基于UG软件的焊接结构件数字化设计方法

宫丽 GONG Li

（哈尔滨职业技术学院，哈尔滨 150000）

1 背景

港珠澳大桥是世界上总体跨度最长、钢结构桥体最长、海底沉管隧道最长的跨海大桥。如此大规模地采用钢梁焊接结构在世界范围是很罕见的。这是钢箱梁焊接工程从理念，到管理、设计、生产、技术标准的全面升级。港珠澳大桥钢箱梁焊接工程制造，在引导钢箱梁制造从设计、施工、保障全面提升，引导我国的焊接技术向着数字化、智能化快速转型升级。近日《“十四五”智能制造发展规划》提出了“十四五”及未来相当长一段时期，推进智能制造，要立足制造本质，紧扣智能特征，以工艺、装备为核心，以数据为基础，依托制造单元、车间、工厂、供应链等载体，构建虚实融合、知识驱动、动态优化、安全高效、绿色低碳的智能制造系统，推动制造业实现数字化转型、网络化协同、智能化变革。到2025年，规模以上制造业企业大部分实现数字化网络化，重点行业骨干企业初步应用智能化；到2035年，规模以上制造业企业全面普及数字化网络化，重点行业骨干企业基本实现智能化。因此，像港珠澳大桥这样的大型焊接工程，正在深度融合智能制造技术、数字化技术、网络化技术快速发展。

2 焊接结构件的核心界定

金属焊接可以两个分离的金属物体（常见板料、棒料或各种型材）连接成一体的连接方法。焊接结构件，就是使用焊接方法连接的金属结构件，这个金属结构件是个整体，具有一定的用途或功能。焊接结构件用途广泛，种类繁多。比如，按结构形式可分为梁类及梁系结构、柱类结构、格架结构、壳体结构、骨架结构、机器和仪器的焊接零件等等；按照结构的用途则可分为车辆结构、船体结构、飞机结构等等；根据焊件的材料厚度则可分为薄壁结构和厚壁结构；根据焊件的材料种类则可分为钢制结构、铝制结构、钛制结构等等。

3 焊接结构件的结构特点

焊接结构件有着独特的特点，主要有以下几方面：

①焊接结构的整体性强。由于焊接是一种金属原子间的连接，刚度大、整体性好，在外力作用下不会像其他机械连接那样因间隙变化而产生过大的变形，因此焊接接头的强度、刚度一般可达到与母材相等或相近，能够随基本金属承受各种载荷的作用。

②焊接结构的强度高、质量轻。焊接结构多采用轧材制造，承受冲击载荷能力强，且钢材比砖石、混凝土等建筑材料的强度要高出很多倍，应用现代焊接技术制造出的焊接接头，其强度高于母材。

焊接结构的零件或部件可以直接通过焊接方法进行连接，不需要附加任何连接件。与铆接结构相比，具有相同结构的质量可减轻10%～20%。

③焊接结构的安全性能高。由于钢材具有良好的塑性，在一般情况下，不会因偶然超载或局部超载造成突然断裂破坏，而是事先出现较大的变形预兆，以便采取补救措施。钢材还具有良好的韧性，对作用在结构上的动载荷适应性强，为焊接结构的安全使用提供了可靠保证。

在一定的应力范围内，钢材处于理想弹性状态，与工程力学所采用的基本假定较符合，故计算结果准确可靠，以确保焊接结构的安全使用。

④焊接结构的致密性好。由于焊缝的致密性，焊接结构能保证产品的气密性和水密性要求，这是锅炉、储气罐、储油罐等压力容器在正常工作时不可缺少的重要条件。

⑤焊接结构的经济效益好。焊接结构在使用一些型材时比轧制更经济。例如用宽扁钢与钢板焊成的大型工字钢（高度大于700mm）往往比轧制的型钢成本更低。

焊接结构生产一般不需要大型、特殊和昂贵的设备，投资少、见效快，容易适应不同批量产品的生产，产品更新换代快速方便，经济效益好。

4 基于UG软件的焊接结构件数字化设计方法

焊接结构件数字化设计流程主要包括单个焊接零件的数字化设计、焊接结构件的装配和焊缝的创建等三个步骤。这里单个焊接零件的数字化设计可以使用UG软件的建模模块和钣金模块进行三维模型设计，焊接结构件的装配可以使用UG软件的装配模块进行三维模型装配，焊缝的创建可以使用UG软件的焊接助理模块和结构焊接模块进行设计。这三个步骤中，前两个步骤可以参考机械零件的数字化设计方法，第三步焊缝的创建需要结合焊接工艺知识，这里重点介绍使用UG软件的焊接助理模块和结构焊接模块创建焊缝的方法。

4.1 单个焊接零件的数字化设计

UG软件提供了直线、矩形、圆、多边形、长方体、圆柱体、圆锥、球、拉伸、旋转、扫掠、孔等命令可以进行单个焊接零件的数字化设计。梁类、柱类、格架类、骨架类焊接结构件多数使用长方体、圆柱体命令创建出不同的板、管形零件。壳体焊接结构件多数使用旋转、扫掠、孔创建出不同的曲面壳体。如果单个零件的结构特别复杂比如大型发电机的叶片，需要使用曲面模块的命令，如直纹曲面、N边曲面、通过曲线组、通过曲线网格等命令创建曲面模型。多数是常见的单个焊接零件数字化设计如表1所示。

表1 常见的单个焊接零件数字化设计

4.2 焊接结构件的装配设计

UG软件提供了新建组件、添加组件、移动组件、装配约束、镜像装配、阵列组件、爆炸图等命令可以进行焊接结构件的装配设计。添加组件用于将单个零件的模型文件加载到装配模型中。移动组件是用于选择一个或多个要移动的组件，移动方式主要有通过约束、定义选定组件的移动距离、从选定点移到目标点、指定的XC、YC和ZC距离、按一定角度、两个坐标系的关系等等移动组件。装配约束是通过定义两个组件之间的约束条件来确定组件在装配体中的位置，常用的约束类型是接触对齐、距离、中心、平行、垂直等等。镜像装配对沿基准面对称分布规律的组件，实现快速装配相同零部件。阵列组件用于选择一个或多个要形成阵列的组件，常用阵列方式有矩形阵列、环形阵列等等。使用爆炸图命令可创建一个视图，在该视图中，选中的部件或子装配相互分离开来，以便用于图纸或图解。此命令以可见形式在爆炸图中对组件进行变换，并且不会更改组件的实际装配位置。常见的焊接结构件的装配设计如表2所示。

表2 常见的单个焊接零件数字化设计

4.3 焊缝的创建

常用的焊缝形式有对接焊缝、角焊缝、塞焊缝、槽焊缝和端接焊缝五种。UG软件提供了坡口焊、角焊、塞焊、槽焊、筋、填角焊等命令可以进行焊接结构件的焊缝设计。

4.3.1 对接焊缝的数字化设计方法

UG软件提供了坡口焊命令进行对接焊缝的数字化设计（如表3所示）。对接焊缝是在焊件的坡口面间或一零件的坡口面与另一零件表面间焊接的焊缝。坡口焊命令可以创建平头对接焊缝、V形对接焊缝、斜角对接焊缝、U形对接焊缝、J形对接焊缝、喇叭形对接焊缝、半喇叭形对接焊缝。焊缝的横截面可以设计成平面的、凸面的、凹面的。

表3 对接焊缝的数字化设计

4.3.2 角焊缝的数字化设计方法

UG软件提供了角焊命令进行角焊缝的数字化设计（如表4所示）。角焊缝是沿两直交或近直交零件的交线所焊接的焊缝。角焊缝的横截面可以是直角三角形或者斜边凸起的三角形。

表4 角焊缝的数字化设计

4.3.3 塞焊缝的数字化设计方法

UG软件提供了塞焊命令进行塞焊缝的数字化设计。塞焊缝是两零件相叠，其中一块开圆孔，在圆孔中焊接两板所形成的焊缝。焊缝的横截面有平齐、凸多面体、凹多面体等类型，根据实际需要填充不同类型横截面的焊缝。

4.3.4 槽焊缝的数字化设计方法

UG软件提供了槽焊命令进行槽焊缝的数字化设计。槽焊缝是两板相叠，其中一块开长孔，在长孔中焊接两板的焊缝。

4.3.5 异形焊缝的数字化设计方法

UG软件提供了筋命令进行异形焊缝的数字化设计（如表5所示）。筋命令通过路径和横截面创建实体。定义的横截面形状可以在任意数量的对象上沿路径扫掠以创建焊缝特征。

表5 异形焊缝的数字化设计

当不需要焊缝的实体表示时，使用UG软件的焊接接头命令，可以创建单独的焊接接头或创建作为组件的接头。更适合于轻量级连接创建焊接接头特征。

5 结束语

焊接结构件采用UG软件进行数字化设计方法的优势在于，充分运用UG软件的焊接助理和结构焊接等模块的主要命令，可以提高设计效率，预先发现组装问题，便于焊接工艺人员合理规划焊接工艺。