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中聯(lián)工程機械超高強鋼臂架設計及制造基礎共性關鍵技術(shù)研究與應用

    在高聳建筑、大型能源設施、大跨橋梁、風電、高鐵等大型建筑工程的施工及維護中，起重機、泵車、高空作業(yè)車等長臂架類工程機械不可或缺。

    目前，國內(nèi)外無公開的超高強鋼臂架設計制造技術(shù)標準，國外企業(yè)技術(shù)保密封鎖。我國缺乏對該類基礎共性技術(shù)的研究，尚未掌握超高強鋼臂架設計、制造的自主核心技術(shù)，產(chǎn)品開發(fā)只能跟隨仿制，無法實現(xiàn)自主創(chuàng)新。結(jié)構(gòu)件與國外相比，輕量化程度低、易疲勞開裂、制造精度差，焊接變形大，導致產(chǎn)品國際市場競爭力較弱。

    該項目依托“十一五”、“十二五”國家科技支撐計劃，“973”國家基礎科學研究項目，通過產(chǎn)學研合作，在超高強鋼臂架結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設計方法、非線性及耦合效應分析、抗失穩(wěn)設計、抗疲勞設計、精密冷彎成形、焊接變形控制等關鍵技術(shù)方面實現(xiàn)了重大技術(shù)突破和實質(zhì)性創(chuàng)新：

    1.針對細長臂架結(jié)構(gòu)設計中的幾何、接觸、材料非線性及耦合問題開展研究，首次采用極限狀態(tài)設計法，考慮各種載荷的偏差量以及材料的不均勻性，從工作級別分級、載荷情況、載荷組合、材料抗力、高危險度系數(shù)到強度、剛性、穩(wěn)定性承載能力全面考量，實現(xiàn)了對臂架結(jié)構(gòu)實現(xiàn)幾何、接觸、材料非線性及耦合效應精確計算，保證臂架結(jié)構(gòu)設計的科學合理，安全輕量。

    2.修正了超高強鋼管材及格構(gòu)式結(jié)構(gòu)的等效缺陷模型，提出了超高強鋼管材的穩(wěn)定系數(shù)計算公式及多級變截面臂架計算長度系數(shù)表，突破了超高強鋼臂架穩(wěn)定性精確分析及設計技術(shù)。

    3.建立了超高強鋼疲勞強度基礎數(shù)據(jù)庫，提出了超高強鋼臂架結(jié)構(gòu)動載模型及載荷譜分布特征，開發(fā)了超高強鋼臂架結(jié)構(gòu)抗疲勞設計系統(tǒng)，建立了超高強鋼臂架結(jié)構(gòu)抗疲勞設計準則。實現(xiàn)泵車臂架焊接部位疲勞壽命提高1.12~1.62倍。

    4.提出了適用于超高強鋼的改進Y-U本構(gòu)模型，并推導出其隱式積分算法，解決了本構(gòu)模型多參數(shù)快速精確反演難題，突破了多因素耦合作用下冷彎工藝的穩(wěn)健設計技術(shù)，研制出臂架冷彎實時檢測與控制系統(tǒng)。實現(xiàn)10米以上超高強鋼臂架成形角度偏差小于0.5°，全長直線度小于5mm，開口尺寸誤差小于2mm。

    5.建立了適用于超高強鋼焊接的高溫粘塑性本構(gòu)模型，實現(xiàn)焊接變形模擬預測誤差小于10%，基于虛擬焊接實驗的成果提出了焊接變形同步控制方法，研制出相應裝備，實現(xiàn)了吊臂焊接最大變形量減少43%。焊后矯形時間減少50%。

    上述創(chuàng)新，使我國真正掌握了超高強鋼臂架設計制造的基礎核心技術(shù)，使相關產(chǎn)品擺脫了跟隨模仿的局面，實現(xiàn)了自主創(chuàng)新。成果已應用于3大系列28款產(chǎn)品，其中包括：世界最大噸位全地面起重機（2000噸級）、大噸位履帶式起重機（3000噸級）、世界最長臂架高空消防車（113米），以上產(chǎn)品滿足了國家重大工程建設需求。

    該項目實施獲得直接經(jīng)濟效益2.24億元，帶動工程機械臂架用高強鋼國產(chǎn)化率提升至30%以上，擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，獲專利授權(quán)8項，受理發(fā)明專利7項，制定國家標準4項、企業(yè)標準2項，出版專著1部，國家級教材1部，發(fā)表論文4篇，利用相關技術(shù)開發(fā)的產(chǎn)品多次被鑒定為國際領先或先進水平。

    獲獎等級：一等獎

    完成單位：中聯(lián)重科股份有限公司，太原科技大學