远洋船舶大合拢垂直焊缝性能设计虚拟仿真实验是一项综合性、实践性很强的实验，通过“远洋船舶大合拢垂直焊缝性能设计虚拟仿真实验”学习，掌握船舶大合拢焊接基本知识，掌握垂直气电立焊焊缝和热影响区组织特征，了解典型焊缝缺陷形成因素，掌握焊接工艺参数对焊接质量的影响规律。通过实验过程便于考核学生对这些知识的掌握程度及综合运用能力，具体如下：

①培养学生“造船强国”远大志向，弘扬“大国船魂”精神。以我国船舶行业中拥有国际市场核心竞争力的精品船型为实验对象，和我校重大科研成果反哺教学，树立学生的民族自信心、实干报国志向。

②使学生掌握远洋船舶垂直焊缝性能设计原理。了解船舶焊接基本知识，掌握焊接热影响区组织演变规律，熟悉典型焊缝缺陷形成机理及常用检测方法，掌握焊接工艺参数对焊缝质量的影响规律，掌握远洋船舶大合拢垂直焊缝焊接工艺。

③培养解决船舶焊接工程复杂问题的能力。通过探索船舶外壁大厚板焊接条件下，不同热循环参数对热影响区相成份的影响、工艺参数与热影响区强度、硬度、冲击韧性的关系，锻炼学生团队协作和分析复杂问题的能力。

④培养学生科学严谨的态度。通过船舶质量安全教育，本实验中的焊接缺陷危害、触电事故模拟、操作规范警示，使学生形成严谨的科学态度、牢固的安全意识和精益求精的工匠精神。

本项目实验原理图如图1所示，远洋船舶大合拢垂直焊缝性能设计虚拟仿真实验基于模型试验与工程实践，遵循从“宏观到微观”、“计算到实施”、“表面到内部”的认知规律，分别以“热影响区组织”、“热循环参数”、“焊缝性能”为实验对象。

学生通过热循环-焊缝组织-力学性能之间的影响原理，基于CCT曲线和冷却速度预测热影响区相组成；依据力学性能与热循环参数之间的对应关系设计热循环参数，再通过热循环参数初步确定焊接参数，进一步结合电弧形态及熔滴过渡优化焊接参数。最后在表面观察基础上应用X射线探伤技术进一步对焊缝内部缺陷进行检测，分析表面成形、气孔、夹杂及裂纹缺陷；对焊缝力学性能进行检测，考察抗拉强度、冲击韧性及硬度指标。学生通过对虚拟仿真项目每个模块的操作，直观参与到远洋船舶大合拢焊接实验的各个环节。

主要知识点如下：

① 船舶大合拢焊缝性能与热影响区相组成之间的关系；

② 热影响区连续冷却转变曲线(CCT曲线)分析方法；

③ 焊缝性能与热循环关键参数之间的关系；

④ 热循环关键参数(线能量、t_8/5及冷却速度)设计原理；

⑤ 热循环关键参数与焊接工艺之间的关系；

⑥ 焊接参数(焊接电流、焊接电压及焊接速度)设计原理；

⑦ 电弧作用临界半径计算及意义；

⑧ 保护气对焊缝缺陷的影响；

⑨ 焊接参数变化对焊接质量的影响；

⑩ 焊缝无损检测方法及评定标准。

图1 实验原理说明

实验预习：

预习模块主要以学生自学为主，学生需通过学习本课程的电子教材及相关课件，掌握本实验所需知识。此外，对学生预习状态进行测试，评估学生预习效果。

接头性能设计：

通过此交互步骤可以设计远洋船舶大合拢垂直焊缝性能目标，包括冲击功及抗拉强度两项指标。对焊缝性能目标合理性进行判断，分析所制定的焊缝性能目标是否可行，进而优化设计。培养学生正确理解船舶用钢焊接标准并合理设计远洋船舶大合拢垂直焊缝性能目标的能力，塑造成本及节约意识，正确理解工程与社会关系。考察学生正确利用《材料与焊接规范》的能力。具体步骤如下：

1)结合“好望角”航线特征,并根据船用高强钢焊接标准，制定焊接冲击功及抗拉强度；

2)对所设计的焊缝性能目标的合理性进行判断。

选择焊接材料及方法：

通过此交互步骤可以设计远洋船舶大合拢垂直焊接实验材料及焊接方法，包括焊丝选择、保护气体选择及焊接方法选择，对焊接材料及焊接方法选择合理性进行判断，分析所选择的焊接材料及方法是否可行，进而优化设计。解决“远洋船舶大合拢垂直焊缝焊接实验材料及焊接方法的选择”这一重要问题，是获得最佳实验结果的前提和保障。培养学生掌握焊接材料及焊接方法的选择方法，深入理解焊接材料选择对焊接性能的影响，具备合理组配焊丝、保护气及焊接方法的能力。培养学生经济及高效的意识。考察学生依据母材及坡口尺寸正确选择焊接材料及焊接方法的能力。具体步骤如下：

1) 观察待焊船体，明确待焊坡口长度及尺寸；

2) 选择焊丝、焊接方法及保护气；

3) 对所选择的焊接材料及焊接方法的合理性进行判断。

焊接热循环设计：

焊缝性能目标设计合理之后，需围绕此目标进行焊接设计，本部分通过设计焊接热循环获得理想的相组成。焊接接头组织决定力学性能，合理的相组成是获得良好接头性能的关键因素。具体步骤如下

1）根据硬度指标和拟合公式，计算选定t_8/5；

2）根据计算得到的t_8/5和材料物性参数，得到两个线能量E₁和E₂；

3）根据两个线能量E₁和E₂，分别计算临界板厚公式，并以此确定线能量E；

4）在线能量E和经验公式基础上，计算熔合区冷却速度ω_c；

5）依据熔合区冷却速度ω_c结合CCT曲线预测相组成。

焊接工艺参数设计：

焊接参数对焊接质量具有直接的影响，焊接参数主要包括焊接电流、焊接电压及焊接速度。本部分需综合利用观察法、比较法及逆向思维法合理设计焊接工艺参数。具体步骤如下：

1）计算电弧作用临界半径；

2）设计焊接电流及焊接电压；

3）设计焊接速度；

4）分析焊接工艺参数可行性。

焊接施工：

焊接工艺参数设计可行之后，需进行正式焊接施工，在正式焊接施工之前，需设计焊接保护气流量。焊接施工过程中，观察焊接温度场、电弧及熔滴过渡情况。

接头性能达成度检验：

焊接施工之后，需对焊接接头性能进行检验，以便分析是否实现焊接性能目标，具体步骤如下：

1) 分析焊接表面成形；

2) 分析焊缝内部缺陷；

3) 分析焊接性能。

实验探究：

本部分主要探究线能量及焊接工艺参数对远洋船舶大合拢垂直焊缝焊接过程及焊接质量的影响，综合考查学生的专业知识应用能力及分析能力。具体步骤如下：

1) 学习探究任务书，明确探究目的；

2) 探究线能量对焊接过程及焊接质量的影响；

3) 探究焊接工艺参数对焊接过程及焊接质量的影响；

4) 分析探究结果，填写探究结论。

实验流程图如图2所示。

图2 实验流程图