動車組側(cè)墻制造工藝研究

李凡

摘 要：動車組側(cè)墻組成是車體主要大部件，其組焊后整體的尺寸、輪廓度等既影響后續(xù)車體總裝配的質(zhì)量，又直接影響車體外觀、強度等性能，為此制造精度要求高，是動車組車體制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。鑒于此，本文對動車組側(cè)墻制造工藝優(yōu)化方法進行了分析，將I-DEAS有限元分析引入工藝制造過程，發(fā)揮數(shù)據(jù)計算分析優(yōu)勢，采取數(shù)值模擬與試驗測試相結(jié)合的方法，達到提高產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率的目的。

關(guān)鍵詞：動車組；側(cè)墻制造；工藝優(yōu)化；有限元

1引言

在現(xiàn)車生產(chǎn)過程中，側(cè)墻組裝質(zhì)量控制一直是車體制造中的重點與難點。動車組車體生產(chǎn)制造過程中，針對工藝設(shè)計中的實際情況及存在問題，采取數(shù)值模擬與試驗測試相結(jié)合的方法，優(yōu)化現(xiàn)有工作狀態(tài)，提高制造質(zhì)量及生產(chǎn)效率，并實現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)及經(jīng)驗的積累。

2側(cè)墻工藝優(yōu)化

2.1工藝流程分析

動車組車體側(cè)墻采用薄壁中空長大擠壓鋁型材結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為6005-T6，車體長度方向有4條長大焊縫，通過側(cè)墻組焊工裝完成長大型材的組裝，先進行側(cè)墻反而裝配，按照上墻板、窗上板、窗間板、窗下板、下墻板的順序進行組裝，高度方向以上墻板上沿定位，通過工裝的拉緊裝置對側(cè)墻下墻板進行拉緊，形成10-12mm的側(cè)墻撓度，然后利用IG M機械自動焊實現(xiàn)5塊型材的連接，冷卻后，翻轉(zhuǎn)再進行正而焊接，正、反兩側(cè)裝配組焊完成后出胎檢測，對不合格尺寸進行調(diào)修，從而完成最終產(chǎn)品。

2.2問題表現(xiàn)與分析

在生產(chǎn)過程中通過批量跟蹤和測量發(fā)現(xiàn)，側(cè)墻組焊后尺寸合格率較低，大部分尺寸需要依靠調(diào)修來保證，現(xiàn)有調(diào)修前的合格率遠遠不能滿足要求，但調(diào)修作為組焊后保證部件尺寸的后補措施，調(diào)修過多不但影響生產(chǎn)效率，而且需要在高溫火烤下實施，對型材的強度和剛度影響較大，對部件的疲勞使用壽命也將產(chǎn)生隱患。

通過對工裝定位壓卡情況的跟蹤和分析，并結(jié)合實踐經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生問題的原因來自以下方面：（1）預(yù)設(shè)支撐板變形量引起變形。側(cè)墻組焊工裝的反裝胎位是側(cè)墻的理論輪廓，反裝胎位預(yù)設(shè)了反變形，通過數(shù)據(jù)積累發(fā)現(xiàn)，不同的預(yù)設(shè)反變形量，側(cè)墻焊后輪廓度會有很大偏差。（2）側(cè)墻工裝部分壓塊的位置偏離支撐板上方。工裝夾具的作用是固定被夾持的工件，并能保持穩(wěn)定狀態(tài)，要求不能產(chǎn)生附加變形，因此從工裝設(shè)計及操作工藝上說，夾具的夾持部位必須在支撐工裝正上方，但在實際中，由于工裝結(jié)構(gòu)的限制，部分壓塊不能達到以上要求，并且由于夾具的壓緊力達4t，工件下部懸空無支撐，必然導(dǎo)致側(cè)墻各型材對接焊縫錯邊。

2.3有限元分析

2.3.1建立側(cè)墻幾何模型

由于動車組側(cè)墻為長薄板型材件，采用實體建模會導(dǎo)致后續(xù)的有限元劃分數(shù)量過于龐大，難以求解。因此在仿真中使用片體建模，以板單元劃分單元格（見圖1），根據(jù)側(cè)墻實際情況具體設(shè)置側(cè)墻各部位板單元厚度。板單元的厚度依照型材斷而圖中厚度進行相應(yīng)設(shè)置。圖2以不同顏色來表示側(cè)墻板厚設(shè)置。模擬側(cè)墻反裝狀態(tài)第一道焊縫的壓卡焊接過程。

2.3.2有限元建模及材料參數(shù)

根據(jù)建立的幾何模型，利用I-DEAS軟件建立有限元模型。由于側(cè)墻在裝配時采用焊接方式進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。為了載荷施加便利及局部應(yīng)力和變形的分析，并減少計算量，整個模型采用殼單元進行劃分。動車組側(cè)墻材料采用鋁合金6005A，材料力學(xué)參數(shù)為：彈性模量E=70GPa，泊松比0.3，密度2 700 kg/m3，熱膨脹系數(shù)2 3 .6 e-6/K，背景溫度20℃，屈服強度280 M Pa。

2.3.3計算求解

依據(jù)側(cè)墻生產(chǎn)實際情況，分別設(shè)定3種工況：（1）工況1：工裝配合處于理論狀態(tài)。壓塊與支撐板保持在一條直線上無橫向偏移，支撐板與側(cè)墻外輪廓完全貼合。（2）工況2：壓塊在橫向偏移支撐板350 m m，側(cè)墻工裝支撐板表而與側(cè)墻表而完全密貼。（3）工況3：工裝壓塊偏移350 m m，支撐板與側(cè)墻未完全密貼。 根據(jù)以上3種工況分別施加邊界條件及載荷：（1）載荷：壓塊載荷一一根據(jù)壓力和壓塊而積，求解壓塊載荷，并在相應(yīng)位置施加外力載荷；溫度載荷一一根據(jù)固有應(yīng)變法算出焊接引起的熱應(yīng)變，不考慮塑性應(yīng)變和相變應(yīng)變，將熱應(yīng)變再換算成溫度，在模型上施加溫度載荷。（2）約束：模擬實際支撐板和定位塊的約束條件，對模型實施約束。通過仿真求解，得出以下結(jié)果：工況1：最大位移為0.435 m m，局部最大應(yīng)力為45.6 M Pa。工況2：最大位移為0.864 m m，局部最大應(yīng)力為47.9 M Pa。工況3：最大位移為0.901 mm，局部最大應(yīng)力為48.2 M P a。

2.3.4結(jié)論

通過對側(cè)墻反裝第一道焊縫進行模擬計算分析，3種工況的位移變化較大。（1）當(dāng)壓塊和支撐板不在一條直線上時，側(cè)墻位移和壓塊處的局部應(yīng)力都明顯增大，尤其是位移變化最為明顯，對側(cè)墻裝配質(zhì)量影響也最大，應(yīng)保證壓塊和支撐板盡量在一條直線上。（2）當(dāng)支撐板與側(cè)墻不完全貼合時，側(cè)墻位移也會明顯增大。應(yīng)該盡量使支撐板與側(cè)墻外輪廓保持良好的貼合狀態(tài)。（3）工況3的位移是工況1位移的2倍多。如果側(cè)墻部位的所有8條焊縫完全實施，情況將更加嚴重。以上模擬分析計算的結(jié)果，與實際生產(chǎn)情況及經(jīng)驗推測完全一致，驗證了前期經(jīng)驗的定性分析。

2.4工藝措施

（1）編制《側(cè)墻組焊工裝壓緊規(guī)范》，針對工裝壓卡位置進行規(guī)范，生產(chǎn)中的每次裝卡要求操作人員按照正確順序、正確位置裝卡。（2）對側(cè)墻輪廓進行檢測及數(shù)據(jù)分析，對輪廓度較好時間段內(nèi)的側(cè)墻支撐反變形數(shù)據(jù)進行固化，當(dāng)側(cè)墻變形量明顯變大時，對支撐板的反變形進行測量，并通過固化的數(shù)據(jù)對反變形進行修正。（3）對支撐板進行測量，根據(jù)測量結(jié)果調(diào)整所有支撐板，保障它們的一致性及與側(cè)墻外輪廓的良好貼合狀態(tài)，在現(xiàn)車生產(chǎn)中嚴格按照工況1的要求進行工作。

3結(jié)語

本文僅以車體側(cè)墻為例，說明了有限元分析在工藝制造過程中的應(yīng)用，推廣到整個產(chǎn)品制造過程中，作為工藝方法、偏差控制等的依據(jù)，均可使用經(jīng)驗加有限元分析方法，針對問題分析原因找出對策，使工藝制造手段更先進，方法更科學(xué)，提高工藝制造質(zhì)量與效率。通過工藝優(yōu)化，將I-DEAS有限元分析軟件引入現(xiàn)車生產(chǎn)，通過數(shù)據(jù)的模擬分析，將傳統(tǒng)憑經(jīng)驗的定性分析提升為數(shù)據(jù)計算加經(jīng)驗的定量分析，用數(shù)值說話，取得良好效果，說明該工藝優(yōu)化方法可行有效。

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