CN112276388A - 一种大型起重机箱梁焊接制造的变形数字孪生优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大型起重机箱梁焊接制造变形的数字孪生优化方法,结合实际焊接变形检测与有限元建模与数值计算,实现焊接构件数字化管理、焊接变形有效控制、优化方案高效制定。一方面以实测数据改进数值模型,另一方面以数值模型减少试验成本并实现制造过程数字化监管,再以现有数据库指导焊接方案的同时不断更新数据库。以此减少实际焊接试验,提高提生产与管理效率,为控制各流程焊接变形,优化焊接方案提供数字化指导依据。

Description

一种大型起重机箱梁焊接制造的变形数字孪生优化方法
技术领域
本发明涉及大型起重机联系横梁自动化制造中各流程的焊接变形数字化管理、控制与优化方法,更具体地说,涉及一种大型起重机箱梁焊接制造变形的数字孪生优化方法。
背景技术
大型起重机联系横梁是由多种形式焊接接头组成的大尺寸复杂钢结构,不同制造流程焊接接头形式各异,变形特征多样,数据量十分庞杂,焊接变形管理难度较大。焊接变形规律难以掌握,制造流程较多且具有一定的变形遗传性,变形控制难度较大。可供选择的焊接方案数量丰富,但其制造成本高、步骤多、工期长,难以从结果中有效总结变形规律,有针对性地优化焊接方案。
当以自动化车间生产制造大型起重机联系横梁时,焊接效率大幅提升,监控数据的数量、种类与组合在短时间内大量增加,但若不及时更新传统管理方法,以数字化技术对箱体焊接进行全流程管理,将使之成为高校生产的关键瓶颈,严重制约生产效率的提高。
大尺寸复杂钢结构的焊接变形控制,一直都是此类生产制造的要点与难点。拼板对接需要调整工艺参数,保证其接头平整度与直线度,甚至可能产生波浪变形。板单元肋板角接时的热源数量、相对位置、焊接顺序等会对变形位置、方式、角度、程度等产生直接影响。箱体隔板焊接中不仅增加了更多的焊接部件、焊接位置、顺序组合,其使用的立焊与横焊方式也对焊接变形造成了新的影响,令箱体变形更加难以控制。由于各制造流程之间存在承接关系,即拼板对接变形影响板单元角接初始状态,板单元焊接影响箱体隔板焊接初始状态,箱体各单元变形影响最终成品总体变形,这进一步提供了焊接控制难度。
正因为箱体的大尺寸特点与制造过程的复杂性,导致其焊接变形规律难以总结,必须积累大量试验数据才能有针对性地制定优化方案。但考虑到生产成本,一般情况下无法通过大量试验积累相应数据,只能在生产过程中边制造、边总结。所以必须寻找新的数据积累方法,提高归纳焊接变形规律的数字化方法,降低优化方案制定成本。
随着计算机技术及有限元数值模拟技术的飞速发展,联系实际焊接制造过程与数值模型建立并相互改进的数字孪生方法孕育面生,成为了一种省时省力的数字化高效管理方法,提高大型起重机联系横梁焊接变形优化效率,也为以后的智能化控制提供数据基础。
发明内容
针对现有技术中存在的上述缺陷,本发明的目的是提供一种大型起重机箱梁焊接制造变形的数字孪生优化方法,为提高大型起重机联系横梁自动化焊接的变形管理、控制与优化效率,需要以直观的数值计算结果与数字化模型跟踪方法,压缩试验时间与成本,解决数据样本数量大、组合种类多、利用难度大等问题。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种大型起重机箱梁焊接制造变形的数字孪生优化方法,包括以下步骤:
1)根据箱体设计图纸与接头位置建立有限元拼板数值模型,初步制定拼板对接的多个焊接方案,通过数值计算得到相应的变形数据,保留合格的变形数据,记录并比较各所述焊接方案的变形数据,选择最优的焊接方案;
2)在拼板对接实际焊接流程中,根据步骤1)中最优的所述焊接方案进行实际自动化焊接,记录变形特征与尺度,并与数值计算结果进行比较,依照实际变形数据校正所述拼板数值模型,更新数据库使所述拼板数值模型与实际焊件对应,并将校正后所述拼板数值模型导入板单元角接流程;
3)利用校正后所述拼板数值模型修正板单元角接模型,制定多个焊接方案,通过数值计算得到相应的变形数据,保留合格的变形数据,记录并比较各所述焊接方案的变形数据,选择最优的焊接方案;
4)在板单元角接实际焊接流程中,根据步骤3)中最优的所述焊接方案进行实际自动化焊接,记录变形特征与尺度,并与数值计算结果进行比较,依照实际变形数据校正所述板单元角接模型,更新数据库使所述板单元角接模型与实际焊件对应,并将校正后所述板单元角接模型导入箱体隔板焊接流程;
5)利用校正后所述板单元角接模型修正箱体隔板焊接模型,制定多个焊接方案,通过数值计算得到相应的变形数据,保留合格的变形数据,记录并比较各所述焊接方案的变形数据,选择最优的焊接方案;
6)在箱体隔板焊接实际焊接流程中,根据步骤5)中最优的所述焊接方案进行实际自动化焊接,记录变形特征与尺度,并与数值计算结果进行比较,依照实际变形数据校正所述箱体隔板焊接模型,更新数据库使所述箱体隔板焊接模型与实际焊件对应,并将校正后所述箱体隔板焊接模型导入数据库;
7)更新各流程数据后,根据变形数据优化焊接方案,进入下一轮箱体实际焊接与数值建模,并在此循环优化过程中,不断积累新一轮实焊与数模变形数据。
较佳的,所述步骤1)中,多个所述焊接方案包括焊接电流、电压、速度。
较佳的,所述步骤1)中,利用瞬态热弹塑性有限元方法,进行数值计算得到相应的变形数据。
较佳的,所述步骤3)中,多个所述焊接方案包括焊接工艺参数、焊枪热源数量、焊接顺序。
较佳的,所述步骤5)中,多个所述焊接方案包括焊接工艺参数、焊接方向、焊接顺序。
本发明所提供的一种大型起重机箱梁焊接制造变形的数字孪生优化方法,具有以下几点有益效果:
1)本发明数字孪生优化方法将各焊接流程变形量数据化、可视化、系统化,使变形数据能够高效匹配自动化生产高速积累的大量数据,便于焊接变形数据管理;
2)本发明数字孪生优化方法基于积累焊接变形数据改进焊接方案,利用数值计算预测方案结果并校正数值模型,再从中选择最佳方案,可节约大量实验时间与成本,便于焊接变形的有效控制;
3)本发明数字孪生优化方法在前期变形数据积累的基础上,统计总结各个影响因素的具体作用,随着数据量的不断增大,变形规律将越来越明显,便于焊接变形控制方案的优化。
附图说明
图1是本发明数字孪生优化方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。
请结合图1所示,本发明所提供的一种大型起重机箱梁焊接制造变形的数字孪生优化方法,包括以下步骤:
1)根据箱体设计图纸与接头位置建立20480×3200×8mm有限元数值模型,采用四节点四面体与八节点六面体单元对几何模型进行网格划分,为获得较高的预测精度,需要对焊缝及附近区域划分细密的网格。初步制定拼板对接的数个焊接方案,改变焊接电流、电压、速度等具体参数如下表1所示。利用瞬态热弹塑性有限元方法进行数值计算,得到相应变形数据。保留合格的变形数据,记录并比较各方案变形数据,选择最优焊接方案;
表1箱体各流程焊接工艺参数
Figure BDA0002730618600000031
2)在拼板对接实际焊接流程中,根据最优焊接方案进行实际自动化焊接。利用靠尺、激光测距仪等,记录焊接前后箱体形状,比较变形特征与尺度。并与数值计算结果进行比较,依照实际变形数据校正数值模型,更新数据库使数值模型与实际焊件对应,并将校正后拼板模型导入板单元角接流程;
3)利用校正后拼板模型修正板单元角接数值模型,依据自动化设备加工能力制定数个焊接方案,如焊接工艺参数、焊枪热源数量、焊接顺序等。如单热源、双热源、单热源后接双热源,改变热源前后间距,数条肋板角焊缝进行先中间后两侧、先两侧后中间、间隔式焊接等焊接顺序。计算后保留合格的变形数据,比较变形结果选择最优焊接方案;
4)在板单元角接实际焊接流程中,根据最优焊接方案进行实际自动化焊接。利用激光测距仪等,记录焊接前后箱体形状,比较变形特征与尺度。如箱体隔板为10个,可在焊接方向上分为11个变形监测区。依据肋板与焊缝数量,如顶板与底板为5条,两侧立板为7条,可在垂直于焊接方向设立数个变形监测区,如顶板与底板为6个,两侧立板为8个。并与数值计算结果进行比较,依照实际变形数据校正数值模型,更新数据库使数值模型与实际焊件对应,并将校正后板单元模型导入箱体隔板焊接流程;
5)利用校正后板单元模型修正箱体隔板焊接数值模型,制定数个焊接方案,焊接工艺参数、焊接方向、焊接顺序等,如先立焊后横焊、先横焊后立焊,先箱体中段后箱体两端、先箱体两端后箱体中段,焊接方向间隔式改变等。计算后保留合格的变形数据,比较变形结果选择最优焊接方案;
6)在箱体隔板焊接实际焊接流程中,根据最优焊接方案进行实际自动化焊接。利用激光测距仪等,记录焊接前后箱体形状,比较变形特征与尺度。因箱体隔板为10个,沿箱体长度分为11个变形监测区,以隔板四角与箱体两端四角为特征监测关键点,共计48个关键点。并与数值计算结果进行比较,依照实际变形数据校正数值模型,更新数据库使数值模型与实际焊件对应,并将校正后箱体模型导入数据库
7)更新焊接变形数据后,相应数据依流程分区储存,归于一个编号数据块中,此编号同时对应实际焊件与其数值模型。不同编号的数据块应保持相同数据框架,即包含以下数据:所有焊接流程的焊前初步焊接方案、焊前预测数值模型、焊前选择最优方案、实际焊件变形数据、数值模型校正对照数据、校正后数值模型。根据变形数据优化焊接方案,进入下一轮箱体实际焊接与数值建模。并在此循环优化过程中,不断积累新一轮实焊与数模变形数据。
实施例
依靠某基地大型起重机联系横梁自动化车间进行实际焊接。拼板、板单元、箱体自动化焊接设备,初拟焊接工艺参数如表1所示。
拼板接头总尺寸20480×3200×8mm,对接焊缝位于拼板长度方向中间位置,焊缝方向与拼板长度方向相垂直,采用单道焊。
板单元焊缝数量与肋板数量,肋板高度为80mm,厚度为8mm,采用前1后2焊接、双热源对称焊接、前后热源间距约10240mm、从中间向两侧焊接。
箱体为顶部、底部、两侧板单元与隔板组成,箱体隔板为10个,采用先立焊后横焊、立焊与横焊方向保持不变、立焊为两侧对称双热源焊接、从箱体一端至另一端依次焊接隔板。参考箱体设计尺寸建立各焊接流程数值模型,并根据实测焊件变形进行修正。
综上所述,本发明所提供的一种大型起重机箱梁焊接制造变形的数字孪生优化方法,为提高大型起重机联系横梁自动化焊接的变形管理、控制与优化效率,需要以直观的数值计算结果与数字化模型跟踪方法,压缩试验时间与成本,解决数据样本数量大、组合种类多、利用难度大等问题。本发明提出一种焊接变形数字孪生优化方法,结合实际焊接变形检测与有限元建模与数值计算,实现焊接构件数字化管理、焊接变形有效控制、优化方案高效制定。一方面以实测数据改进数值模型,另一方面以数值模型减少试验成本并实现制造过程数字化监管,再以现有数据库指导焊接方案的同时不断更新数据库。以此减少实际焊接试验,提高提生产与管理效率,为控制各流程焊接变形,优化焊接方案提供数字化指导依据。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到,以上的实施例仅是用来说明本发明,而并非用作为对本发明的限定,只要在本发明的实质精神范围内,对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (5)

1.一种大型起重机箱梁焊接制造变形的数字孪生优化方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)根据箱体设计图纸与接头位置建立有限元拼板数值模型,初步制定拼板对接的多个焊接方案,通过数值计算得到相应的变形数据,保留合格的变形数据,记录并比较各所述焊接方案的变形数据,选择最优的焊接方案;
2)在拼板对接实际焊接流程中,根据步骤1)中最优的所述焊接方案进行实际自动化焊接,记录变形特征与尺度,并与数值计算结果进行比较,依照实际变形数据校正所述拼板数值模型,更新数据库使所述拼板数值模型与实际焊件对应,并将校正后所述拼板数值模型导入板单元角接流程;
3)利用校正后所述拼板数值模型修正板单元角接模型,制定多个焊接方案,通过数值计算得到相应的变形数据,保留合格的变形数据,记录并比较各所述焊接方案的变形数据,选择最优的焊接方案;
4)在板单元角接实际焊接流程中,根据步骤3)中最优的所述焊接方案进行实际自动化焊接,记录变形特征与尺度,并与数值计算结果进行比较,依照实际变形数据校正所述板单元角接模型,更新数据库使所述板单元角接模型与实际焊件对应,并将校正后所述板单元角接模型导入箱体隔板焊接流程;
5)利用校正后所述板单元角接模型修正箱体隔板焊接模型,制定多个焊接方案,通过数值计算得到相应的变形数据,保留合格的变形数据,记录并比较各所述焊接方案的变形数据,选择最优的焊接方案;
6)在箱体隔板焊接实际焊接流程中,根据步骤5)中最优的所述焊接方案进行实际自动化焊接,记录变形特征与尺度,并与数值计算结果进行比较,依照实际变形数据校正所述箱体隔板焊接模型,更新数据库使所述箱体隔板焊接模型与实际焊件对应,并将校正后所述箱体隔板焊接模型导入数据库;
7)更新各流程数据后,根据变形数据优化焊接方案,进入下一轮箱体实际焊接与数值建模。
2.根据权利要求1所述的大型起重机箱梁焊接制造变形的数字孪生优化方法,其特征在于:所述步骤1)中,多个所述焊接方案包括焊接电流、电压、速度。
3.根据权利要求1所述的大型起重机箱梁焊接制造变形的数字孪生优化方法,其特征在于:所述步骤1)中,利用瞬态热弹塑性有限元方法,进行数值计算得到相应的变形数据。
4.根据权利要求1所述的大型起重机箱梁焊接制造变形的数字孪生优化方法,其特征在于:所述步骤3)中,多个所述焊接方案包括焊接工艺参数、焊枪热源数量、焊接顺序。
5.根据权利要求1所述的大型起重机箱梁焊接制造变形的数字孪生优化方法,其特征在于:所述步骤5)中,多个所述焊接方案包括焊接工艺参数、焊接方向、焊接顺序。
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