動車組側墻制造工藝研究

李凡

摘 要：動車組側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車體總裝配的質量，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鍵環節。鑒于此，本文對動車組側墻制造工藝優化方法進行了分析，將I-DEAS有限元分析引入工藝制造過程，發揮數據計算分析優勢，采取數值模擬與試驗測試相結合的方法，達到提高產品質量及生產效率的目的。

關鍵詞：動車組；側墻制造；工藝優化；有限元

1引言

在現車生產過程中，側墻組裝質量控制一直是車體制造中的重點與難點。動車組車體生產制造過程中，針對工藝設計中的實際情況及存在問題，采取數值模擬與試驗測試相結合的方法，優化現有工作狀態，提高制造質量及生產效率，并實現工藝數據及經驗的積累。

2側墻工藝優化

2.1工藝流程分析

動車組車體側墻采用薄壁中空長大擠壓鋁型材結構，材質為6005-T6，車體長度方向有4條長大焊縫，通過側墻組焊工裝完成長大型材的組裝，先進行側墻反而裝配，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墻下墻板進行拉緊，形成10-12mm的側墻撓度，然后利用IG M機械自動焊實現5塊型材的連接，冷卻后，翻轉再進行正而焊接，正、反兩側裝配組焊完成后出胎檢測，對不合格尺寸進行調修，從而完成最終產品。

2.2問題表現與分析

在生產過程中通過批量跟蹤和測量發現，側墻組焊后尺寸合格率較低，大部分尺寸需要依靠調修來保證，現有調修前的合格率遠遠不能滿足要求，但調修作為組焊后保證部件尺寸的后補措施，調修過多不但影響生產效率，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生隱患。

通過對工裝定位壓卡情況的跟蹤和分析，并結合實踐經驗，發現產生問題的原因來自以下方面：（1）預設支撐板變形量引起變形。側墻組焊工裝的反裝胎位是側墻的理論輪廓，反裝胎位預設了反變形，通過數據積累發現，不同的預設反變形量，側墻焊后輪廓度會有很大偏差。（2）側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，并能保持穩定狀態，要求不能產生附加變形，因此從工裝設計及操作工藝上說，夾具的夾持部位必須在支撐工裝正上方，但在實際中，由于工裝結構的限制，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，必然導致側墻各型材對接焊縫錯邊。

2.3有限元分析

2.3.1建立側墻幾何模型

由于動車組側墻為長薄板型材件，采用實體建模會導致后續的有限元劃分數量過于龐大，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），根據側墻實際情況具體設置側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設置。圖2以不同顏色來表示側墻板厚設置。模擬側墻反裝狀態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

根據建立的幾何模型，利用I-DEAS軟件建立有限元模型。由于側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。動車組側墻材料采用鋁合金6005A，材料力學參數為：彈性模量E=70GPa，泊松比0.3，密度2 700 kg/m3，熱膨脹系數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

依據側墻生產實際情況，分別設定3種工況：（1）工況1：工裝配合處于理論狀態。壓塊與支撐板保持在一條直線上無橫向偏移，支撐板與側墻外輪廓完全貼合。（2）工況2：壓塊在橫向偏移支撐板350 m m，側墻工裝支撐板表而與側墻表而完全密貼。（3）工況3：工裝壓塊偏移350 m m，支撐板與側墻未完全密貼。 根據以上3種工況分別施加邊界條件及載荷：（1）載荷：壓塊載荷一一根據壓力和壓塊而積，求解壓塊載荷，并在相應位置施加外力載荷；溫度載荷一一根據固有應變法算出焊接引起的熱應變，不考慮塑性應變和相變應變，將熱應變再換算成溫度，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，得出以下結果：工況1：最大位移為0.435 m m，局部最大應力為45.6 M Pa。工況2：最大位移為0.864 m m，局部最大應力為47.9 M Pa。工況3：最大位移為0.901 mm，局部最大應力為48.2 M P a。

2.3.4結論

通過對側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）當壓塊和支撐板不在一條直線上時，側墻位移和壓塊處的局部應力都明顯增大，尤其是位移變化最為明顯，對側墻裝配質量影響也最大，應保證壓塊和支撐板盡量在一條直線上。（2）當支撐板與側墻不完全貼合時，側墻位移也會明顯增大。應該盡量使支撐板與側墻外輪廓保持良好的貼合狀態。（3）工況3的位移是工況1位移的2倍多。如果側墻部位的所有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果，與實際生產情況及經驗推測完全一致，驗證了前期經驗的定性分析。

2.4工藝措施

（1）編制《側墻組焊工裝壓緊規范》，針對工裝壓卡位置進行規范，生產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）對側墻輪廓進行檢測及數據分析，對輪廓度較好時間段內的側墻支撐反變形數據進行固化，當側墻變形量明顯變大時，對支撐板的反變形進行測量，并通過固化的數據對反變形進行修正。（3）對支撐板進行測量，根據測量結果調整所有支撐板，保障它們的一致性及與側墻外輪廓的良好貼合狀態，在現車生產中嚴格按照工況1的要求進行工作。

3結語

本文僅以車體側墻為例，說明了有限元分析在工藝制造過程中的應用，推廣到整個產品制造過程中，作為工藝方法、偏差控制等的依據，均可使用經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，提高工藝制造質量與效率。通過工藝優化，將I-DEAS有限元分析軟件引入現車生產，通過數據的模擬分析，將傳統憑經驗的定性分析提升為數據計算加經驗的定量分析，用數值說話，取得良好效果，說明該工藝優化方法可行有效。

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