建模特征分为平面板缝、平面板边界、曲面板缝、型材端部、型 材迹线、肘板边界等。

目前，船厂一般应用SPD、TRIBON、CATIA等CAD工程软件进 行船体结构设计建模。

SPD是应用本发明的一款国内船体设计专业软件。应用本发明之 前，主要存在以下问题:焊接坡口朝向问题无法解决，需人工给出焊接坡 口朝向，工作量大，尤其是两板架对接边界坡口，由于构架面可能不在 同一平面上时，极易出错。

TRIBON是一款国外船体设计专业软件。船体结构零件焊接坡口 的设计也比较成熟，基本实现了船体结构焊接坡口建模功能。但也存在 一些问题：需要进行二次开发，进行反复验证才能进行实船焊接坡口建 模设计，有很大的不确定性；交互界面没有汉化版，用户学习与交流不 友好；生成船体坡口设计图需二次开发才能实现汉化标注，增加开发工作量。

CATIA是一款国外适用于飞机、汽车、船舶三维设计软件。船体 结构设计采用全三维设计，船体结构设计和船体工艺设计是在不同的设 计阶段执行，也有相应的焊接坡口工艺设计功能。目前应用CATIA进行 船体焊接坡口设计，主要存在以下一些问题：1)焊接坡口设计面向船体 结构零件，针对对接焊，不能实现两对接零件统一坡口设计；2)坡口朝 向与构架面的关系数据需要人工交互设计，判断条件复杂，易出错；3) 焊接坡口设计结束后，需要进行大量的二次开发工作，焊接坡口提取工 作量大，需要反复验证，校核困难。

要解决的技术问题主要有以下几点：1)焊接坡口朝向设计问题；2) 焊接大坡口设计问题；3)焊接坡口图面标注问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于船体结构焊接工 艺设计的焊接坡口建模方法，本发明的部分实施例能够提高船体结构焊 接坡口完整性建模率，提高船体结构焊接坡口建模设计效率，减少坡口 设计和焊接坡口标注出错率，从而缩短船体结构设计周期。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于船体结构焊接工艺设计的焊接坡口建模方法，所述建模方 法包括：建立包括多个焊接坡口标准参数的焊接常规坡口标准；建立给 定焊接方式和位置的焊接宏坡口标准；为船体结构模型设计宏坡口以明 确焊接坡口的坡口面朝向；宏坡口转换为实际坡口。

优选地，所述标准参数包括：坡口代号、坡口间隙、是否有正面坡 口、正面坡口角度、正面坡口留根、是否有反面坡口、反面坡口留根、 是否有大坡口、大坡口开设条件、大坡口开设面、大坡口开设系数、正 面大坡口留根和反面大坡口留根。

优选地，所述标准参数还包括：基于板厚T1、邻板厚T2的辅助留 根参数f(T1,T2)，用来减少焊接常规坡口的设计形式的种类。

优选地，所述标准参数还包括：焊接收缩补偿，用来为了提高船体 装配焊接质量。

优选地，所述坡口朝向分为8类：F(向艏)、A(向艉)、T(向上)、 B(向下)、O(向舷)、C(向中)、P(向左)、S(向右)。

优选地，所述宏坡口转换为实际坡口包括如下步骤：焊接宏坡口建 模处理；焊接构件数据分析；宏坡口匹配；生成焊接坡口建模数据。

优选地，所述焊接宏坡口建模处理包括如下步骤：从船体模型库获 取坡口设计数据和焊接构件数据；对焊接构件数据进行分析，获取宏坡 口设计所需的前提条件；根据焊接坡口标准库和焊接构件坡口设计数据 分析结果，实现宏坡口与常规标准坡口的匹配，得到实际坡口代码；根 据实际坡口代码获取实际坡口代码参数表，利用焊接构件数据分析结果， 对坡口参数进行赋值；计算出实际的坡口形状生成坡口样条，通过计算 机几何算法实现焊接构件的坡口建模，得到焊接坡口模型。

优选地，所述焊接构件数据分析包括如下步骤：分析获取的焊接坡 口设计对象，获取焊接坡口所对应的两个焊接构件及相应的焊接边，根 据焊接构件及相关拓扑对象获取本板厚、邻板厚、构架面、构件定位面； 分析宏坡口设计对象，获取焊接宏坡口代码、焊接坡口朝向；根据焊接 坡口朝向和焊接构件几何位置，获取坡口面。

优选地，所述宏坡口匹配包括如下步骤：根据宏坡口代码，获取宏 坡口参数；根据构架面、构架定位面、坡口面之间的位置关系，应用宏 坡口设计规则，确定宏坡口设计中对应的常规标准坡口代码。

优选地，所述生成焊接坡口建模数据包括如下步骤：根据确定的常 规标准坡口代码，获取常规标准坡口参数表；根据相应的焊接结构件数 据信息，计算出焊接坡口设计参数值，从而得到焊接坡口几何样条；利 用计算机几何造型技术，对焊接构件进行坡口造型，最终实现焊接构件 的坡口建模。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：可以解决坡口建模问题， 简化坡口设计流程，依靠船体结构焊接构件间的位置关系和相关构件板 厚特征，通过计算机几何算法，实现宏坡口的设计，最终实现船体焊接 宏坡口建模，实现船体结构从设计、零件展开、零件加工、到组立装配 焊接等不同阶段焊接坡口几何信息的传递，达到设计生产制造一体化建模目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将 对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见 地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技 术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得 其他的附图。

图1是焊接坡口建模方法流程示意图。

图2是焊接坡口标准参数说明图，其中2a为板厚一致的示意图，2b 为板厚不一致的示意图。

图3是与坡口设计相关联的3个面说明图，其中3a为坡口横截面示 意图，3b为坡口和其所在的构架面示意图。

图4是构件定位面在零件板厚的中间层时的说明图。

图5是B面、F面、L面在构件的同一个侧面的示意图。

图6是B面，F面在构件的同一个侧面，而L面在另一侧的示意图。

图7是B面在构件的一侧，而L面，F面同在另一侧的示意图。

图8是B面，L面在构件的同一个侧面，而F面在另一侧的示意图。

图9是B面，F面在构件的同一个侧面，而L面在板厚度的中间层 的示意图。

图10是B面，F面分处构件的两侧，而L面在板厚度的中间层的 示意图。

图11是在船体坐标系中坡口面朝向说明示意图。

图12是焊接宏坡口建模处理流程图。

图13是焊接坡口建模描述标注示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案 进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实 施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术 人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本 发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、 “下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关 系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理 解为对本发明的限制。

如图1-13所示，本实施例提供一种用于船体结构焊接工艺设计的焊 接坡口建模设计方法，主要面向船体结构设计模型，实现船体结构焊接 坡口建模主要有以下步骤：

第一步:建立焊接常规坡口标准

根据船体结构焊接坡口设计标准，建立焊接坡口标准库。焊接坡口 标准参数主要有:坡口代号、坡口间隙、正面坡口角度、正面留根、反 面坡口、反面留根、正反面大坡口角度。同时，由于焊接坡口留根参数 的具体数值与焊材厚度相关，所以还需定义辅助留根参数；由于焊接工 作完成后，焊缝会产生收缩，所以还需增加焊接收缩补偿间隙参数。大 坡口设计，产生厚度差时才产生坡口，故需增加大坡口产生成条件参数； 大坡口制作时，需要根据截面割斜来加工，所以大坡口角度需改成割斜 系数和大坡口留根参数。

综上，焊接坡口标准参数设计如下：坡口代号、坡口间隙、焊接收 缩补偿、辅助留根参数f(T1，T2)、是否有正面坡口、正面坡口角度、正 面坡口留根、是否有反面坡口、反面坡口留根、是否有大坡口、大坡口 开设条件、大坡口开设面、大坡口开设系数、正面大坡口留根和反面大 坡口留根。留根参数可以用关于板厚T1和邻板厚T2、辅助留根函数f(T1，T2)的函数g(T1，T2，f)给出。具体设计时应用实际设计条件计算出实际 坡口设计结果。

第二步：建立焊接宏坡口标准

根据船体结构焊接坡口设计建模对象在船体坐标系中的位置及相关 拓扑关系，建立宏坡口标准库。宏坡口是一种特殊的坡口形式，就是给 定焊接方式和位置，但不明确指定构架面2和定位面的坡口代码形式。 宏坡口是用来简化设计过程，利用船体结构建模拓扑关系，根据宏坡口 规则算法，来实现实际坡口建模的目的。

在坡口设计中，与坡口设计相关联的面有3个：坡口开口面1、构 架面2、构件定位面3。

坡口开口面1Beveling Side，以下简称B面4：焊接工人设备在构件 的哪一侧施焊，那一侧就是坡口开口面1。它确定了坡口角的朝向。当 两侧都有坡口角时，以其中主要的或指定的一侧坡口角所在的面为坡口 开口面1。

构架面2安装面Fitting Side，以下简称F面5：是板架安装附属件 的那个面。将构架面2看作零件的正面，则在构架面2正面开的坡口是 正坡口，反之为反坡口。

构件定位面3Locating Side，以下简称L面6：通常有厚度差的两对 接零件，在构件的定位面所在的面是“齐平”的，厚度差出现在构件的 定位面的对面。构件的定位面确定了有厚度差的两对接零件，如果要开 大坡口，则在构件的非定位面开。与正反坡口相似，大坡口的正反也根 据构件的定位面与构架面2安装面的关系来确定。当板厚分中时，构件 定位面3在零件的中间层。此时如果要开大坡口，将两面都开大坡口。

根据3个面的位置关系，对同一类焊接方式，可以形成最多6种不 同的坡口形式。

1、B面4、F面5、L面6在构件的同一个侧面。

根据邻板厚度情况，可以有反面大坡口、齐平、有台阶三种实际坡 口形式。坡口面与构架面2在同一侧，示图中开正坡口。

2、B面4，F面5在构件的同一个侧面，而L面6在另一侧。

根据邻板厚度情况，可以有正面大坡口、齐平、有台阶三种实际坡 口形式。坡口面与构架面2在同一侧，示图中开正坡口。

3、B面4在构件的一侧，而L面6，F面5同在另一侧。

根据邻板厚度情况，可以有反面大坡口、齐平、有台阶三种实际坡 口形式。坡口面与构架面2在异侧，示图中开反坡口。

4、B面4，L面6在构件的同一个侧面，而F面5在另一侧。

根据邻板厚度情况，可以有正面大坡口、齐平、有台阶三种实际坡 口形式。坡口面与构架面2在异侧，示图中开反坡口。

5、B面4，F面5在构件的同一个侧面，而L面6在板厚度的中间 层。

根据邻板厚度情况，可以有双面大坡口、齐平、双面有台阶三种实 际坡口形式。坡口面与构架面2在同侧，示图中开正坡口。

6、B面4，F面5分处构件的两侧，而L面6在板厚度的中间层。

根据邻板厚度情况，可以有双面大坡口、齐平、双面有台阶三种实 际坡口形式。坡口面与构架面2在同侧，示图中开反坡口。

根据以上描述，宏坡口标准参数如下：宏坡口代码及与上述6种情 况相对应的坡口标准代码。具体设计时，在适用宏坡口定义的地方应用 宏坡口代码进行定义，实际坡口建模时，包括板厚、定位面的变化后可 以实现超过18种坡口设计形式。

每三步：为船体结构模型设计宏坡口

由于宏坡口仅明确了坡口的焊接方式和焊接位置，所以在焊接宏坡 口设计阶段，需要明确焊接坡口的坡口面朝向。在船体坐标系中，坡口 面朝向有8个：向艏FORE、向艉(AFT)、向上(TOP)、向下(BOTTOM)、 向舷(OUTS)、向中(CL)、向左(PO)、向右(SB)。向左、向右一般用于船 体中纵结构。为了表达简结，可以采用英文字符的首字母来进行表达。 所以坡口朝向码有8个：F、A、T、B、O、C、P、S。在宏坡口建模时， 为船体构件明确宏坡口代码和坡口朝向信息。

第四步：宏坡口转换为实际坡口

经过前面几步，已经初步确定了船体结构焊接坡口相关对象数据有: 焊接构件、宏坡口设计代码、宏坡口设计朝向码。根据已经设计的宏坡 口和船体结构件的建模对象位置拓扑关系，可以建立实际的船体坡口设 计码，从而最终实现焊接坡口建模。第四步包括下面四个小步骤：

1焊接宏坡口建模处理流程：首先从船体模型库获取坡口设计数据 和焊接构件数据；接着对焊接构件数据进行分析，获取宏坡口设计所需 的前提条件本板厚、邻板厚、构架面2、构件定位面3、宏坡口代码、坡 口朝向；根据焊接坡口标准库和焊接构件坡口设计数据分析结果，实现 宏坡口与常规标准坡口的匹配，得到实际坡口代码；根据实际坡口代码 获取实际坡口代码参数表，利用焊接构件数据分析结果，对坡口参数进 行赋值，然后再计算出实际的坡口形状生成坡口样条，通过计算机几何 算法实现焊接构件的坡口建模，得到焊接坡口模型。

2焊接构件数据分析：分析获取的焊接坡口设计对象，获取焊接坡 口所对应的两个焊接构件及相应的焊接边，根据焊接构件及相关拓扑对 象获取本板厚、邻板厚、构架面2、构件定位面3；分析宏坡口设计对象， 获取焊接宏坡口代码、焊接坡口朝向；根据焊接坡口朝向和焊接构件几 何位置，获取坡口面。

3宏坡口匹配：根据宏坡口代码，获取宏坡口参数；根据构架面2、 构架定位面、坡口面之间的位置关系，应用宏坡口设计规则，确定宏坡 口设计中对应的常规标准坡口代码。

4生成焊接坡口建模数据：根据确定的常规标准坡口代码，获取常 规标准坡口参数表；根据相应的焊接结构件数据信息，计算出焊接坡口 设计参数值，从而得到焊接坡口几何样条；利用计算机几何造型技术， 对焊接构件进行坡口造型，最终实现焊接构件的坡口建模。

进一步地，另一实施例公布了：

第一步：建立常规坡口标准库表

常规坡口需要完整并明确表达焊接坡口形状，可以应用参数有：f， T1，T2；f是指辅助留根参数，T1是指本板厚度，T2是指邻板厚度。具 体的常规坡口标准参数见下表：

表1常规焊接坡口标准参数定义

如表1所示，坡口代码为CV-3A*的坡口间隙为3，焊接收缩补偿为 1.5，其他依次类推。

第二步：建立宏坡口库表

宏坡口需要明确与B面4、F面5、L面6的6种状态所对应的常规 坡口代码。具体的宏坡口参数见下表：

表2焊接宏坡口标准参数定义

如表2所示，坡口代码为@CV1代表该坡口为宏坡口，其可能为表 2中罗列的CV-3……CV-10*这6种之一。

第三步：为焊接构件设计焊接宏坡口

宏坡口定义格式：宏坡口代码+<+焊接坡口朝向

焊接宏坡口开口面1朝向代号有8个：F、A、T、B、O、C、P、S。

选择焊接构件设计对象，为该设计对象所在的焊接边设计宏坡口代 码，同时给出该焊接宏坡口的焊接坡口朝向。

例如：@CV1<T：表示设计的宏坡口为@CV1，坡口朝向为向上。

第四步：利用宏坡口转换为实际坡口算法实现焊接坡口建模

根据宏坡口设计和焊接构件数据，解析焊接构件的构架面2、构件 定位面3、坡口面，根据宏坡口定义规则得到实际焊接坡口代码，实现 焊接宏坡口设计。

根据实际坡口代码及相关参数，计算出实际坡口参数值，从而自动 生成坡口的正确描述语句和实现焊接坡口几何建模的目的。最终实现： 坡口校对、坡口自动标注、坡口自动描述语句生成、坡口自动切割语句 生成等。图13中“正43度"是实际坡口标识。

本发明方法采用宏坡口设计手段,简化船体焊接坡口设计流程；根据 船体结构空间位置关系,应用焊接坡口几何样条参数算法构造焊接构件 坡口模型,实现焊接坡口建模设计；实现船体结构焊接坡口三维验证，解 决焊接坡口校核问题、焊接坡口标注问题、焊接坡口朝向问题，提高焊 接坡口设计正确率和焊接坡口设计效率。

该发明工作系统包含：建立焊接坡口标准：建立参数化焊接常规坡 口标准库，实现参数化常规坡口设计；建立宏坡口标准：建立焊接宏坡 口标准库，实现宏坡口与常坡口的对应关系；焊接宏坡口设计：使焊接 宏坡口与焊接对象关联，给出焊接宏坡口的坡口朝向；焊接坡口建模： 根据焊接坡口设计参数和焊接构件实体建模数据，计算焊接坡口几何样 条，应用几何模型重构技术，实现船体构件坡口建模；焊接坡口建模结 果应用：实现构件焊接坡口节点图生成、船体结构图焊接坡口自动标注、 套料图坡口描述标注和焊接坡口切割指令生成。在生产建造实施阶段， 由于船体建造正造和反造需求有变化或坡口设计需要重新修订，则仅需 更新设计坡口朝向或坡口建模参数，后续设计出图不需更改，后期船体 结构零件重新展开生成就可实现焊接坡口建模更新。

尽管上述实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通 技术人员来说，应该理解为可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基 于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本发明的精 神以及范围之内。

Claims (10)

1.一种用于船体结构焊接工艺设计的焊接坡口建模方法，其特征在于，所述建模方法包括：

建立包括多个焊接坡口标准参数的焊接常规坡口标准；

建立给定焊接方式和位置的焊接宏坡口标准；

为船体结构模型设计宏坡口以明确焊接坡口的坡口面朝向；

宏坡口转换为实际坡口。

2.根据权利要求1所述的用于船体结构焊接工艺设计的焊接坡口建模方法，其特征在于，所述标准参数包括：坡口代号、坡口间隙、是否有正面坡口、正面坡口角度、正面坡口留根、是否有反面坡口、反面坡口留根、是否有大坡口、大坡口开设条件、大坡口开设面、大坡口开设系数、正面大坡口留根和反面大坡口留根。

3.根据权利要求2所述的用于船体结构焊接工艺设计的焊接坡口建模方法，其特征在于，所述标准参数还包括：基于板厚T1、邻板厚T2的辅助留根参数f(T1,T2)，用来减少焊接常规坡口的设计形式的种类。

4.根据权利要求3所述的用于船体结构焊接工艺设计的焊接坡口建模方法，其特征在于，所述标准参数还包括：焊接收缩补偿，用来为了提高船体装配焊接质量。

5.根据权利要求1所述的用于船体结构焊接工艺设计的焊接坡口建模方法，其特征在于，所述坡口朝向分为8类：F(向艏)、A(向艉)、T(向上)、B(向下)、O(向舷)、C(向中)、P(向左)、S(向右)。

6.根据权利要求1所述的用于船体结构焊接工艺设计的焊接坡口建模方法，其特征在于，所述宏坡口转换为实际坡口包括如下步骤：

焊接宏坡口建模处理；

焊接构件数据分析；

宏坡口匹配；

生成焊接坡口建模数据。

7.根据权利要求6所述的用于船体结构焊接工艺设计的焊接坡口建模方法，其特征在于，所述焊接宏坡口建模处理包括如下步骤：

从船体模型库获取坡口设计数据和焊接构件数据；

对焊接构件数据进行分析，获取宏坡口设计所需的前提条件；

根据焊接坡口标准库和焊接构件坡口设计数据分析结果，实现宏坡口与常规标准坡口的匹配，得到实际坡口代码；

根据实际坡口代码获取实际坡口代码参数表，利用焊接构件数据分析结果，对坡口参数进行赋值；

计算出实际的坡口形状生成坡口样条，通过计算机几何算法实现焊接构件的坡口建模，得到焊接坡口模型。

8.根据权利要求6所述的用于船体结构焊接工艺设计的焊接坡口建模方法，其特征在于，所述焊接构件数据分析包括如下步骤：

分析获取的焊接坡口设计对象，获取焊接坡口所对应的两个焊接构件及相应的焊接边，根据焊接构件及相关拓扑对象获取本板厚、邻板厚、构架面、构件定位面；

分析宏坡口设计对象，获取焊接宏坡口代码、焊接坡口朝向；

根据焊接坡口朝向和焊接构件几何位置，获取坡口面。

9.根据权利要求6所述的用于船体结构焊接工艺设计的焊接坡口建模方法，其特征在于，所述宏坡口匹配包括如下步骤：

根据宏坡口代码，获取宏坡口参数；

根据构架面、构架定位面、坡口面之间的位置关系，应用宏坡口设计规则，确定宏坡口设计中对应的常规标准坡口代码。

10.根据权利要求6所述的用于船体结构焊接工艺设计的焊接坡口建模方法，其特征在于，所述生成焊接坡口建模数据包括如下步骤：

根据确定的常规标准坡口代码，获取常规标准坡口参数表；

根据相应的焊接结构件数据信息，计算出焊接坡口设计参数值，从而得到焊接坡口几何样条；

利用计算机几何造型技术，对焊接构件进行坡口造型，最终实现焊接构件的坡口建模。

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