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1、 沈阳理工大学学士学位论文 学士学位论文三明治复合板材的虚拟制造摘 要因响应节能、环保的现代交通工具的设计要求，金属三明治结构件被广泛推广使用。三明治薄板在焊接成型过程中，板与板之间的连接可以采用多种形式，不同的接头形式会改变实际工程中的成本工作时间从而影响了其应用范围及质量，因此设计出合理的接头形式显得十分重要。本课题旨在选择三明治结构接头其中一种形式，然后采用绘图软件UG进行虚拟制造、并制作拼接方案。应用虚拟制造可加深人们对生产过程和制造系统的认识和理解，有利于对其进行理论升华，更好地指导实际生产。在虚拟制造与现实制造的相互影响和作用过程中，可以全面改进企业的组织管理工作，而且对正确作出决
2、策有不可估量的影响，及时发现问题并改进现实制造过程。虚拟制造技术的应用将加快企业人才的培养速度。关键字：金属三明治板材；焊接接头；UGIIAbstractIn response to the design requirements of energy-saving, environmental protection, modern means of transport, metal sandwich structure is used widely. Welded joint is a basic ingredient of a sandwich structure.The connectio
3、n between plates can be used in a variety of forms, different joint forms will change in the actual project cost work time which affects its application scope and quality, so to design a reasonable joint form is very important.The research will choose one of the sandwich structure joint forms, Then
4、using graphics software UG virtual manufacturing and produced splicing program. .Virtual manufacturing process can deepen the understanding of the production and manufacturing systems knowledge and understanding, To be conducive to its theory of sublimation, to better guide the actual production. In
5、 the process of mutual influence and role of virtual manufacturing and fabrication of reality, you can improve overall business organization and management, and has an immeasurable impact on the right to make decisions, to identify problems and to improve the reality of the manufacturing process. Vi
6、rtual manufacturing technology will accelerate the training speed of business professionals.Key words: Metal sandwich board;Welding joint;UGII目录1 绪 论11.1 三明治复合板材的发展1 1.2 虚拟制造技术21.2.1 概述31.2.2 虚拟制造技术的发展现状31.2.3 虚拟制造的特点与作用41.2.4 虚拟制造的主要研究内容51.2.5 虚拟制造的应用51.3 UG软件的介绍61.3.1 概述61.3.2 功能介绍61.3.3 主要模块介绍71.
7、4 UG安装方法91.5 UG安装问题及注意事项101.6 本课题研究方案112 三明治薄板结构尺寸122.1 三明治结构尺寸12 2.2 “I”型部分替代三明治结构尺寸133 三明治结构钢接头143.1 焊接接头的选用143.2 焊接接头的尺寸144 三明治薄板的虚拟制造154.1 三明治板材的三维图制造154.2 三明治板材单元板的模型建立18 4.3 装配及制作过程185三明治板材的拼接方案215.1 制定拼接方案215.2 实际问题236结论25致 谢26参考文献27附 录28IV1 绪 论1.1 三明治复合板材的发展随着社会的发展，火车、汽车、飞机、船舶等现代交通工具日益普及，给人们
8、生活带来极大便利，但对于交通工业来说，能源、环保及安全是其面临的三大课题。因此，减轻交通工具自重以降低能耗，减少环境污染，节约有限资源成为关注焦点，以汽车为例，研究表明，汽车自重每减少10%，燃油消耗可降低6%-8%1。因此，交通装备轻量化对于节约能源、减少排放、实现可持续发展战略具有十分积极的意义。相对于一般传统的纯钢板、铝板等面板材料，三明治结构，如图1.1所示。具有比强度高、抗冲击性能好、防腐、隔热、隔声和防辐射等优良性能，三明治材料的板材也具有减轻重量，减少占据空间，降低噪音和振动，增强防火安全性和热绝缘性，大大改善防撞击性，通过精确的预制降低制造成本，便于快速组装，通过板和接头的模块
9、制造可灵活的应用等优点，因此，三明治的普及和使用能大大降低材料的消耗及构件的重量，从而降低产品成本，提高经济效益2目前已经应用到航天、汽车、家电等领域。如汽车油底壳的应用、洗衣机电机罩、摩托车发动机罩等。随着三明治板的应用范围不断扩大，其焊接日益引起人们的关注。三明治结构具有比强度高、抗冲击性能好、防腐、隔热、隔声和防辐射等优良性能，在船舶结构制造中有着广阔的应用前景。I型三明治结构因其横向和纵向都具有较佳的比刚度，且容易制造，所以更适用于船舶结构。能够使船舶舱壁具有更高强度，更加节省材料等优点2。图1.1 金属三明治结构正是由于三明治板在力学性能和节约材料上的优势，三明治板焊接接头在焊接机构
10、中的应用也是十分的广泛的，如船舶、汽车等领域。相对于其他的工业领域而言，三明治薄板在船舶工业多采用薄板材料，因此薄板要依靠自身的固有刚度来抵抗由于焊接局部加热引起的收缩力，进而产生残余应力和应变。常见的焊接变形有: 横向变形、纵向变形、收缩变形，角变形，弯曲变形和波浪变形,其中波浪变形最难修正。而这种焊接应力和应变破坏了薄壁焊接构件的几何完整性和尺寸精度，这一特点影响着用薄板设计部件，也限制传统熔焊方法的使用。随着科技发展，焊接技术不断创新提高。然而，焊接本身是一复杂的物理化学过程，涉及了电弧物理、传质传热、冶金和力学的复杂过程，单纯采用理论和试验的方法,很难准确的解决生产实际问题，只能做定性
11、的分析。但随着计算机软硬件技术的发展引发的虚拟制造技术的热潮，又给我们提供了新的分析方法“虚拟制造技术”。借助建模与仿真技术及时地、并行地、模拟出产品未来制造过程乃至产品全生命周期的各种活动对产品设计的影响，预测、检测、评价产品性能和产品的可制造性等等。从而更加有效地、经济地、柔性地组织生产，增强决策与控制水平，有力地降低由于前期设计给后期制造带来的回溯更改，达到产品的开发周期和成本最小化、产品设计质量的最优化、生产效率的最大化3。1.2 虚拟制造技术随着计算机技术的迅猛发展，虚拟现实环境的完善，虚拟制造已能对加工制造过程进行虚拟仿真。虚拟制造技术主要给人提供视觉、听觉信息，达到“所见即所得”
12、的效果。也就是说在计算机上看到的3D图形、制造过程将分别是现实制造出的实物、现实的制造过程3。虚拟制造是实际制造过程在计算机上的本质实现，即采用计算机仿真与虚拟现实技术，在计算机上群组协同工作，实现产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，以及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程，以增强制造过程各级的决策与控制能力。虚拟制造技术的广泛应用将从根本上改变现行的制造模式，对相关行业也将产生巨大影响，可以说虚拟制造技术决定着企业的未来，也决定着制造业在竞争中能否立于不败之地。1.2.1 概述在当今经济全球化、贸易自由化和社会信息化的形势下，制造业的经营战略发生了很大变化，在3060
13、年代企业追求的是规模效益，如：美国福特汽车公司、通用汽车公司相继采用刚性流水线进行大批量生产；70年代更加重视降低生产成本，如：日本丰田公司采用准时化生产；80年代提高产品质量成为主要目标；20实际90年代中期有许多新概念、新观点应运而生，虚拟制造就是其中之一，它代表了一种全新的制造体系和模式。在虚拟制造中，铲平开发是基于数字化的虚拟产品开发方式，以用户的需求为第一驱动，并将用户需求转化为最终产品的各种功能特征。保证了产品开发的效率和质量，提高了企业的快速响应和市场开拓能力。一般来说，虚拟制造的研究都与特定的应用环境和对象相联系，由于应用的不同要求而存在不同的侧重点，因此出现了三个流派，即以设
14、计为中心的虚拟制造、以生产为中心的虚拟制造和以控制为中心的虚拟制造4。1.2.2虚拟制造技术的发展现状虚拟制造在工业发达国家，如美国、德国、日本等已得到了不同程度的研究和应用，美国处于国际研究的前沿。1983年美国国家标准局提出了“虚拟制造单元”的报告；1993年爱荷华大学的报告“制造技术的虚拟环境”中提出了建立支持虚拟制造的环境；1995年美国标准与技术研究所的报告“国家先进制造实验台的概念设计计划”，强调了分散的、多节点的分散虚拟制造（DVM），即虚拟企业的概念。美国已经从虚拟制造的环境和虚拟现实技术、信息系统、仿真和控制、虚拟企业等方面进行了系统的研究和开发，多数单元技术已经进入实验和完
15、善的阶段。我国在虚拟制造技术方面的研究只是刚刚起步，其研究也多数是在原先的CADCAECAM和仿真技术等基础上进行的，目前主要集中在虚拟制造技术的理论研究和实施技术准备阶段，系统的研究尚处于国外虚拟制造技术的消化和与国内环境的结合上。 当前我国虚拟制造应用的重点研究方向是基于我国国情的产品三维虚拟设计、加工过程仿真和产品装配仿真，主要是研究生成可信度高的虚拟样机，在产品设计阶段能够以较高的置信度预测所设计产品的最终性能和可制造性。我国在虚拟现实技术、建模技术、仿真技术、信息技术、应用网络技术等单元技术等方面的研究都很活跃，但研究的进展和研究的深度还属于初期阶段与国际的研究水平尚有很大的差距，多
16、集中于高等院校和少量的研究院所，没有形成产业化.5。1.2.3 虚拟制造的特点与作用虚拟制造是集计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)和计算机辅助工艺设计(CAPP)于一体的技术，它是在计算机中完成制造过程的。正因为如此，虚拟制造具有下述主要特点。 虚拟制造的制造模型是一个计算机模型，完成这一制造过程的主要工作集中在模型的建立过程上，一旦这个模型建立完成，就可以不断与之进行交互，模拟各种情况的生产和制造过程。模型的可反复修改性是虚拟制造过程有别于实际制造过程的一个最主要的特点，也正是这一特点使得虚拟制造可以根据不同情况快速的更改设计、工艺和生产过程，从而大幅度压缩新产品的开发时间，
17、提高制造质量，降低成本。 虚拟制造的另一个特点是它可以是分布式的，完成虚拟制造的人员和设备在空间上可以是相互分离的，不同地点的技术人员可以通过网络来协同完成同一个虚拟制造过程。 此外，虚拟制造还可以是一个并行的过程，产品设计、加工过程和装配过程的仿真可以同时进行，大大加快了产品设计过程，减少新产品的试制时间。虚拟制造也可以对想象中的制造活动进行仿真，它不消耗现实资源和能量，所进行的过程是虚拟过程，所生产的产品也是虚拟的。虚拟制造技术的应用将会对未来制造业的发展产生深远影响，它的重大作用主要表现为：1、运用软件对制造系统中的五大要素（人、组织管理、物流、信息流、能量流）进行模拟驾驶室全面仿真，使
18、之达到了前所未有的高度集成，为先进制造技术的进一步发展提供了更广大的空间，同时也推动了相关技术的不断发展和进步。2、可加深人们对生产过程和制造系统的认识和理解，有利于对其进行理论升华，更好地指导实际生产，即对生产过程、制造系统整体进行优化配置，推动生产力的巨大跃升。3、在虚拟制造与现实制造的相互影响和作用过程中，可以全面改进企业的组织管理工作，而且对正确作出决策有不可估量的影响。例如：可以对生产计划、交货期、生产产量等作出预测，及时发现问题并改进现实制造过程。4、虚拟制造技术的应用将加快企业人才的培养速度。我们都知道模拟驾驶室对驾驶员、飞行员的培养起到了良好作用，虚拟制造也会产生类似的作用。例
19、如：可以对生产人员进行操作训练、异常工艺的应急处理等4。1.2.4 虚拟制造的主要研究内容虚拟制造技术的研究内容是极为广泛的4，除了虚拟现实技术涉及的共同性技术外，虚拟制造领域本身的主要研究内容有：1、虚拟制造的理论体系；2、设计信息和生产过程的三维可视化；3、虚拟制造系统的开放式体系结构；4、虚拟产品的装配仿真；5、虚拟环境中及虚拟制造过程中的人机协同作业等。1.2.5 虚拟制造的应用虚拟制造在工业发达国家,如美国、德国、日本等已得到了不同程度的研究和应用。在这一领域,美国处于国际研究的前沿。福特汽车公司和克莱斯勒汽车公司在新型汽车的开发中已经应用了虚拟制造技术,大大缩短了产品的发布时间。波
20、音公司设计的777型大型客机是世界上首架以三维无纸化方式设计出的飞机。它的设计成功已经成为虚拟制造从理论研究转向实用化的一个里程碑。在我国,清华大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等科研教学单位也已经开展了这一领域的研究工作。当前我国虚拟制造应用的重点研究方向是基于我国国情,进行产品的三维虚拟设计、加工过程仿真和产品装配仿真,主要是研究如何生成可信度高的产品虚拟样机,在产品设计阶段能够以较高的置信度预测所设计产品的最终性能和可制造性。在对产品性能具有高科技含量要求的行业中,如航空航天、军事、精密机床、微电子等领域,随着研究的不断深入和相关技术的发展,虚拟制造必将得到日益广泛的应用。企业要实现
21、虚拟制造，应分阶段逐步进行，而不能随意超越。 首先，要建立企业网和工程数据库，初步实现CAD、CAPP、CAM功能；第二，进行信息集成，推行PDM技术、特征建模技术，形成CAD、CAPP、CAM的集成系统；第三，在设计、工艺、制造部门建立统一的产品模型，初步实现并行工程，进一步将MIS、MRPII与CAD/CAM系统进行集成，实现整个企业内部的信息集成，全面实现并行工程；第四，在上述工作的基础上，对企业内的生产、经营等多方面的活动进行建模、仿真，实现虚拟制造5。1.3 UG软件的介绍UG（Unigraphics NX）是Siemens PLM Software公司出品的一个产品工程解决方案，它
22、为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。Unigraphics NX针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求，提供了经过实践验证的解决方案。UG同时也是用户指南（user guide）和普遍语法（Universal Grammer）的缩写。UG的开发始于1969年，它是基于C语言开发实现的。UG NX是一个在二和三维空间无结构网格上使用自适应多重网格方法开发的一个灵活的数值求解偏微分方程的软件工具。其设计思想足够灵活地支持多种离散方案。因此软件可对许多不同的应用再利用。UG的目标是用最新的数学技术，即自适应局部网格加密、多重网格和并行计算，为复杂应用问题的求解提供一个灵活的可再使用
23、的软件基础。1.3.1 概述UG是Unigraphics的缩写，这是一个交互式CAD/CAM(计算机辅助设计与计算机辅助制造)系统，它功能强大，可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构。它在诞生之初主要基于工作站，但随着PC硬件的发展和个人用户的迅速增长，在PC上的应用取得了迅猛的增长，已经成为模具行业三维设计的一个主流应用6。1.3.2 功能介绍作为一个主流的应用，自然拥有强大的功能6，其分为： 1、工业设计NX为那些培养创造性和产品技术革新的工业设计和风格提供了强有力的解决方案。利用 NX建模，工业设计师能够迅速地建立和改进复杂的产品形状， 并且使用先进的渲染和可视化工具来最大限度地满足设计概
24、念的审美要求。 2、产品设计NX 包括了世界上最强大、最广泛的产品设计应用模块。 NX 具有高性能的机械设计和制图功能，为制造设计提供了高性能和灵活性，以满足客户设计任何复杂产品的需要。 NX 优于通用的设计工具，具有专业的管路和线路设计系统、钣金模块、专用塑料件设计模块和其他行业设计所需的专业应用程序。 3、仿真、确认和优化NX 允许制造商以数字化的方式仿真、确认和优化产品及其开发过程。通过在开发周期中较早地运用数字化仿真性能，制造商可以改善产品质量，同时减少或消除对于物理样机的昂贵耗时的设计、构建，以及对变更周期的依赖。 4、NC加工UG NX加工基础模块提供联接UG所有加工模块的基础框架
25、，它为UG NX所有加工模块提供一个相同的、界面友好的图形化窗口环境，用户可以在图形方式下观测刀具沿轨迹运动的情况并可对其进行图形化修改：如对刀具轨迹进行延伸、缩短或修改等。该模块同时提供通用的点位加工编程功能，可用于钻孔、攻丝和镗孔等加工编程。该模块交互界面可按用户需求进行灵活的用户化修改和剪裁，并可定义标准化刀具库、加工工艺参数样板库使初加工、半精加工、精加工等操作常用参数标准化，以减少使用培训时间并优化加工工艺。UG软件所有模块都可在实体模型上直接生成加工程序，并保持与实体模型全相关。UG NX的加工后置处理模块使用户可方便地建立自己的加工后置处理程序，该模块适用于目前世界上几乎所有主流
26、 NC机床和加工中心，该模块在多年的应用实践中已被证明适用于25轴或更多轴的铣削加工、24轴的车削加工和电火花线切割。 5、模具设计UG是当今较为流行的一种模具设计软件，主要是因为其功能强大。模具设计的流程很多，其中分模就是其中关建的一步。分模有两种：一种是自动的，另一种是手动的，当然也不是纯粹的手动，也要用到自动分模工具条的命令，即模具导向。1.3.3 主要模块介绍1、UG入口这个模块是UG的基本模块，包括打开、创建、存储等文件操作;着色、消隐、缩放等视图操作;视图布局;图层管理;绘图及绘图机队列管理;空间漫游，可以定义漫游路径，生成电影文件;表达式查询;特征查询;模型信息查询、坐标查询、距
27、离测量;曲线曲率分析;曲面光顺分析;实体物理特性自动计算;用于定义标准化零件族的电子表格功能;按可用于互联网主页的图片文件格式生成UG零件或装配模型的图片文件。2、UG/Solid ModelingUG实体建模提供了草图设计、各种曲线生成、编辑、布尔运算、扫掠实体、旋转实体、沿导轨扫掠、尺寸驱动、定义、编辑变量及其表达式、非参数化模型后参数化等工具。3、UG特征建模UG特征建模模块提供了各种标准设计特征的生成和编辑、各种孔、键槽、凹腔- 方形、圆形、异形、方形凸台、圆形凸台、异形凸台、圆柱、方块、圆锥、球体、管道、杆、倒圆、倒角、模型抽空产生薄壁实体、模型简化(Simplify)，用于压铸模设
28、计等、实体线、面提取，用于砂型设计等、拔锥、特征编辑：删除、压缩、复制、粘贴等、特征引用，阵列、特征顺序调整、特征树等工具。4、UG自由曲面建模UG具有丰富的曲面建模工具。包括直纹面、扫描面、通过一组曲线的自由曲面、通过两组类正交曲线的自由曲面、等距或不等距偏置、曲面裁减、编辑、点云生成、曲面编辑。5、UG用户自定义特征UG/User Defined Feature用户自定义特征模块提供交互式方法来定义和存储基于用户自定义特征(UDF)概念的，便于调用和编辑的零件族，形成用户专用的UDF 库，提高用户设计建模效率。 6、UG工程绘图UG工程绘图模块提供了自动视图布置、剖视图、各向视图、局部放大
29、图、局部剖视图、自动、手工尺寸标注、形位公差、粗糙度符合标注、支持GB、标准汉字输入、视图手工编辑、装配图剖视、爆炸图、明细表自动生成等工具。7、UG装配建模UG的装配建模可以进行零件的关联设计，更好的实现模型的建立过程表示。8、UG高级装配UG高级装配模块增加产品级大装配设计的特殊功能;允许用户灵活过滤装配结构的数据调用控制;高速大装配着色;大装配干涉检查功能;管理、共享和检查用于确定复杂产品布局的数字模型，完成全数字化的电子样机装配;9、UG钣金设计UG钣金设计模块可实现如下功能：复杂钣金零件生成;参数化编辑;定义和仿真钣金零件的制造过程;展开和折叠的模拟操作;生成精确的二维展开图样数据;
30、展开功能可考虑可展和不可展曲面情况，并根据材料中性层特性进行补偿。10、UG有限元前后置处理UG有限元前后处理模块可完成如下操作：全自动网格划分;交互式网格划分;材料特性定义;载荷定义和约束条件定义;NASTRAN接口;有限元分析结果图形化显示;结果动画模拟;输出等值线图、云图;进行动态仿真和数据输出。11、UG/FEA(UG有限元解算器UG有限元可进行线性结构静力分析、线性结构动力分析、模态分析等操作。 UG/ANSYS Interface(UG/ANSYS软件接口)UG/ANSYS软件接口完成全自动网格划分、交互式网格划分、材料特性定义、载荷定义和约束条件定义、ANSYS接口、有限元分析结
31、果图形化显示、结果动画模拟、输出等值线图、云图。12、UG加工基础UG加工基础模块在图形方式下观测刀具沿轨迹运动的情况、进行图形化修改，以减少使用培训时间并优化加工工艺。 13、UG/Post Builder 加工后置处理UG/Post Execute和UG/Post Builder共组成了UG加工模块的后置处理。UG的加工后置处理模块使用户可方便地建立自己的加工后置处理程序。1.4 UG安装方法以下安装方法以UG6.0为例6：1.打开软件安装目录，双击打开Launch.exe2. 选择第2项“Install License Server安装3.在这里可以选择安装介面的语言。默认为中文简体。4
32、. 在安装过程中会提示你寻找license文件，点击NEXT会出错,这时使用浏览(Browse)来找到你硬盘MAGNiTUDE文件夹下的nx6.lic文件就可以了。继续安装直到结束,目录路径不要改变。5. 选择第2项“Install NX进行主程序安装。6. 直接点击下一步。并选择典型方式安装,下一步,会出现语言选择画面,请选择 Simplified Chinese(简体中文版),默认为英文版。按提示一步一步安装直到结束。安装路径可以改变。7.打开MAGNiTUDE文件夹。8. 进入MAGNiTUDE文件夹，把UGSNX6.0文件夹复制到安装NX6.0主程序相应的目录下，覆盖。假如安装到D:P
33、rogram FilesUGSNX 6.0 把NX6.0文件夹内的文件逐个复制到D:Program FilesUGSNX 6.0文件夹相应的文件进行覆盖就可以。9. 进入开始-程序-UGS NX6.0-NX6.0打开6.0程序。我在安装时选的是英文版。注：如果打不开，请按以下步骤操作 进入开始-程序-UGS NX6.0-NX6.0许可程序，打开lmtools,启动服务程序。选择Start/stop/reread，点一下Stop Server， 再点Start Server，最下面一行显示Server Start Successful. 就OK，然后打开桌面NX6.0。1.5 UG安装问题及注意
34、事项NX许可证错误，NX要求正确配置环境变量UGS-LICENSE-SERVER，可将其设置为NX许可证服务器的值porthostname. 或者将其设置为直接指向许可证文件。默认情况下，其格式为28000serverName. （软件版本不一样，这里可能是27000serverName）错误原因：UG软件两个插件lmgrd.exe 和ugslmd.exe会在后台运行。插件负责与运营商的直接联系，关闭后运行UG会被默认为盗版而出现许可证错误从而要求配置环境变量。一般安装的杀毒软件如果防护等级过高该两个插件会被自动关闭。在看一下的解决方法之前，请先确保您的安装方法是完全正确的。解决方法如下：1
35、暂时推出杀毒软件（360或金山系列的安全软件常出现此类问题）2 重新安装一下UG的许可证文件或者直接手动配置许可证文件，配置方法，请参考：UG的许可证文件配置教程3 设置安全软件，将lmgrd.exe 和ugslmd.exe设置为安全程序，如360的开机启动项：1.6 本课题研究方案本课题以三明治薄板为研究对象，利用虚拟制造技术指导实际生产。首先查阅资料，清楚三明治板的结构形式，按照设计要求和可行性选择出金属三明治结构焊接接头的形式，然后利用UG进行三维建模，根据三维模型设计拼接方案来指导实际焊接工作。最后将虚拟制造与实际操作相结合，互相指导，从模拟中找到更好的接头形式，从实际中修改模拟中出现
36、的错误，进行创新设计，以此来完善焊接接头。2 三明治薄板结构尺寸2.1 三明治结构尺寸1、 根据设计要求需长为8080mm，宽为2200mm的金属三明治整板，三明治结构立板为68个成等间距分布，厚度为3mm，间距120mm。如图2.1所示：图2.1 金属三明治整板2、三明治薄板的结构为了满足比强度及重量等要求，其结构参数需符合一定要求。三明治板材各个部分示意图如图2.2所示。本课题所采用的金属三明治结构由三明治单元板拼接而成，所以金属三明治单元板盖板厚度为2mm，三明治板单元宽度为2500mm，三明治单元板长度3000mm，三明治单元板立板高度为117.8mm，立板间距为120mm，三明治单元
37、板立板厚度为3mm。 图2.2 三明治板材各部分示意图2.2“I”型部分替代三明治结构尺寸采用“I”型三明治结构完全代替原整体结构后，在计算到等重的条件时盖板和芯板的厚度已经比较薄，同时此时芯板的高度已经远远大于芯板的间距，达到了144mm，相关文献无类似设计出现。如达到减重20%的效果，需继续增加芯板的高度，并减小盖板和芯板的厚度，在生产上存在一定的难度8。根据相关文献，在进行三明治结构进行替代原有船舶承重结构时，也可采用部分替代的方式，因此本次设计不考虑中间对称轴进行了设计和计算。采用三个立板设计理念，在实际工件焊接中也采用此种形式代替真正的三明治复合板材，这样做既可以表达出设计形式，还可
38、以图1为“I”型部分替代三明治结构尺寸主视图示意图。图2.3 分别为“I”型部分替代三明治结构尺寸主视图、俯视图本文主题为采用虚拟指导实际，而实际板材成轴对称形状，所以在虚拟制造过程中只需将其用上述形状代替，不仅在虚拟制造上简化了工件，而且没有影响实际操作中的每一道工序。这也是虚拟制造中的一种方法。3 三明治结构钢接头3.1 焊接接头的选用金属三名整板需要由若干三名单元板拼接而成，故金属三明治单元板单面焊横向接头、单面焊纵向接头均选用如图3.1所示。通过组员的讨论，以及导师指导下，查阅相关文献在常用的接头形式中选用如下图的焊接接头，此种接头不仅避免了焊接的两面工序，而且焊接结束后焊缝美观、质量
39、好。节省时间、人力。图3.1 接头形式3.2 焊接接头的尺寸 此种接头形式是由下底板边缘垂直向上弯曲九十度并同时与上盖板延长形成接头连接处，在与接头焊接形成一块完整的三明治板材。如上图所示，经过正交最优组试验法计算出了各部分的具体尺寸。下底板弯曲部分与最边缘立板之间距离d为30mm，焊接接头宽度d1为10mm，上盖板延长Dd约为10mm，焊接接头厚度为5mm。各个尺寸经过组员有限元分析、正交最优组实验得出结果，且可行有效。4 三明治薄板的虚拟制造4.1 三明治板材的三维图制造金属夹层结构是一类由金属上、下面板以及诸如波纹型、蜂窝型、桁架型等金属夹芯，通过激光焊接技术连接成一个整体的夹层结构。实
40、际工程中，按要求设计的板材需要一块块焊接起来，所以为方便焊接以及更好的便于操作，在焊接接头处设计了交错接头焊接的方式8。三明治复合板材（三明治单元板300025002mm 立板25003117.8mm可裁剪）纵焊缝和横焊缝均采用第二种接头形式进行连接，为避免四块板材中心处出现十字焊接处，故采用如左图焊接方式即交错焊接方法。此种接头的三维模型及横焊缝（纵焊缝）的三维主视图，模型创建由UG绘制完成。步骤如下：1、 打开UG，新建“model1.prt”。以X/Y基准平面创建草图，绘制一个长3000mm，宽2500mm的矩形，在进行“拉伸”命令，向Z轴方向拉伸2mm，如图4.1所示： 图4.1 创建
41、三明治单元板底板2、 以坐标原点延Z轴方向距X/Y平面2mm创建基准平面，然后以基准平面创建草图绘制立板三维模型，分别以（30，30）、（1250，30）、（2470，30）为基点创建长度为2940mm宽度为3mm的矩形，点击完成草图，进行拉伸命令，延Y轴拉伸117.8mm，如图4.2所示：图4.2 立板创建 3、创建基准平面，插入草图，按照上述方法绘制上盖板，三明治单元板基本成型，如图4.3所示：图4.3 部分单元板创建完成4、 以Z/Y轴为基准平面创建草图，绘制焊接接头部分，进行拉伸命令沿X轴拉伸2500mm形成横焊缝，纵焊缝也按照上述方法，最后整体“求和”。如图4.4所示：图4.4 部分
42、焊接接头、单元板绘制完成5、 最后将剩下三个单元板按照上述方法进行三维模型创建，最后三明治板材成型，如图4.5所示：图4.5 三明治板材整体的三维模型 此种接头是由下底板向上垂直弯曲与上顶板延长形成空隙再将接头与其连接形成完整的一块板材，与另一块板材用力拼接，这种焊接接头的最大优点是无需上下面焊接，而且只有一道焊缝，整齐美观节省工时同时便于施工中操作完成。下图为接头和板材的三维模型。 图4.2 部分接头和单元板的三维模型图4.3 纵焊缝、横焊缝主视图4.2 三明治板材单元板的模型建立三明治板材整版实际拼接过程需要使用软件预先进行三维模拟建模，因此以上的模型建立均为整版装配打下基础。使用UG对每
43、个部件（part）进行单独制作，然后进行装配，再根据三维模型建立及装配过程中的动作应用到实际操作中，所谓UG装配模块中，创建组件，然后运用爆炸图等功能完成简单动作，再将每个动作进行编辑、加工、修饰，最后完成三明治整板的三维模型建立。不仅可以将焊接接头与单板的连接方法及整板拼接的形式清晰地表达出来。4.3 装配及制作过程由于单个板材在三维模型建立中已经完成，为指导实际操作需要将焊接接头与单个板材装备配起来，然后将四块板材拼接成整版。步骤如下：1、 首先添加组件（以整板的第一块板为例），然后选择组件将上述画好的组件添加到装配中，通过“绝对原点”命令加入一个主体，然后“确定”。如图4.6所示：图4.
44、6 选择组件、通过命令添加组件2、 接下来按照上面的方法添加第二个组件“焊接接头”。注意此时要使用“通过约束”来将纵焊缝的焊接接头添加到板材的纵焊缝处。如图4.7所示：图4.7 焊接接头的添加3、 在将焊接接头添加到板材上时，会出现约束选择不正确的情况，这里需要反复尝试并多次选择已达到合适的装配。本次装配过程中使用“通过约束接触对齐距离”的约束方法来完成装配焊接接头和板材的装配如图4.8所示：图4.8 接头与板材装配 4、 将横向接头按照上述方法装配到板材中，点击“应用”，此时单个板材整体已经装配完成（一个三明治复合板材附加焊接接头）。5、按照上述方法分别将2、3、4号板装配到1号板上。如图4
45、.11所示：图4.11 完成装配 以上为复合板材整板装配过程的UG制作过程。运用软件对制造系统中的五大要素（人、组织管理、物流、信息流、能量流）进行全面仿真。可加深人们对生产过程和制造系统的认识和理解。更体现了虚拟制造不管在实际操作还是理论设计上的重要作用。三维模型装配过程中发现板材对角处形成四分之一正方形形状空缺。在实际操作中需要解决。进行三维模型的装配主要目的是更好地了解内部结构和复合板材在实际焊接中需要注意的问题以及更好的为下一步制作方案提供素材。5三明治板材的拼接方案 根据虚拟制造技术，可以提供关键的设计和管理决策对生产成本、周期和能力的影响信息，以便正确处理产品性能与制造成本、生产进
46、度和风险之间的平衡，作出正确的决策；提高生产过程开发的效率，可以按照产品的特点优化生产系统的设计；通过生产计划的仿真，优化资源的利用，缩短生产周期，实现柔性制造和敏捷制造；可以根据用户的要求修改产品设计，及时作出改正和问题发现10。虚拟制造及实际操作相结合，对产品的设计、生产过程统一建模，在计算机上实现产品从设计、加工和装配、检验、使用整个生命周期的模拟和仿真。在进行完三维建模后，设计者已经可以更好地理解本课题复合板材的外观、尺寸等各部分信息，从而在工厂实际操作中，可以以此进行工艺制定、焊前准备、工件各部分下料、焊接、工件成形、焊后处理等实际操作工序。5.1 制定拼接方案在进行实际操作之前，需要制定拼接方案、焊接工艺参数等必要的焊前准备。1、 初步制定复合板材拼接方案，由于此种焊接接头的选用是由下底板向上弯曲与上盖板形成焊缝。所以在初步下料时应在板材纵向边缘裁剪0.4m，同时在横向边缘裁剪0.35m，板材拐角处形成一个长度0.4m宽度0.35m的矩形，在实际加工中向上弯曲以便与上盖板形成焊缝，如图5.1所示： 图5.1 下底板下料方案2、 下底板处理完成后，通过特殊处理将边缘向上曲折形成所要求的形状，目的为与上盖板延长形成焊接接头一部分，在与街头另一部分形成三明治单元板接头，如图5.