高速動車組車體側(cè)墻裝配變形仿真分析*

楊建華，桑弘鵬，周立金，林 嘉，李志敏

（1 唐山軌道客車有限責(zé)任公司 制造技術(shù)中心，河北唐山063035；2 上海交通大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，上海200240）

高速動車組車體側(cè)墻裝配變形仿真分析*

楊建華1，桑弘鵬1，周立金1，林 嘉2，李志敏2

（1 唐山軌道客車有限責(zé)任公司 制造技術(shù)中心，河北唐山063035；2 上海交通大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，上海200240）

車體裝配質(zhì)量控制是動車組制造質(zhì)量提升的關(guān)鍵問題。針對某高速動車組車體側(cè)墻焊接裝配過程，采用有限元仿真的方法，研究了工裝定位偏差對焊接裝配變形的影響，為側(cè)墻工裝的規(guī)范和調(diào)整提供理論性的指導(dǎo)。

有限元仿真；裝配質(zhì)量控制

新一代高速動車組具有高速、大運量和低單位排放等特點，是當(dāng)前國內(nèi)重點發(fā)展的長途客運方式。其科技含量高，涉及軌道、列車設(shè)計、制造、動力等多項關(guān)鍵技術(shù)，對提升整體裝備制造業(yè)的水平有很大的推動作用。

高速動車組車體主要由左右側(cè)墻、底架、車頂4大部件組成。其制造裝配質(zhì)量直接影響列車的氣動力學(xué)特性，以及外觀和密封性等性能，是動車組質(zhì)量提升的關(guān)鍵問題。其中，側(cè)墻的氣動外形和后續(xù)裝配配合要求最高，外形構(gòu)造最不規(guī)則，是車體裝配質(zhì)量控制的難點。

在車體裝配過程中，零件偏差、工裝定位偏差、焊接偏差各種偏差源錯綜復(fù)雜、高度耦合，裝配尺寸質(zhì)量難于控制，焊接裝配合格率低，實際生產(chǎn)中往往依賴后續(xù)的火焰調(diào)修矯正。不僅導(dǎo)致制造精度降低、制造成本和周期上升，而且火焰矯正還會造成車體強度的下降，可能留下安全隱患。因此，要求引入各種技術(shù)手段，在焊接裝配階段加強對制造質(zhì)量的控制。

本文主要研究的是工裝定位偏差對側(cè)墻焊接裝配偏差的影響。采用EDS/I－DEAS建立側(cè)墻焊接裝配的三維有限元模型，然后載入各種不同的工裝定位約束條件，比較分析其結(jié)果，為工裝定位的調(diào)整和規(guī)范提供理論指導(dǎo)。

1 有限元建模

本章首先介紹了側(cè)墻結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的工裝工藝，在此基礎(chǔ)上，建立了側(cè)墻的幾何模型和有限元建模。

1.1 側(cè)墻及其制造工藝簡介

高速列車CRH3側(cè)墻為長薄大部件，側(cè)墻主體由5塊通長中空擠壓鋁型材拼焊而成。整個側(cè)墻長度約18～24 m。不同的車廂類型，側(cè)墻的長度、窗口數(shù)量與位置、門口的數(shù)量會有所不同，但截面的形狀皆相同。其截面的形狀如圖1所示，某型側(cè)墻的幾何數(shù)模如圖2所示。

圖1 側(cè)墻截面形狀

圖2 某型動車組側(cè)墻的幾何模型

側(cè)墻裝配時平放于裝配工裝上，工裝通過下側(cè)支撐板、上側(cè)的壓塊和兩側(cè)夾塊來約束側(cè)墻。其中支撐板和夾塊在工裝上的位置是固定的，而壓塊的位置則在焊接裝配的過程中由工人手動調(diào)整，焊接不同焊縫時壓塊位置會隨著改變。

焊接時先把5塊型材點焊固定，再用自動焊機段焊。經(jīng)過點焊固定后的側(cè)墻可以視作一個整體。

1.2 有限元模型

（1）基本模型

根據(jù)建立的幾何模型，利用EDS/I－DEAS商用有限元軟件建立有限元模型。由于側(cè)墻在裝配時采用焊接的方式進(jìn)行各部件之間的連接，最后形成一個整體，故在建立有限元模型時，各部件之間連接采用共節(jié)點的方法模擬裝配中的焊接工藝。為了施加載荷、局部應(yīng)力和變形分析的便利，整個模型采用殼單元進(jìn)行劃分，如圖3所示。模型采用4節(jié)點板單元，邊長15 mm，允許有少量三角形單元。節(jié)點數(shù)約為80萬個，單元數(shù)約為87.5萬個，不同車型其有限元模型節(jié)點和單元數(shù)量有所不同。

圖3 某型動車組側(cè)墻的有限元網(wǎng)格劃分局部

（2）約束與載荷

底側(cè)的支撐板作為被動約束，以位移約束的形式加載；上側(cè)的壓塊作為主要施力夾緊件，以壓強的形式加載；兩側(cè)的輔助夾塊，以位移約束的形式加載。

焊縫根據(jù)收縮率法算出焊縫的收縮率，再以溫度載荷的形式加載到有限元模型上。對各種材料參數(shù)作簡化處理，視作不隨溫度變化的常數(shù)。

最后得到的是焊接完畢后仍處于夾緊狀態(tài)下的仿真結(jié)果。

約束與載荷的加載情況如圖4所示。

圖4 側(cè)墻裝配的約束與加載

2 仿真分析

在上述側(cè)墻有限元模型的基礎(chǔ)上，以側(cè)墻組焊反裝工位的第一道焊縫焊接過程為例，比較理論工裝和工裝配合存在偏差情況下側(cè)墻的焊接變形和壓塊處的局部應(yīng)力，研究工裝配合偏差對焊接變形的影響。

如圖5所示，窗沿附近是側(cè)墻焊接裝配過程中變形最明顯的區(qū)域，也是對后續(xù)配件裝配影響最大的區(qū)域，其中上窗沿還恰與焊縫在一條直線上。在側(cè)墻各窗口中，第7支撐板至第9支撐板之間的兩個窗口位置和變形都較為典型。因此，在本文中挑選第7支撐板至第9支撐板之間的上窗沿一線在各工裝定位條件下的焊接變形量作為考察對象，如圖5中虛線所示。

圖5 理論工裝定位條件下側(cè)墻裝配變形分布

側(cè)墻組焊工裝的3種主要裝夾工具中，支撐板和兩側(cè)夾塊位置基本固定。工裝配合的偏差主要是（1）夾塊相對位置的移動；（2）由于形狀誤差，底側(cè)支撐板與側(cè)墻外輪廓之間存在配合間隙。

2.1 壓塊沿側(cè)墻長度方向偏移

理論工裝定位條件下，沿側(cè)墻長度方向，壓塊中心線應(yīng)與底側(cè)支撐板重合。圖6是理論工裝定位、壓塊右移300 mm、壓塊左移348 mm以及極端工況——壓塊偏移至兩支撐板正中央4種工裝定位條件下，第7支撐板至第9支撐板之間上窗沿一線的焊接裝配變形量。壓塊偏移量之所以沒有取相同的整數(shù)，是出于獲得良好有限元網(wǎng)格的考慮。

由圖6可知，隨著壓塊沿側(cè)墻長度方向偏移，上窗沿一線的焊接變形量和變形波形都完全改變。以理論工裝上窗沿一線變形量最大值為100%。其中壓塊右移和壓塊偏移至兩支撐板正中央兩種工況下的最大變形量都比理論裝夾定位條件下明顯增大，分別為191%和257%。但壓塊左移工況下的最大變形量卻有所減小，為71%。

壓塊下壓的主要作用力方向為側(cè)墻垂向。把3種偏移工況上窗沿的垂向變形量與理論工況進(jìn)行對比，如圖7～9所示。圖中實線為理論工況的變形曲線，虛線為壓塊偏移工況的變形曲線，箭頭表示壓塊的壓夾位置及其施力方向。

圖6 壓塊沿側(cè)墻長度方向偏移上窗沿裝配變形變化

圖7 上窗沿垂向變形——壓塊右移與理論工況對比

圖8 上窗沿垂向變形——壓塊左移與理論工況對比

圖9 上窗沿垂向變形——壓塊位于兩支撐板間對比

由圖7可知，右移的壓塊其對側(cè)墻的作用力方向與理論裝夾下在該位置處側(cè)墻的焊接變形方向相同，壓塊的下壓加劇了側(cè)墻的焊接變形。

由圖8可知，左移的壓塊其對側(cè)墻的作用力方向與理論裝夾下在該位置處側(cè)墻的焊接變形方向相反，壓塊的下壓限制了側(cè)墻的焊接變形，使變形量有所減少。同時，也改變了變形的波形，波形的起伏增多，這對變形的矯正是個不利的因素。

由圖9可知，偏移至兩支撐板中央的壓塊，其對側(cè)墻的作用力方向與理論裝夾下在該位置處側(cè)墻的焊接變形方向也相反。但由于受力狀況的惡劣，最終側(cè)墻的焊接變形還是大幅增大了。

可知，壓塊位置沿側(cè)墻長度方向的變動對側(cè)墻焊接變形的影響，不僅取決于其對側(cè)墻受力狀況的改變，也取決于其作用力方向與原有變形方向之間的關(guān)系。

2.2 壓塊沿側(cè)墻高度方向偏移

主要考察兩壓塊間距以及與焊縫距離的變化對焊接變形的影響。

理論工裝定位條件下，沿側(cè)墻高度方向，上壓塊位于第4塊型材貼近肋板處，下壓塊位于第2塊和第3塊型材之間。圖10是理論工裝定位和壓塊外移、壓塊內(nèi)移3種工裝定位條件下，選定區(qū)域窗沿一線的焊接裝配變形量。皆取上窗沿一線。其中壓塊外移具體為上壓塊上移、下壓塊下移各約425 mm，兩壓塊間距離增大，遠(yuǎn)離焊縫；壓塊內(nèi)移具體為上壓塊下移、下壓塊上移各約105 mm，兩壓塊間距離縮小，靠近焊縫。

由圖10可知，壓塊沿側(cè)墻高度方向位置的改變對焊接變形的影響很小，不論是變形波形還是變形量都沒有明顯變化。以理論工裝上窗沿一線變形量最大值為100%，壓塊向外移約425 mm時，為106%；向內(nèi)移約105 mm時，為99%。

圖10 壓塊沿側(cè)墻高度方向偏移上窗沿裝配變形變化

2.3 支撐板與側(cè)墻未完全貼合

理論工裝定位條件下，支撐板與側(cè)墻外輪廓應(yīng)完全貼合。而實際中，底側(cè)支撐板與側(cè)墻外輪廓之間常存在配合間隙。

假設(shè)支撐板只在壓塊壓夾處與側(cè)墻外輪廓局部貼合，重新考察此時壓塊沿側(cè)墻高度方向偏移對上窗沿焊接變形的影響，如圖11所示。

圖11 壓塊沿側(cè)墻高度方向偏移上窗沿裝配變形變化（只在壓塊壓夾處局部貼合）

由圖11可知，此時隨著壓塊位置沿側(cè)墻高度方向偏移，上窗沿一線的焊接變形發(fā)生了明顯變化。在支撐板附近也即壓塊壓夾處的變形量，隨著兩壓塊間距的增大而增大。而其余處的變形量反而有所減少。其中壓塊內(nèi)偏工況的變形規(guī)律與支撐板側(cè)墻完全貼合的理論工況下的變形規(guī)律最為接近。

實際中，支撐板與側(cè)墻外輪廓不貼合的情況可能出現(xiàn)在各個部位。把貼合部位選擇在壓塊壓夾位置的外側(cè)，而在壓塊壓夾處支撐板與側(cè)墻外輪廓存在間隙，把該工況下側(cè)墻上窗沿一線的變形情況與支撐板側(cè)墻完全貼合的理論工況進(jìn)行比較，如圖12所示。

圖12 上窗沿變形量—某支撐板側(cè)墻未完全貼合工況與理論工況對比

由圖12可知，此時上窗沿一線的裝配變形明顯增大。以理論工裝最大變形量為100%，此時的最大變形量為462%。

表1是不同工裝定位條件下上窗沿一線的焊接裝配最大變形量及其與理論工裝定位條件下變形量的比值。

表1 不同工裝定位條件下側(cè)墻上窗沿一線最大變形量對比

2.4 生產(chǎn)驗證

根據(jù)有限元仿真結(jié)果，編制了《側(cè)墻組焊工裝壓緊規(guī)范》，明確側(cè)墻工裝卡具的壓卡方式和定位基準(zhǔn)，并在實際生產(chǎn)中對兩組側(cè)墻（規(guī)范實施前后的車體側(cè)墻各18個）輪廓合格率進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖13所示。

圖13 側(cè)墻輪廓合格率統(tǒng)計表

圖13中《側(cè)墻組焊工裝壓緊規(guī)范》實施前后側(cè)墻合格率對比數(shù)據(jù)表明：規(guī)范實施前側(cè)墻外輪廓的合格率大多在50%～60%之間，甚至有低于20%的情況發(fā)生，調(diào)修工作量非常大，不利于產(chǎn)品質(zhì)量控制；按照《側(cè)墻組焊工裝壓緊規(guī)范》執(zhí)行后，側(cè)墻外輪廓變形得到有效的控制，側(cè)墻外輪廓合格率幾乎都在90%以上，大大降低了調(diào)修量，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

2.5 小結(jié)與建議

根據(jù)仿真及實際生產(chǎn)中側(cè)墻輪廓驗證效果，可以給出以下的結(jié)論和相關(guān)建議：

（1）沿側(cè)墻長度方向，隨著壓塊偏離底側(cè)的支撐板，側(cè)墻裝配變形可能會明顯增大，但在一定情況下也可能有所減小。綜合考慮裝夾穩(wěn)定性和后續(xù)的調(diào)修矯正，建議確保壓塊的壓夾位置盡量在支撐板的正上方。

（2）相對于沿側(cè)墻長度方向偏移，壓塊沿側(cè)墻高度方向遠(yuǎn)離焊縫對焊接變形的影響較小。因此，當(dāng)受到壓臂行程限制，壓塊無法在兩個方向上同時壓置在理論位置時，應(yīng)優(yōu)先確保壓塊沿側(cè)墻長度方向上的位置。

（3）當(dāng)支撐板與側(cè)墻未完全貼合時，側(cè)墻裝配變形很有可能會出現(xiàn)明顯的增大。

因此，應(yīng)該盡可能保證支撐板與側(cè)墻的貼合。

3 結(jié)束語

針對某高速動車組車體側(cè)墻焊接裝配過程，采用有限元仿真的方法，研究了工裝定位偏差對焊接裝配變形的影響，為側(cè)墻工裝的規(guī)范和調(diào)整提供理論性的指導(dǎo)。作為側(cè)墻裝配質(zhì)量提升工程的一部分，取得了較好的效果。

［1］ J.T.Barfield，C.A.Raiborn，M.R.Kinney，Cost Accounting，Traditions and Innovations［C］.5th ed.，Thomsom Southwestern，2003.

［2］ 陳啟申，David M Anderson，B Joseph PineⅡ.ERP-從內(nèi)部集成起步［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

［3］ David M Anderson，B Joseph PineⅡ.21世紀(jì)企業(yè)競爭前沿——大規(guī)模定制模式下的敏捷產(chǎn)品開發(fā)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1999.

［4］ KAI A.OLSEN，PER SAETER and ANDERS THORSTENSON，a Procedure-Oriented Generic Bill Of Materials［J］.Computers and Industrial Engineering，1997，32（1）：29～45.

［5］ 楊炳儒.知識工程與知識發(fā)現(xiàn)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2000.

Simulation Analysis of High-speed EMU Car Body Side Wall Assembly Deformation

YANG Jianhua1，SANG Hongpeng1，ZHOU Lijin1，LIN Jia2，LI Zhimin2
（1 Manufacturing Technology Center Tangshan Railway Vehicle Co.，Ltd.，Tangshan 063035 Hebei，China；2 School of Mechanical and Power Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China）

Car body assembly quality control is the key to the EMU manufacture quality improvement.In a high-speed EMU car body side wall welding and assembly process，the method of finite element simulation is adopted to study the influence of tooling positioning deviation on the deformation of welding and assembly，providing theoretical guidance for side wall tooling specifications and adjustment.

the finite element simulation；assembly quality control

U271.91

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.03.04

1008－7842（2014）03－0014－04

*唐山軌道客車有限責(zé)任公司科技項目（2013TCZ049），（2013TCT080）

9—）男，工程師（

2013－09－08）