工程仿真在車體扭轉(zhuǎn)變形分析中的應(yīng)用

宋雷雷,高潔,袁峰,薛海峰,趙云峰

（中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇南京210031）

工程仿真在車體扭轉(zhuǎn)變形分析中的應(yīng)用

宋雷雷,高潔,袁峰,薛海峰,趙云峰

（中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇南京210031）

隨著近年來仿真技術(shù)的迅速發(fā)展與應(yīng)用，工程仿真也越來越受重視，因其可在一定程度上驗證設(shè)計的合理性，優(yōu)化設(shè)計，且可在實際生產(chǎn)制造前發(fā)現(xiàn)工藝策劃中的潛在問題，避免不必要的浪費，節(jié)約企業(yè)制造成本。在軌道車輛生產(chǎn)過程中經(jīng)常會遇到一些制造服役失效問題，處理此類問題通常使用經(jīng)驗判別法或多次試驗法定性分析，沒有理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。利用工程仿真手段分析軌道車輛制造中遇到的典型失效問題，得出合理的仿真結(jié)果，協(xié)助解決現(xiàn)場制造問題，為其提供決策依據(jù)。

工程仿真；軌道車輛；制造服役失效

0前言

當(dāng)前正處于全球競爭時代，信息技術(shù)、計算機(jī)軟件技術(shù)飛速發(fā)展，更促進(jìn)了工程仿真技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。除了傳統(tǒng)領(lǐng)域以外，仿真技術(shù)在醫(yī)院研究、供應(yīng)鏈與物流、市場研究、汽車制造等方面也得到了成功應(yīng)用。隨著城市的不斷發(fā)展，對軌道交通的需求也日趨強(qiáng)烈，軌道車輛的質(zhì)量安全顯得尤為重要。以往在軌道車輛生產(chǎn)制造過程中遇到的問題，多采用傳統(tǒng)的經(jīng)驗判斷或多次反復(fù)試驗來處理，耗時耗力耗財。在精益生產(chǎn)的當(dāng)下無疑增加了企業(yè)的制造成本，降低了企業(yè)的市場競爭力。

在制造業(yè)發(fā)展迅速的今天，如何將現(xiàn)代的有限元數(shù)值仿真技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)的制造工藝，利用先進(jìn)的模擬仿真技術(shù)改造和提高傳統(tǒng)的制造工藝，解決和預(yù)防產(chǎn)品制造過程中暴露的或潛在的質(zhì)量問題，對提高我國軌道車輛的制造工藝水平有著非常重要的意義[1]。工程仿真主要針對部件變形、不當(dāng)裝配、誤操作等引起的部件異常，違背設(shè)計及工藝，但又無法判別其是否失效的情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析。在

定性地給出指導(dǎo)意見的同時，定量地給出參數(shù)范圍，供設(shè)計、質(zhì)量及工藝部門參考，提供決策依據(jù)[2]。

鋁合金車體組成部件體積大，且有一定長度，在吊運過程中若操作不當(dāng)、選擇的吊點位置不佳很容易引起部件變形，如何確定吊點位置成為關(guān)鍵。在車輛制造過程中還會遇到車體整車四點稱重異常問題，此時如何判別車體結(jié)構(gòu)的具體形變。通過工程模擬仿真能夠很好地解決以上類似問題。本研究基于通用有限元軟件ABAQUS和容差分析軟件VSA，模擬分析車體整車變形和尺寸傳遞，分析結(jié)果可為優(yōu)化制造工藝、解決現(xiàn)場問題提供理論參考[3]。

1模擬仿真過程描述

本研究通過分區(qū)域網(wǎng)格劃分、重力分布、單車與整車對比、重力載荷加載、仿真裝配統(tǒng)計、尺寸測量、現(xiàn)場跟蹤等工藝改善措施，在調(diào)查研究幾何尺寸與形位公差信息在產(chǎn)品設(shè)計、工藝規(guī)劃、測量輔助裝配、生產(chǎn)制造、交檢驗收與供方質(zhì)量管理等諸多環(huán)節(jié)的定義、傳遞、規(guī)劃、檢控與反饋的同時，借助先進(jìn)的數(shù)字化容差仿真分析技術(shù)，驗證和預(yù)測關(guān)鍵尺寸控制規(guī)范（DTS），建立一套較為完整的制造服役失效問題仿真工藝系統(tǒng)，推演車輛結(jié)構(gòu)可能的制造行為，以數(shù)字化形式完成產(chǎn)品的工藝優(yōu)化[4]。

1.1車體結(jié)構(gòu)

鋁合金車體即未安裝任何機(jī)械及電氣設(shè)備時的車體結(jié)構(gòu)，是軌道車輛的重要組成部件。車體主要由底架、側(cè)墻、車頂、端墻及車頭五部分構(gòu)成[5]。本研究對象為鼓型鋁合金車體模型，依據(jù)其四點稱重的數(shù)據(jù)仿真分析其變形情況，根據(jù)變形數(shù)據(jù)進(jìn)行三維裝配容差仿真分析，車體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 車體結(jié)構(gòu)

1.2仿真模型的選擇

主要分析車體結(jié)構(gòu)變形以及尺寸的累積變化。嘗試從已變形狀態(tài)、相關(guān)的幾何尺寸與形位公差定義與分配、測量與裝配的定位基準(zhǔn)系統(tǒng)、工裝夾具的定位策略與應(yīng)用、測量輔助裝配工藝等方面提供優(yōu)化建議方案，并進(jìn)行優(yōu)化仿真迭代分析驗證，從而為解決實際幾何尺寸質(zhì)量問題提供指導(dǎo)[6]。因車體總成落胎后變形分析主要是結(jié)構(gòu)變形及各部件尺寸傳遞，簡化計算的同時，保證計算的合理性，車體的有限元模型如圖2所示。

圖2 車體的有限元模型

剖析車體各部件尺寸鏈傳遞，對于不滿足設(shè)計目標(biāo)的尺寸技術(shù)規(guī)范提出與設(shè)計、工藝和裝配相關(guān)的修改意見，決定零件和裝配件的關(guān)鍵公差變化（CTQ），預(yù)測加工的能力，指出影響公差變化的最大因素。仿真裝配模型如圖3所示。

圖3 仿真裝配模型

1.3仿真過程描述

以鋁合金車體總成結(jié)構(gòu)為研究對象，結(jié)合四點稱重工藝，進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形模擬仿真，研究內(nèi)容包括：

（1）根據(jù)研究目的，導(dǎo)入簡化后的鋁合金車體總成三維模型。

（2）根據(jù)四點稱重數(shù)據(jù)，加載重力載荷，并根據(jù)側(cè)墻垂直度測量值，加載垂直度超差數(shù)據(jù)載荷及邊界描述。

（3）根據(jù)以往經(jīng)驗及基礎(chǔ)力學(xué)性能試驗的模型，賦予6005A材料性能參數(shù)。

（4）根據(jù)實際生產(chǎn)時的工裝夾具，建立有效的邊界條件，進(jìn)行扭曲變形的有限元分析。

（5）進(jìn)行整車變形場及應(yīng)力場分析。

（6）測量比較對角差與直線度數(shù)據(jù)，找出車體扭曲時最大變形位置。

（7）結(jié)合分析結(jié)果，總結(jié)變形規(guī)律。

（8）從尺寸管理角度，根據(jù)工藝尺寸鏈裝配順

序規(guī)劃，設(shè)計車體總成預(yù)組工藝過程以及這些子模塊下一級的定位、測量裝配與調(diào)整。

（9）進(jìn)行仿真裝配及各尺寸變化趨勢推演，進(jìn)而進(jìn)行車體扭曲轉(zhuǎn)化計算。

（10）對公差進(jìn)行高精度模擬仿真，并定量分析和預(yù)測仿真。

（11）進(jìn)行工藝過程總結(jié)及方案優(yōu)化。

2仿真分析理論模型描述及假設(shè)

在此描述的工程仿真方法主要基于靜力學(xué)分析的有限元計算及基于蒙特卡羅法的尺寸容差計算。

靜力學(xué)（statics）是研究物體平衡或力系平衡規(guī)律的力學(xué)分支，主要研究物體在力的作用下處于平衡的規(guī)律，以及如何建立各種力系的平衡條件[7]。在解決塑性變形的實際問題時，三個主要方向的變形比較直觀，如矩形斷面工件的長、寬、高方向；圓形斷面的長向、切向和徑向的變形，對非矩形斷面，常把斷面劃分成幾個矩形的單元，分析其變形。與主軸方向一致的變形稱為主變形（也稱主應(yīng)變）。一般相對變形不能表示變形的實際情況，而且變形程度越大，誤差越大。

對于線性靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析（Linear Static Analysis），使用小變形理論，假設(shè)線彈性材料行為位移{x}由下面的矩陣方程解出

式中[K]為一個常量矩陣；{F}為靜態(tài)加載模型。

蒙特·卡羅方法（Monte Carlo method）也稱統(tǒng)計模擬方法，是使用隨機(jī)數(shù)（或更常見的偽隨機(jī)數(shù)）來解決計算問題的方法。與其對應(yīng)的是確定性算法。用蒙特·卡羅方法模擬某一過程時，需要產(chǎn)生某一概率分布的隨機(jī)變量，然后用統(tǒng)計方法估計模型的數(shù)字特征，得到實際問題的數(shù)值解。從理論上來說，蒙特卡羅方法需要大量實驗。實驗次數(shù)越多，結(jié)果越精確。計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使蒙特卡羅方法在最近十年得到快速普及。現(xiàn)代的蒙特卡羅方法已不必親自動手做實驗，而是借助計算機(jī)的高速運轉(zhuǎn)能力，使原本費時費力的實驗過程變得快速和便捷。

Cp工藝能力說明：

式中USL為公差上限；LSL為公差下限；σ為過程能力指數(shù)。

Cp≥1.33，工藝穩(wěn)定，零件公差、裝配工序等過程公差累積可達(dá)到設(shè)計目標(biāo)要求（DTS），縮小DTS目標(biāo)值。1.00≤Cp＜1.33，可能出現(xiàn)超差情況，必須注意控制各環(huán)節(jié)公差（貢獻(xiàn)因子）。Cp＜1.00，檢查DTS目標(biāo)設(shè)計值和各工序過程公差，使用當(dāng)前零件與工藝生產(chǎn)出的產(chǎn)品，可能無法滿足精密工作（精度）的要求。

3車體變形仿真過程描述

3.1有限元網(wǎng)格劃分及測量數(shù)據(jù)描述

鼓型鋁合金車體結(jié)構(gòu)對稱，截面一致，網(wǎng)格處理相對容易，均勻設(shè)置網(wǎng)格大小，車體的網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 車體的網(wǎng)格劃分

針對車體四點稱重超差現(xiàn)象，在四點稱重臺位車體水平狀態(tài)下，選擇車體上邊梁為變形基準(zhǔn)點，檢測該車體側(cè)墻垂直度，分別在一位側(cè)及二位側(cè)設(shè)置6個測量點，如圖5所示。測量結(jié)果如表1所示。

圖5 車體測量點位置描述

表1 側(cè)墻垂直度測量結(jié)果mm

3.2載荷描述

將四點稱重數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為重力載荷進(jìn)行加載，此處簡化以地板中心點為變形基準(zhǔn)點，根據(jù)四點稱重的數(shù)據(jù)，在車體底架部件的四個空簧位置加載重力載荷。并根據(jù)側(cè)墻垂直度測量結(jié)果，分別在一位側(cè)及二位側(cè)的6個點加載朝向車內(nèi)或車外的位移變形載荷，如圖6所示。

3.3車體扭曲變形結(jié)果

提交計算后，進(jìn)行后處理分析。調(diào)整視覺角度

及變形放大倍數(shù)，車體扭曲變形如圖7所示，車體內(nèi)寬變化較小，但發(fā)生了扭曲變形。

圖6 載荷描述

圖7 車體扭轉(zhuǎn)變形

3.4提取對角差及垂直度數(shù)據(jù)

針對以上有限元分析結(jié)果，在后處理中提取車體對角差數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 車體對角差

提取車體橫向變形數(shù)據(jù)得出結(jié)論，最大變形出現(xiàn)在一位側(cè)下邊梁位置，且直線度超差最大值不超過4 mm。

4車體扭曲尺寸仿真過程描述

假設(shè)所有零部件無任何偏差，所有裝配工藝過程完全保證對稱，基于對稱的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，重力將會對稱分布。因此，可以初步推斷影響車體扭轉(zhuǎn)的四個主要因素：車體總成預(yù)組的制造偏差、車體總成預(yù)組測量輔助裝配工藝的不對稱差異、焊接變形不對稱差異、所掛設(shè)備的質(zhì)量不對稱。其中，制造偏差與裝配工藝偏差為主要原因，如圖8所示。

圖8 車體扭轉(zhuǎn)尺寸理論假設(shè)

4.1基于5 000次迭代仿真裝配運算

驗證分析南京四號線的車體預(yù)組，對于不滿足既定設(shè)計目標(biāo)的尺寸技術(shù)規(guī)范提出與設(shè)計、工藝和裝配相關(guān)的修改意見，決定零件和裝配件的關(guān)鍵公差變化（CTQ），預(yù)測加工能力，指出影響公差變化的最大因素。在此次分析中，模型輸入的公差來自于產(chǎn)品圖紙、工藝文件輸入、安裝調(diào)試說明以及適度假設(shè)。車體尺寸鏈如圖9所示。

圖9 車體尺寸鏈

圖9中“1”代表地板測點到底架邊梁插槽間的尺寸，地板橫向撓度公差（位置和方向）、插槽位置與方向公差；“2”代表底架邊梁插槽到側(cè)墻插槽間的尺寸；“3”代表側(cè)墻插槽到側(cè)墻模塊間的尺寸；“4”代表側(cè)墻模塊通過吊錘回到底架邊梁進(jìn)行調(diào)整：調(diào)整公差、調(diào)整一致性差異、底架邊梁形狀位置公差；“5”代表側(cè)墻模塊到側(cè)墻上邊梁C型槽：模塊

公差、邊梁C型槽形狀與位置公差；“？”代表兩對角線的差值。

4.2裝配仿真結(jié)果分析

對圖9所示的尺寸鏈進(jìn)行模擬仿真，得出仿真結(jié)果，反映車體扭曲的尺寸主要為車內(nèi)對角差。從各個測量對象的影響因子分析來看，地板橫向撓度公差、側(cè)墻內(nèi)倒公差、各大部件測量點的公差為對車內(nèi)對角差影響最大的三個因素，設(shè)定車長方向為X，車寬方向為Y，車高方向為Z，如表3所示。

表3 車內(nèi)對角差尺寸關(guān)聯(lián)關(guān)系

4.3結(jié)果討論及建議

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研、輸入信息搜集與梳理、仿真結(jié)果影響因子分析，從大部件的幾何尺寸與形位公差、外購件的基準(zhǔn)體系公差、測量輔助裝配工藝三個方面提出分析和優(yōu)化建議。建議增加地板測點位置度檢測，如圖10所示。建議采用整體式檢測夾具測量側(cè)墻內(nèi)倒（見圖11）和增加側(cè)墻測點位置度檢測。

圖10 地板測點位置度檢測

圖11 側(cè)墻內(nèi)倒整體檢測夾具

4.4工藝驗證

經(jīng)過仿真推演及現(xiàn)場驗證，按照上述建議實施后，產(chǎn)品合格率明顯提升，如圖12所示。根據(jù)分析結(jié)果指導(dǎo)現(xiàn)場工藝的執(zhí)行，Cp＞1.0的產(chǎn)品由原來的44.7％提高到63.1％，如表4所示。

圖12 現(xiàn)場工藝驗證

表4 分析前后的工藝能力對比

5結(jié)果和討論

（1）統(tǒng)計角差，車體扭曲變形過程中車體兩側(cè)側(cè)墻同時扭曲，變形較大，但車體內(nèi)寬沒有變化。

（2）提取車體橫向變形數(shù)據(jù)，最大變形出現(xiàn)在一位側(cè)下邊梁位置，且直線度超差最大值不超過4 mm。車體在扭曲過程中，局部直線度變化較小。

（3）制造偏差與裝配工藝偏差為車體扭曲變形的主要原因。

（4）分析結(jié)果指導(dǎo)現(xiàn)場工藝的執(zhí)行，提高了產(chǎn)品合格率。

（5）結(jié)合現(xiàn)場工藝問題及仿真軟件，將工程仿真引入車體制造服役失效問題完全可以實現(xiàn)。

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Application of engineering simulation in the analysis of torsion deformation of car body

SONG Leilei，GAO Jie，YUAN Feng，XUE Haifeng，ZHAO Yunfeng
（CCSR Nanjing Puzhen Co.，Ltd.，Nanjing 210031，China）

With the rapid development and application of simulation technology in recent years，engineering simulation has attracted more and more attention，because it can verify the rationality of the design，optimization design to a certain extent，and in the actual manufacturing process planning before the discovery of potential problems，to avoid unnecessary manpower，material and financial resources waste，greatly saving manufacturing cost.In the production process of rail vehicles，there are often some problems in manufacturing service failure，which are usually used in the process of empirical or multiple test，no theoretical basis and data support.Using the engineering simulation method to analyze the typical failure problems encountered in the manufacture of rail vehicles，the reasonable simulation results are obtained，which can help to solve the problems in the field of manufacture and provide the basis for decision-making.

engineering simulation；rail vehicle；manufacturing service failure

TG404

A

1001-2303（2016）11-0083-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.11.17

獻(xiàn)

宋雷雷，高潔，袁峰，等.工程仿真在車體扭轉(zhuǎn)變形分析中的應(yīng)用[J].電焊機(jī)，2016，46（11）：83-87.

2016-01-06；

2016-05-18

宋雷雷（1985—），女，江蘇人，工程師，學(xué)士，主要從事數(shù)字化制造、CAE分析及仿真工程的研究工作。