焊接作为一门涉及材料冶金、力学、传质传热、物理及化学等多学科的复杂工艺技术，对其本质及现象的研究一直是该领域的热点，由于传统试验技术很难全方位描述焊接现象的本质，使得模拟仿真技术越来越受到人们的青睐，其通过对于实际的焊接数理过程进行抽象、建模、简化，经由数值计算及模拟获得相关的物理现象规律，实现了焊接过程及接头性能的宏微观分析，揭示了相关的物理本质，实现了材料、焊接过程以及结构的模拟。现代计算机硬件和软件能力的飞速发展为高性能、大规模数值模拟研究提供了前所未有的条件，数值模拟作为科学及工程设计中的三个基本研究手段之一，其重要性愈加显著。
2024年初，承担了本期“焊接虚拟仿真”专刊的主编工作，通过半年多的约稿、审稿、再审等工作，筛选了16篇文章作为本期文章，论文涉及手工电弧焊、非熔化极气体保护电弧焊、熔化极气体保护电弧焊、埋弧焊、激光焊、点焊、扩散焊等诸多焊接方法；关注到了凝固结晶、晶界形貌、裂纹敏感性、熔核生长、材料流动等冶金问题；展示了焊接应力变形控制、材料本构、焊接缺陷扩展、接头疲劳评估等焊接力学行为；也对于目前领域热点诸如多尺度仿真、数字孪生、增材制造、全生命周期仿真与预测等进行了讨论，期待本期论文对于读者有一定的启发。
在此感谢《电焊机》杂志社的金顺捷主编，感谢其信任与邀请；感谢南昌航空大学柯黎明教授在1996年引领我进入了这个领域；感谢哈尔滨工业大学方洪渊教授在我读博及在哈工大工作期间提供的诸多指导与实践机会，使我得以对这个领域有了进一步的理解与认识；亦感谢本领域的专家同行多年的帮助与指导；感谢本期的所有作者的支持。
本文参考文献引用格式：郑文健，冯道臣，李仁厚，等.基于数字孪生的核电关键结构全周期制造焊接变形预测［J］.电焊机，2024，54（8）：1-7. DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2024.08.01.
摘要
基于数值模拟方法精确预测大型复杂焊接结构制造过程的变形一直是焊接工程领域的难点。而具备数化—虚拟模型，互动—虚拟现实信息交互，先觉—现实数据背后隐藏知识，先知—精确预测四大特征的数字孪生技术，具备更高维度处理焊接工程问题的能力，且其范畴涵盖数值模拟方法，因而可在超大型复杂焊接结构变形控制中予以借鉴。文中以四代核电关键结构堆顶固定屏蔽结构为研究对象，制定基于数字孪生的技术路线。通过焊接制造试验及数值模拟等方法研究相关结构焊接变形量及规律，实现数字孪生四大特征，最终达到定量预测实际堆顶固定屏蔽结构的焊接变形的目的，为其结构设计优化及焊接变形控制措施提供理论及试验基础。结果表明，堆顶固定屏蔽实际结构制造的实际焊接变形与数字孪生技术预测结果达到毫米级定量吻合，证明数字孪生技术可降低基于数值模拟方法预测超大型焊接结构变形的不确定性，进一步提升变形预测精度。
关键词
数字孪生；大尺寸核电结构；数值模拟；焊接变形
焊接工程领域中，大型复杂结构的焊接制造具有形状尺寸大、焊缝分布复杂以及总填充金属量大等特点，以理论或者经验的方法精确预测及控制焊接变形难度较大。现代计算机硬件和软件能力的发展促使焊接过程数值模拟成为解决该问题的重要手段。然而，焊接工程建模及数值模拟存在诸多不确定性问题［1］，影响其预测复杂焊接结构制造过程变形的精度。尤其是焊接结构尺寸变大、焊缝数量剧增时，数值模拟过程中的误差会被放大，从而影响最终计算结果的精度，乃至准确性。目前常规方法是通过试验校核的方法规范计算模型，但是接头级试样或者单条缝的试验校核远不能体现大型复杂焊接结构的特性，更多的是依靠建模及操作者的经验提升数值模拟结果的准确性。
数字孪生技术能够实现智能生产线物理模型和虚拟模型（即仿真模型）的融合与迭代优化，其典型要素之一是仿真模型对物理设备的高度仿真。数字孪生概念具有开放性，不同领域的解释不尽相同。在焊接工程的应用中，数字孪生技术也开始了尝试［2-5］。其中，在解决大型复杂焊接结构变形预测难题时，其具备基于数值模拟技术焊接计算的特征，即基于现实映射的数字化模型（焊接结构及制造过程建模）、虚拟现实交互（试验校核）、知识库（计算过程数据、多物理场数据、应力变形规律等）、先知性（预测焊接结构应力分布与变形）。可以看出，数字孪生技术范畴涵盖数值模拟计算，但更强化其自身的四大特征。因而，面对大型复杂焊接结构制造变形预测时，借鉴数字孪生技术，补齐传统数值模拟技术短板，可实现精确制造的目的。
大型核电结构因其尺寸大，焊接工作量大，制造成本和精度要求高，焊接变形精确预测一直是焊接工程领域攻关的重点［6-9］。本研究以四代核电关键结构堆顶固定屏蔽结构为研究对象，借助数字孪生技术思想，结合试验和数值模拟方法，精确预测实际全尺寸结构的焊接变形。从而实现固化制造工艺、制定有效焊接变形控制措施的目的，为实际产品设计、施工提供依据。
研究对象为四代核电堆顶固定屏蔽结构，材质为SA516，结构如图1a所示。其为封闭状环形多段箱体结构，外径约20m，自重约1000t，为全拼焊结构，厚壁尺寸为50~100mm，焊缝金属净填充量5t。
由于单体结构尺寸过大，采用分段制造后组焊的制造方式。制造过程如下：首先进行4个扇形分体的单体制造，均由板材拼装焊接而成，然后分别进行单体整体热处理；将4个单体组装成一个整体，组装焊缝进行局部热处理；最后将箱体盖板以及筒形结构等附件装焊，形成堆顶固定屏蔽整体结构。制造流程示意如图1b所示。
基于数值模拟技术预测焊接结构变形时，虽然具有通过温度场、残余应力和变形等试验结果校核接头级计算模型的步骤，然而这并不是严格意义上的虚拟与现实模型信息交互。这是因为：一方面，接头级焊接试板试验仅用于单向提供仿真模型实现可靠计算的基本条件，计算过程并未与实际焊接过程提供信息；另一方面，大尺寸结构仿真计算时，不存在现实模型，也没有出现信息交互，从而导致虚拟制造仿真模拟结果不可控，无法精确预测焊接变形，且结构尺寸越复杂，焊缝数量越多，数值模拟先知能力越差。
因此，本研究借助数字孪生技术思想，基于其四大基本特征，确定本研究技术路线，如图2所示，具体如下：（1）根据堆顶固定屏蔽结构形式及制造工艺设计，确定典型焊接接头结构（覆盖接头形式、板厚尺寸、焊接方式、坡口）；（2）分别对多种典型接头进行焊接工艺评定试验以及相应的热处理试验，测量多种典型接头试样的焊接残余应力分布及焊接变形分布，基于固有应变有限元法进行焊接过程模拟，获得焊接试样变形结果，根据试验结果校核有限元模型，确定各类典型焊接接头的固有应变；（3）进行堆顶固定屏蔽结构缩比论证，确定缩比模拟件尺寸及制造工艺；（4）按照上述制造工艺，同步进行缩比模拟件焊接制造（现实试验模型）和虚拟仿真制造（虚拟数字化模型），同时建立边界条件、物理场数据等信息交互；（5）分析交互信息，形成多物理场焊接制造演变规律，大尺寸焊接结构制造/虚拟制造规范等知识；（6）采用所形成的知识，针对全尺寸堆顶固定屏蔽实际结构，进行焊接制造过程的数值模拟，预测焊接变形，为实际结构设计及变形控制措施制定奠定基础。
结构制造过程数值模拟采用有限元计算方法，由于结构尺寸大、接头板厚尺寸大且数量多，焊接制造过程采用固有应变法，根据堆顶固定屏蔽结构焊接接头组成，按照板厚尺寸、施焊方式、接头级坡口形式等特征，进行系列典型接头结构的有限元计算和焊接试验，获取固有应变数据库。
热处理过程采用热弹塑性计算法。考虑热处理过程材料随温度的变化趋势，同时考虑材料的蠕变本构，蠕变模型采用时间硬化效应的Norton-Beiley方程，如式（1）所示
式中 A为常数，m为等效应力指数，n为时间指数。蠕变本构参数来源于文献［10-11］。
焊接过程、固有应变计算过程以及热处理过程的模拟计算包含非线性瞬态热分析，所以必须获得材料热物理性能参数随温度变化的数据。物理性能参数包括：杨氏模量、屈服强度、导热系数、比热容和热膨胀系数等随着温度的变化数据。图3为材料相关物性参数。
另外，焊接制造过程中需进行模拟件结构及工艺设计、焊接工艺评定，以及焊接试板及大型焊接结构残余应力、变形测量等试验。其中焊接残余应力采用盲孔法测试，焊接试板变形采用游标卡尺测量，大尺寸结构变形采用全站仪测量。堆顶固定屏蔽结构焊接变形关注内环筒高度方向的变形，测量位置如图4所示。
设计缩比模拟件的目的是用于实现数字孪生技术中虚拟数化模型与实际结构之间的映射以及两者之间的信息交互，解决大尺寸复杂结构制造数值模拟方法的不确定性。其原则是保证缩比模拟件能够体现出全尺寸产品的变形特性，同时降低模拟件制造周期和成本。此外，缩比模拟件的制造也是对实际产品进行制造工艺和结构可靠性验证。缩比论证以减小制造周期和成本为基础，获得能够体现出全尺寸结构焊接变形特征和规律的最小尺寸模型，因而研究过程中不必拘泥于焊接变形的量化数值。因此，采用固有应变有限元计算方法，保持其他条件不变，仅改变模型尺寸进行研究，计算结构焊接过程的变形，忽略其他工艺过程。
缩比论证采用两种缩比方法，其一是等厚缩比，即保持结构各位置板厚（含焊接接头）尺寸不变，仅缩小外形尺寸；其二是全等比例缩比，即整个结构按照一定比例缩小。采用两种缩比方法分别计算1∶1、1∶2、1∶3、1∶5、1∶10等缩比尺寸结构的焊接制造，获得最终焊接变形（内环筒变形量）结果如图5所示。
计算结果表明，等厚缩比模式下缩比尺寸不能影响整个结构的变形趋势，缩比尺寸越小，应力分布失真程度越大。结构变形量在1∶3~1∶1缩比尺寸时，变化幅度较为缓慢，证明该缩比范围内，缩比结构刚度与实际结构刚度相近。当缩比度低于1∶3时，变形量迅速下降，这是由于缩比结构板厚尺寸不变，导致整体刚度接近于厚钢板。缩比模拟件的制造周期和成本也是非常重要的因素，缩比模拟件所需的钢板重量和焊材重量都归一化至图5中，尤其是焊接工作量，直接影响着制造周期，故缩比模拟件的制造在允许的条件下尽量减小焊接工作量。
全等比例缩比结构的计算结果如图6所示，可以看出随着缩比尺寸的减小，变形量下降速率很快。与相同位置等厚缩比结果对比，全等比例缩比结构的焊接变形更小，更不容易体现堆顶固定屏蔽结构的焊接变形。这是由于全等比例缩小时，焊缝填充金属总量减少速度更快。虽然全等比例缩小致使堆顶固定屏蔽结构刚度逐渐变小，焊接变形更容易，但是焊接填充量的减小效果更明显，致使焊接变形随着缩比尺寸的减小而越来越不明显。而等厚缩比时，由于板厚尺寸不变，焊缝纵截面尺寸不变，焊缝填充量的减小程度远小于全等比例。虽然等厚缩比比例减小时，刚度越来越大，但是在缩比尺寸大于1∶3时，刚度增大趋势不明显，焊接填充量足以使焊接变形体现。
综上，综合结构变形规律反映程度以及制造周期、成本考虑，缩比模拟件采用等厚缩比，缩比比例1∶3。此外，等厚缩比可以增加结构刚度，有利于考核结构制造工艺和可靠性。
堆顶固定屏蔽结构制造过程需要进行多步整体或局部热处理。焊接残余应力的消除对焊接结构服役可靠性影响较大，同时消应力过程对焊接变形的影响程度决定结构装配制造精度。按照设计热处理工艺条件下对分段结构进行整体热处理，焊接接头热处理前后残余应力变化结果如图7所示。可以看出热处理对焊接残余应力的消除效果明显。针对分段合拢焊缝进行局部热处理，结构残余应力分布结果如图8所示。对于结构拘束较大的位置，局部热处理消应力效果也比较明显，不仅接头位置的应力峰值明显下降，结构拘束应力也同样降低。
由于堆顶固定屏蔽结构为全拼焊结构，焊接变形对装配精度产生较大影响，尤其是装配连接焊缝位置，容易改变坡口尺寸。焊接热处理改变了结构内应力状态，继而引起焊接变形的变化。按照图4中变形测量点位置，记录热处理前后合拢结构变形规律，如图8所示，可以看出，热处理后大型结构由于残余应力释放而产生变形回弹，但是回弹程度有限，这是由于热处理消除弹性应变，应力重分布引起的回弹变形较小。而焊接过程中的塑性应变对焊接变形贡献较大，热处理过程对其影响较小，无法彻底消除
堆顶固定屏蔽结构缩比模拟件的设计和制造实现了数字孪生中实体模型和数化模型的映射，解决了大型复杂结构虚拟模型计算结果误差大且无修正的问题。另外，缩比模拟件制造过程的焊接试验和同步模拟仿真建立了信息交互。
堆顶固定屏蔽结构焊缝数量多，分布复杂，变形规律无法掌控。因此，以焊接过程多物理场，尤其是焊接变形数据为交互信息。在每一步焊接过程工序中，计算模型提供结构全位置变形结果数据供实际制造过程使用，并制定下一步焊接工序，反馈给计算模型进行后续计算条件，同时每一步工序焊接过程的变形测量结果提供计算模型校核使用。如此往复，计算模型和实际结构在焊接变形数据交互中逐渐完成焊接制造，同时形成大型复杂焊接结构制造过程应力变形规律以及控制变形措施。
缩比模拟件焊接变形结果如图9所示。由图可知，内环筒高度方向产生凹陷变形，内环筒周向最终变形数据的计算结果与试验结果吻合良好。
按照上述过程形成的数字孪生技术规范，数值模拟规范以及结构变形规律和控制措施等知识，进行全尺寸堆顶固定屏蔽结构的焊接变形进行预测。同时，实际结果制造后测量响应位置的焊接变形数据，结果如图10所示。由于仿真计算和产品制造分别单独进行，无信息交互，故说明基于数字孪生技术预测的核电大型复杂结构全流程制造变形实现了毫米级精度，构建了其先知特征。
以四代核电关键结构堆顶固定屏蔽结构为研究对象，探讨了基于数字孪生技术进行焊接变形预测的可行性。主要结论如下：
（1）基于数字孪生思想，制定以堆顶固定屏蔽结构缩比模拟件为核心的技术路线，实现了数字孪生技术的数化-虚拟模型，互动-虚拟现实信息交互，先觉-现实数据背后隐藏知识，先知-精确预测等四大特征，解决了基于数值模拟预测大型焊接结构变形的不确定性问题。
（2）通过缩比模拟件制造过程的虚拟仿真和实际模型的信息交互，形成了复杂焊接工序条件下数值模拟仿真规范，大型结构焊接变形实时控制措施等知识。等厚缩比方法能够有效降低缩比模拟件的制造成本和周期，且焊接变形规律与实际结构吻合度较高，是更为合适的缩比方法。建议缩比比例选择为1∶3，以兼顾变形预测精度和成本效益。（3）基于数字孪生技术，有效预测了全尺寸核电堆顶固定屏蔽结构焊接制造的焊接变形，预测精度达到毫米级别。未来应进一步完善数字孪生模型，考虑更多影响因素，如焊接顺序、焊接参数等，以提高预测精度；探索数字孪生技术在焊接变形控制方面的应用，实现焊接变形的实时监测和控制。
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