基于VisVSA的高速列車車頂的裝配偏差仿真分析

李寶旺，李永軍，劉 濤，李志敏，姚利民

（1.中車唐山機車車輛有限公司制造技術中心，唐山 064000；2.上海交通大學 上海市復雜薄板結構數字化制造重點實驗室，上海 200240）

基于VisVSA的高速列車車頂的裝配偏差仿真分析

李寶旺1，李永軍1，劉 濤2，李志敏2，姚利民2

（1.中車唐山機車車輛有限公司制造技術中心，唐山 064000；2.上海交通大學 上海市復雜薄板結構數字化制造重點實驗室，上海 200240）

高速列車車頂的裝配質量是影響車體總成制造質量的關鍵因素。利用三維公差分析軟件

VisVSA對高速列車的車頂進行了裝配偏差仿真分析。結果表明，車頂的高度的超差率不能滿足原有公差設定下的要求。依據仿真分析結果對偏差貢獻度較大的零部件公差進行修正，修正后的超差率明顯減小，滿足裝配要求，在保證檢測質量的前提下，可以有效提高生產效率。

高速列車；車頂裝配；偏差VisVSA

0 引言

高速列車可以滿足長距離、大運量、高密度、短時間的運輸要求，對推動國民經濟發展和社會的進步起著舉足輕重的作用[1]。高速列車的設計制造是一個復雜的系統工程，車體的裝配精度是使列車能夠滿足運行平穩性、乘坐舒適性、行駛安全性設計需求的前提和保障。高速列車車體零部件工藝流程復雜，具有多級、多層面的復雜產品結構和制造系統特征。為了進一步提升車體產品質量，傳統的主要依賴于經驗和物理樣車的車體開發手段已經難以適應高速列車制造業發展和市場需求，高速列車車體制造質量是制約我國軌道裝備制造業自主品牌高速列車發展的關鍵問題。只有依靠數字化手段，開展車體總成結構與大部件尺寸工程設計、裝配工藝偏差仿真等方面的研究工作，圍繞三維數字模型進行面向質量的車體產品工藝設計和性能分析等，才能實現車體高效率開發、高精度制造并不斷降低開發和制造成本。

車頂作為高速列車車體總成的關鍵大部件之一，其制造質量不僅影響著車體外觀和車體總成的裝配精度，同時也影響車輛運營性能。車頂組成主要由長圓頂、短圓頂、平頂、端頂和側邊梁等零部件組成，主要為鋁合金擠壓型材；通過定義工裝匹配點，反應車頂組成裝配過程中工裝偏差對于車頂測量偏差的影響；通過定義各零件基準、公差和匹配關系，及裝配順序，完成車頂的裝配定義。其測量的目標包括車頂的長度、寬度和空調框長度、寬度等量。目前，我國的高鐵制造技術還處于起步發展階段，缺乏一套行之有效的車頂偏差控制方法，導致產品的一次成型合格率較低。對于超差的產品，只能依靠火焰和機械調修來保證后續裝配工序的順利進行，這不僅增加了制造成本、影響到生產進度，更嚴重削弱了車頂的強度，為列車的行駛安全埋下隱患[3]。因此有必要在設計階段對車頂進行裝配偏差分析，以驗證零部件制造及裝配偏差是否滿足設計要求。

本文借助三維偏差分析軟件VisVSA對高速列車的車頂進行裝配偏差分析，通過建立偏差傳遞的尺寸鏈模型，分析零件制造及裝配偏差對車頂寬度和外形輪廓的影響，并修正對其影響最顯著的偏差，解決一次裝配合格率低的問題，同時為測點選擇優化選擇提供參考依據。

1 VisVSA裝配偏差建模仿真分析

裝配是決定最終產品質量的重要制造過程，但是由于實際生產的零件與設計圖紙之間不可避免的存在一定的尺寸差別，而且尺寸偏差在裝配過程中進行積累與傳播，因此會極大地影響產品的最終質量[2]。裝配偏差分析可以借助偏差分析仿真軟件建立偏差源和輸出測點偏差之間的互相關系，從而指導公差設計和分配，提高產品質量的同時，還能有效的節約制造成本[3]。

VisVSA是一款基于Monte Carlo模擬的三維偏差分析軟件，通過賦予特征給定的公差范圍，并讓其在用戶定義的分布規律內變動，模擬尺寸鏈的傳遞，最終可得到所添加測量的均值、標準差、分布規律、貢獻度和敏感度等結果[4]。本文結合車頂產品的結構和制造工藝特點，利用VisVSA建立了車頂的裝配偏差仿真模型，給出了仿真結果并對結果進行了分析。

1.1 測量需求及測點布置

高速列車的車頂車頂組成主要由長圓頂、短圓頂、平頂、端頂和側邊梁等零部件組成，如圖1所示。車頂主要組成零件之間通過對接和搭接的形式焊接起來，實現車頂的組裝，然后在加工中心加工出空調框，最后安裝附件，完成車頂的制造。車頂裝配后的高度和外形輪廓是其關鍵控制特征，為了使關鍵控制特征尺寸處于設計要求范圍內，需要在車頂截面上布置測點來檢測高度和外形輪廓的尺寸偏差。

車頂的外形輪廓的測量需要在每塊鋁型材外輪廓面上布置測點，長圓頂5塊型材的外輪廓面分別均勻的布置了7個測量點，通過計算各個測量點與參考點y方向的距離，便可得到車頂外形輪廓的測量結果。為了使最終裝配后的尺寸滿足車體總成的裝配精度和外形美觀的要求，車頂的高度和外形輪廓的波動均須保持在±2mm之內。

1.2 裝配尺寸鏈分析

合理的裝配偏差建模需要對裝配尺寸鏈進行分析，正確的尺寸鏈能真實的反映各公差的傳遞情況，是進行公差分析[5,6]與公差綜合[7,8]的基礎。本文針對車頂的測量需求，分別對車頂寬度（z方向）和外形輪廓（y方向）進行了裝配尺寸鏈分析。VisVSA的零部件裝配順序對偏差建模的結果有重要的影響。車頂由5塊鋁型材通過搭接和對接的形式進行裝配。由于車頂每兩個零件之間的連接屬于間隙配合，因此零件會存在微小的轉動，而這微小的轉動會對裝配后的車頂高度和外形輪廓產生較大的影響，這也是產生裝配偏差的主要原因。考慮到這個因素，本文采用Slot特征與Tab特征的浮動配合方式來模擬兩個零件之間的裝配關系，同時用Plane特征與Plane特征作為第二約束實現零件的完全定位，基于零件模型均為剛體零件的假設基礎上，且尺寸公差不會影響到車頂x方向的尺寸變動，故為了方便建模，只截取車頂的部分進行分析。

在VisVSA中的仿真計算基于以下假設：零件為剛性件；不考慮裝配力、熱膨脹、焊接變形和回彈影響；所有的幾何特征公差均服從正太分布；所有零件公差只考慮±3σ（標準偏差）范圍[9]。仿真分析采用5000個樣本進行模擬。依據設計圖紙確定車頂高度和外形輪廓的偏差均為±2mm。

車頂部件在長度方向相對較大，其寬度測量需要在不同長度方向定義多組測量。通過蒙特卡洛仿真可得到圖2、圖3所示結果。

由圖2測量結果可以看出，呈現正態分布，但寬度出現了一定的均值偏移；車頂寬度各項的貢獻度較為分散，前10項貢獻度分別為8.65%～5.53%；可見，在目前模型公差設定下，各項車頂型材的寬度對最終總成的寬度影響均有影響。

圖3 空調框寬度測量

由圖3測量結果可以看出，測量結果呈現正態分布，空調框寬度出現了約2mm的均值偏移；空調框5號型材、8號型材的接觸面的輪廓度的貢獻度約為78.39%。

在經過第二次修正之后，車頂高度偏差由6.81%下降到4.94%，小于5%，滿足裝配要求，可見修正的效果非常顯著，達到預期要求。

2 結論

本文采用VisVSA軟件對高速列車的車頂進行了裝

【】【】配偏差分析，分別測量了車頂裝配后的寬度和外形輪廓，依據仿真計算的結果對貢獻度大的零部件的公差進行了兩次修正，并再次進行仿真分析，結果顯示經過修正后的超差率均能滿足小于5%的設定目標，同時發現在車頂裝配中的定位方式對最終的偏差影響較顯著；本文還根據仿真計算結果對車頂的測點進行優化選擇，在保證檢測質量的前提下，減少了測點數量，提高了生產效率。

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Simulative analysis of assembling deviation for car roof of high-speed train for measure points based on VisVSA

LI Bao-wang1, LI Yong-jun1, LIU Tao1, LI Zhi-min2, YAO Li-min2

THl61

：A

：1009-0134(2017)05-0151-02

2017-04-24

2016年智能制造綜合標準化與新模式應用項目（2016093）

李寶旺（1980 -），男，河北唐山人，高級工程師，本科，主要從事軌道客車制造技術研究。