2026-09-28
各学院（部）：
为更好开展新工科毕设项目，提升项目质量和水平，“螺旋焊管道修复设备的研究”新工科毕业设计项目现面向全校毕业班学生进行招募。现将有关事项通知如下。
一、项目背景、目的及意义
城镇供水与热力管道老化严重，开挖成本高、扰民大。现有非开挖修复技术各有局限：穿插法易渗漏，原位固化法强度低，螺旋缠绕法难用于压力管道，内衬法对椭圆度敏感，碎裂管法成本高，喷涂法强度有限。本项目研制螺旋焊管道非开挖修复设备，目的在于减少开挖、缩短工期、降低人工需求，可适应多种管径。该项目对保障供水安全、延长供水与热力管网寿命意义重大，并推动机械、焊接、机器人多学科交叉的新工科实践。
二、项目已具备的条件
调研螺旋焊管生产线与非开挖内衬修复技术，明确管口式修复思路：不锈钢带螺旋成型、激光-电弧复合焊接、内衬管送入旧管。初步确定给水304钢、热力444钢，带厚2-4mm，管径DN800以上，修复长度约100m，焊枪尺寸5×5×20cm。前处理为打磨、水冲、气冲，需三维检测正圆度与弯曲度，已调研激光内径测量系统等检测设备。有机械、焊接、机器人指导教师2-3名。
三、项目期限与目标
本期项目目标：在2026年10月-2027年6月，完成螺旋焊管道修复设备总体方案设计，包括螺旋成型机构、递送机、激光-电弧复合焊接头集成、推进与定心方法或系统；完成关键部件设计计算与仿真；制作缩比样机或原理验证平台；进行平板焊接工艺试验，确定304/444不锈钢激光-电弧复合焊参数窗口；验证内衬管成型与推进可行性；形成设计图纸、工艺文件与研究报告，申请专利或发表论文。培养学生机械设计、焊接工艺、机电控制等综合能力。
具体细化目标如下：
1.方向一：管道检测机器人结构设计与检测方案研究
研究任务：旧管道检测设备选型与检测机器人机械结构设计
1）面向DN800及以上、约100 m旧管道，调研激光测径与CCTV设备，对比测量范围、精度、数据格式及适用条件，提出选型建议；
2）设计行走底盘、可调支撑、传感器安装及线缆牵引结构，完成三维建模与关键校核；
3）提出内径、圆度数据采集分析方法，明确弯曲度评价所需的管道走向数据。
2.方向二：螺旋成型机构设计与仿真验证
研究任务：螺旋成型机构结构设计与成型、运动仿真分析
1）设计4—6道渐变成型辊组及螺旋角调节、焊缝挤压机构，确定主要结构参数；
2）完成关键零部件选型、成型力与驱动功率计算及必要的强度校核；
3）开展代表性工况下的局部成型有限元仿真，分析变形与回弹，并通过运动仿真检查调节范围、协调性和干涉情况。
3.方向三：激光—电弧复合焊接工艺与焊头集成设计
研究任务：薄壁不锈钢复合焊接参数分析与焊头安装结构设计
1）针对2—4 mm厚不锈钢，调研复合焊接工艺，选取关键参数开展平板对接试验或分析已有数据，提出焊接参数建议；
2）完成激光头、焊枪、送丝及保护气部件的集成布置与安装结构设计；
3）建立焊头装配模型，检查管内空间、焊接可达性和结构干涉，提出材料性能及卫生要求的后续验证内容。
4.方向四：内衬管推进与定心系统设计
研究任务：长距离内衬管推进阻力分析与推进定心机构设计
1）以100 m修复长度为设计工况，建立摩擦阻力和轴向稳定性简化模型，估算推进力；
2）比较润滑、滚轮支撑及辅助牵引方案，确定推进与定心方案，完成关键机构设计；
3）通过关键部件计算及简化仿真，分析承载能力、通行能力和稳定性，形成结构图纸与计算说明。
5.方向五：修复机器人控制系统设计与仿真
研究任务：修复机器人速度协同与推进保护控制设计
1）梳理送料、成型、焊接及推进的动作顺序，完成主要传感器、驱动器和控制器选型；
2）设计送料—成型—焊接速度协同及推进力保护逻辑，编写控制流程或示例程序；
3）利用MATLAB/Simulink等工具建立简化模型，验证速度协调与异常停机功能，形成控制方案、仿真报告和程序说明。
四、项目主要方向及任务
项目拟设五个研究方向：管道检测机器人结构设计与检测方案研究、螺旋成型机构设计与仿真验证、激光—电弧复合焊接工艺与焊头集成设计、内衬管推进与定心系统设计、修复机器人控制系统设计与仿真；每个研究方向拟设3-4名指导教师岗位；每个研究任务，结合任务难度拟安排1-2名学生。
研究方向和任务设置如下：
1.管道检测机器人结构设计与检测方案研究
研究任务：旧管道检测设备选型与检测机器人机械结构设计
Ø 关键词：管道检测 检测机器人 激光测径 机械结构
Ø 背景介绍：
旧管道经打磨、水冲和气冲处理后，仍可能存在截面变形、局部缩径及轴线弯曲，影响内衬管径选择与推进。螺旋焊管道修复设备需要获取旧管几何信息，为成型参数和施工方案提供依据。针对DN800及以上、约100 m旧管道，有必要开展检测设备选型与机器人结构设计，使检测模块能够稳定行走、可靠安装并完成数据采集。
Ø 内容介绍：
调研激光测径与CCTV设备，对比测量范围、精度、数据格式及适用条件，提出选型建议。设计机器人行走底盘、可调支撑、传感器安装和线缆牵引结构，完成三维建模、驱动力计算及关键部件校核。建立内径、圆度数据采集与分析流程，明确弯曲度评价所需的管道走向数据，利用示例数据展示分析结果，形成检测方案、结构图纸与设计说明书。
Ø 学生需求：1人
Ø 教师主页：李清-机械工程学院
2.螺旋成型机构设计与仿真验证
研究任务：螺旋成型机构结构设计与成型、运动仿真分析
Ø 关键词：螺旋成型 成型辊组 调节机构 有限元仿真
Ø 背景介绍：
本项目采用管口式修复思路，将不锈钢带连续成型、焊接为内衬管并送入旧管。螺旋成型机构直接影响管径、圆度和焊缝对接状态，需要兼顾结构紧凑、管径调节及送料稳定性。针对厚度2—4 mm、成管管径DN800及以上的设计需求，开展辊组与调节机构设计，并通过仿真分析成型变形和机构运动，为设备方案完善提供依据。
Ø 内容介绍：
选取一种材料及代表性管径，设计4—6道渐变成型辊组、螺旋角调节机构与焊缝挤压机构，确定主要结构参数。完成关键零部件选型、成型力和驱动功率计算及必要的强度校核。开展代表性工况下的局部成型有限元仿真，分析变形与回弹；通过运动仿真检查调节范围、机构协调性及干涉，形成装配模型、工程图纸和仿真报告。
Ø 学生需求：1人
Ø 教师主页：李清-机械工程学院
方向三：激光—电弧复合焊接工艺与焊头集成设计
研究任务：薄壁不锈钢复合焊接参数分析与焊头安装结构设计
Ø 关键词：激光—电弧复合焊接 不锈钢 焊接参数 焊头集成
Ø 背景介绍：
螺旋焊管道修复设备需要将成型后的不锈钢带连续焊接为内衬管，焊接质量关系到管道密封性和结构可靠性。项目初步考虑给水用304钢、热力用444钢，厚度为2—4 mm。由于焊接空间受限，焊头布置还需兼顾光束、焊枪、送丝和保护气通道，因此需要开展典型工况下的工艺参数分析与紧凑型焊头安装结构设计。
Ø 内容介绍：
选取304或444不锈钢中的一种材料及代表性厚度，调研复合焊接工艺，选择焊接速度、激光功率等少量关键参数，开展平板对接试验或分析已有数据，提出参数建议。完成激光头、焊枪、送丝和保护气部件的集成布置与安装结构设计，建立三维装配模型，检查焊接可达性和结构干涉。形成工艺分析报告与结构图纸，并提出材料性能及卫生要求的后续验证内容。
Ø 学生需求：1人
Ø 教师主页：李清-机械工程学院
方向四：内衬管推进与定心系统设计
研究任务：长距离内衬管推进阻力分析与推进定心机构设计
关键词：内衬管推进 摩擦阻力 定心机构 轴向稳定性
Ø 背景介绍：
管口式螺旋焊修复过程中，内衬管随成型焊接持续进入旧管。随着推进长度增加，管壁接触、局部变形及轴线偏差可能造成阻力增大和卡滞，过大的轴向载荷还可能影响管体稳定性。针对约100m修复长度，需要合理估算推进力，设置减阻和定心措施，为内衬管连续送入及设备动力匹配提供依据。
Ø 内容介绍：
建立内衬管摩擦阻力和轴向稳定性简化模型，估算100m工况下的推进力，分析摩擦条件及支撑间距的影响。比较润滑、滚轮支撑和辅助牵引方案，确定适用的推进与定心方案，完成关键机构设计和驱动部件选型。通过计算及简化仿真分析承载能力、通行能力和稳定性，形成三维模型、结构图纸与计算说明书。
Ø 学生需求：1人
Ø 教师主页：李清-机械工程学院
方向五：修复机器人控制系统设计与仿真
研究任务：修复机器人速度协同与推进保护控制设计
Ø 关键词：机器人控制 速度协同 推进保护 仿真验证
Ø 背景介绍：
螺旋焊管道修复设备包含送料、成型、焊接和推进等连续工序，各环节速度不匹配可能引起带钢堆积、焊接不稳定或推进载荷异常。设备需要依据工艺关系协调各驱动单元，并在阻力过大、传感器异常等情况下采取保护措施。因此，有必要建立控制流程和简化模型，验证主要控制逻辑，为后续整机调试提供基础。
Ø 内容介绍：
梳理各工序动作顺序与速度关系，完成主要传感器、驱动器、控制器选型及输入输出点表。重点设计送料—成型—焊接速度协同和推进力超限保护逻辑，编写控制流程及示例程序。利用MATLAB/Simulink等工具建立简化模型，设置速度变化、负载扰动和超限工况，验证速度协调与异常停机功能，形成控制方案、仿真报告和程序说明。
Ø 学生需求：1人
Ø 教师主页：李清-机械工程学院
五、报名及联系方式：
Ø 学生报名：
相关课题细节请直接联系老师邮箱：
李清：liqing@tju.edu.cn
欢迎各位同学踊跃报名，期待你的加入！
螺旋焊管道修复设备的研究新工科毕设工作组
2026年9月15日
欢迎各位同学踊跃报名，期待你的加入！！！
