中联工程机械超高强钢臂架设计及制造基础共性关键技术研究与应用

    在高耸建筑、大型能源设施、大跨桥梁、风电、高铁等大型建筑工程的施工及维护中，起重机、泵车、高空作业车等长臂架类工程机械不可或缺。

    目前，国内外无公开的超高强钢臂架设计制造技术标准，国外企业技术保密封锁。我国缺乏对该类基础共性技术的研究，尚未掌握超高强钢臂架设计、制造的自主核心技术，产品开发只能跟随仿制，无法实现自主创新。结构件与国外相比，轻量化程度低、易疲劳开裂、制造精度差，焊接变形大，导致产品国际市场竞争力较弱。

    该项目依托“十一五”、“十二五”国家科技支撑计划，“973”国家基础科学研究项目，通过产学研合作，在超高强钢臂架结构极限状态设计方法、非线性及耦合效应分析、抗失稳设计、抗疲劳设计、精密冷弯成形、焊接变形控制等关键技术方面实现了重大技术突破和实质性创新：

    1.针对细长臂架结构设计中的几何、接触、材料非线性及耦合问题开展研究，首次采用极限状态设计法，考虑各种载荷的偏差量以及材料的不均匀性，从工作级别分级、载荷情况、载荷组合、材料抗力、高危险度系数到强度、刚性、稳定性承载能力全面考量，实现了对臂架结构实现几何、接触、材料非线性及耦合效应精确计算，保证臂架结构设计的科学合理，安全轻量。

    2.修正了超高强钢管材及格构式结构的等效缺陷模型，提出了超高强钢管材的稳定系数计算公式及多级变截面臂架计算长度系数表，突破了超高强钢臂架稳定性精确分析及设计技术。

    3.建立了超高强钢疲劳强度基础数据库，提出了超高强钢臂架结构动载模型及载荷谱分布特征，开发了超高强钢臂架结构抗疲劳设计系统，建立了超高强钢臂架结构抗疲劳设计准则。实现泵车臂架焊接部位疲劳寿命提高1.12~1.62倍。

    4.提出了适用于超高强钢的改进Y-U本构模型，并推导出其隐式积分算法，解决了本构模型多参数快速精确反演难题，突破了多因素耦合作用下冷弯工艺的稳健设计技术，研制出臂架冷弯实时检测与控制系统。实现10米以上超高强钢臂架成形角度偏差小于0.5°，全长直线度小于5mm，开口尺寸误差小于2mm。

    5.建立了适用于超高强钢焊接的高温粘塑性本构模型，实现焊接变形模拟预测误差小于10%，基于虚拟焊接实验的成果提出了焊接变形同步控制方法，研制出相应装备，实现了吊臂焊接最大变形量减少43%。焊后矫形时间减少50%。

    上述创新，使我国真正掌握了超高强钢臂架设计制造的基础核心技术，使相关产品摆脱了跟随模仿的局面，实现了自主创新。成果已应用于3大系列28款产品，其中包括：世界最大吨位全地面起重机（2000吨级）、大吨位履带式起重机（3000吨级）、世界最长臂架高空消防车（113米），以上产品满足了国家重大工程建设需求。

    该项目实施获得直接经济效益2.24亿元，带动工程机械臂架用高强钢国产化率提升至30%以上，拥有完全自主知识产权，获专利授权8项，受理发明专利7项，制定国家标准4项、企业标准2项，出版专著1部，国家级教材1部，发表论文4篇，利用相关技术开发的产品多次被鉴定为国际领先或先进水平。

    获奖等级：一等奖

    完成单位：中联重科股份有限公司，太原科技大学