地鐵轉向架焊接構架協同設計方法分析

劉忠強 郭飛龍

摘 要：將協同設計方法融入到地鐵轉向架焊接構架中是提高制造質量的必然過程，實現結構設計與焊接工藝契合性提升，從而提高生產制造、創新研發的質量和效率。本文結合有限元仿真技術以及模擬數據處理技術等構建一項應用系統，通過多量有限元模型的組合應用實現對焊接操作以及結構優化方式的改進，以供相關工作參考。

關鍵詞：關鍵詞：地鐵轉向架;焊接工藝;協同設計;應用系統

前言：

軌道交通運輸在新時代背景下得到更充分發展，城市地鐵更是其中重要組成部分，運輸能力更加優越，可有效緩解城市交通運輸壓力。但我們也應認識到，地鐵交通系統安全穩定的重要性，一旦出現事故問題，將會造成更嚴重危害，更需重視地鐵車輛制造時質量的保證，尤其是轉向架焊接構架方面，構件及參數合理才能提高地鐵運輸的安全性。協同設計是基于設計與工藝兩方結合應用的新設計模式，以計算機技術和相關數據分析技術、有限元技術革新為基礎，以模擬量的規律探究獲得對結構設計的優化升級，從而提高轉向架制造質量。

1、協同設計實際應用的基本概述

結構和工藝的協同設計在地鐵轉向架焊接構架中具有重要的應用價值，以往制造革新中，多以單一設計優化或是對構架焊接操作某些不合理支持加以修正，以此提高焊接質量，但實際上這種片面模式往往就是多次故障的不斷檢修，不僅浪費時間，而且成效不高。如圖一所示，地鐵轉向架結構比較復雜，包括多組構件，在具體焊接操作中容易受工藝應用多種因素影響，不對其嚴加控制，很容易造成整體結構質量的不合理。協同設計的實現主要局限在缺乏工藝操作中的大量反饋變化數據，因而無法進行全面的工藝應用分析，結構設計優化自然也會受到很大限制[1]。

不過隨著信息技術、數據處理技術、計算機技術的革新發展，協同設計已經具備應用基礎，通過構架結構設計過程中全面考慮焊接工藝要求，兼顧實際工藝難點及應力干擾問題，使轉向架構架設計方案與實際焊接操作之間能夠實現良好的對接。具體應用原理就是，通過計算機的模擬運算，在設計過程中，綜合分析不同工藝參數下焊接操作應用中構架應力與變形的具體反饋數據，通過參數調整以及結構設計的優化，使其兩者達成最準確的匹配模式，縮短設計、制造的成本與時間，提高焊接操作應用效果，從而實現整體結構質量的改進。

2、協同設計系統的具體設計

本文所討論的協同設計方法是基于模擬信息量處理系統而言的，屬于數據模擬仿真系統，其中主要包括有限元仿真技術與數據模擬技術，隨后本文將對其基本結構加以分析。

2.1系統總體構架

該系統因為屬于數據模擬處理系統，所以在具體設計上會從多個角度進行相關影響因素的分析，整體結構分為數據庫模塊、數據采集模塊、數據處理模塊、數據反饋模塊，這四項模塊屬于系統基礎層，也是各數據處理關鍵點，以其為核心，可進行更多模擬應用的設計與補充。而系統應用層主要通過數據反饋模塊，將系統應用功能反饋給用戶，提供各類模擬數據結果，以此獲得不同參數下焊接工藝操作對結構質量的影響，為結構設計的優化提供必要的參考依據。

2.2系統主要應用功能

該系統的具體應用主要從數據采集開始，需要對各項參數加以明確，系統初始設計時會提供包括構架焊接工藝參數、結構參數、載荷參數等選項，需在使用中輸入轉向架構架焊接操作相關的基本數據信息，如所用材質、焊接電力狀況、熱源信息等多項內容，數據處理系統能夠結合既定的方程算法模型對其進行數據的分析處理，并連接動態反饋，對后續工藝操作調整展開即時數據變化，從而明確不同施工工藝對既定設計方案的影響。具體數據采集可通過傳感器對焊接操作過程中電流電壓變化、熱源變化等進行更全面的數據整合，并依據其變化規律構建仿真模型，通過數據離散情況在轉向架模型上進行直觀表現，多模型疊加并進行數據修正，就可以更準確辨識出設計中的不足支持，提高對焊接工藝或結構設計的改進效率。本文結合應力場模擬數值仿真的具體數據處理過程對部分系統應用功能加以簡要概述。

2.3應力場的數值模擬仿真

應力場的數值模擬仿真主要是對焊接殘余應力的控制，溫度場的不均勻變化會導致各種構件出現各種程度的非預制變形狀況，或者受不均勻冷卻、火焰切割等因素影響，都會導致殘余應力產生，殘余應力和變形會對構架的結構強度和穩定性造成很大影響[2]，如圖二所示，殘余應力如果沒有有效控制，很可能導致構件結構受力不均衡，從而對結構質量產生危害。

在應力場的分析中會涉及到材料、熱源、焊接參數三個主要影響因素，其中尤以焊接參數影響最大，焊接供電、焊接速度、約束條件都是其中關鍵內容，在進行數據的具體分析中需對重點關注。材料方面考慮到的內容相對較少，結合所要焊接部位的材料性質進行具體數據代入即可，應力場分析需要考慮到密度、強度、彈性模量等方面;熱源模型的建立相對復雜，改變以往橢球熱源模型，而選用組合型熱源模型，對熔寬、熔深進行綜合分析，保證熔池尺寸分析的全面性，以及構建模擬規律圖像，為應力場模擬計算提供熱源數據支持;焊接參數方面，因為影響條件相對較多，所以在具體分析中對這方面要求比較高，需要結合供電中電流、電壓變化情況，以及焊接速度、約束條件等構建對應數據模型，以此分析出不同工藝操作下的焊接數據反饋情況，作為應力場模擬計算的又一數據支持。三項數據模型全部構建完善之后，即可結合既定方程算法模型對應力場變化情況加以分析，并構建有限元模型，對各結構處的殘余應力加以明確[3]。

3、結束語

總之，地鐵轉向架焊接構架的質量管控對于轉向架整體質量而言至關重要，更影響著地鐵運輸安全性和穩定性，務必在生產制造過程中提高質量管控的重視度;將協同設計融入構架焊接工藝中，使焊接工藝參數影響得以更全面地把控，為結構設計提供重要的參考數據，同時，本文系統設計中還存在一些不足之處，系統分析數據內容仍比較繁瑣，而且數據收集容易受施工環境影響，這些問題還需進一步的技術優化應用，以此提高轉向架構建合理性。

參考文獻：

[1]趙建波.地鐵類轉向架零部件焊接質量要求研究[J].山東工業技術，2018（08）：42.

[2]劉陽，于云海，祁建偉，姜斌，段澤斌.120A型地鐵轉向架側梁焊接變形控制工藝研究[J].焊接技術，2019，48（04）：82.

[3]宋慶偉，姜朝勇等.B型地鐵轉向架構架優化設計分析[J].電力機車與城軌車輛，2020，43（01）：48.