动车组侧墙制造工艺研究

李凡

摘 要：动车组侧墙组成是车体主要大部件，其组焊后整体的尺寸、轮廓度等既影响后续车体总装配的质量，又直接影响车体外观、强度等性能，为此制造精度要求高，是动车组车体制造的关键环节。鉴于此，本文对动车组侧墙制造工艺优化方法进行了分析，将I-DEAS有限元分析引入工艺制造过程，发挥数据计算分析优势，采取数值模拟与试验测试相结合的方法，达到提高产品质量及生产效率的目的。

关键词：动车组；侧墙制造；工艺优化；有限元

1引言

在现车生产过程中，侧墙组装质量控制一直是车体制造中的重点与难点。动车组车体生产制造过程中，针对工艺设计中的实际情况及存在问题，采取数值模拟与试验测试相结合的方法，优化现有工作状态，提高制造质量及生产效率，并实现工艺数据及经验的积累。

2侧墙工艺优化

2.1工艺流程分析

动车组车体侧墙采用薄壁中空长大挤压铝型材结构，材质为6005-T6，车体长度方向有4条长大焊缝，通过侧墙组焊工装完成长大型材的组装，先进行侧墙反而装配，按照上墙板、窗上板、窗间板、窗下板、下墙板的顺序进行组装，高度方向以上墙板上沿定位，通过工装的拉紧装置对侧墙下墙板进行拉紧，形成10-12mm的侧墙挠度，然后利用IG M机械自动焊实现5块型材的连接，冷却后，翻转再进行正而焊接，正、反两侧装配组焊完成后出胎检测，对不合格尺寸进行调修，从而完成最终产品。

2.2问题表现与分析

在生产过程中通过批量跟踪和测量发现，侧墙组焊后尺寸合格率较低，大部分尺寸需要依靠调修来保证，现有调修前的合格率远远不能满足要求，但调修作为组焊后保证部件尺寸的后补措施，调修过多不但影响生产效率，而且需要在高温火烤下实施，对型材的强度和刚度影响较大，对部件的疲劳使用寿命也将产生隐患。

通过对工装定位压卡情况的跟踪和分析，并结合实践经验，发现产生问题的原因来自以下方面：（1）预设支撑板变形量引起变形。侧墙组焊工装的反装胎位是侧墙的理论轮廓，反装胎位预设了反变形，通过数据积累发现，不同的预设反变形量，侧墙焊后轮廓度会有很大偏差。（2）侧墙工装部分压块的位置偏离支撑板上方。工装夹具的作用是固定被夹持的工件，并能保持稳定状態，要求不能产生附加变形，因此从工装设计及操作工艺上说，夹具的夹持部位必须在支撑工装正上方，但在实际中，由于工装结构的限制，部分压块不能达到以上要求，并且由于夹具的压紧力达4t，工件下部悬空无支撑，必然导致侧墙各型材对接焊缝错边。

2.3有限元分析

2.3.1建立侧墙几何模型

由于动车组侧墙为长薄板型材件，采用实体建模会导致后续的有限元划分数量过于庞大，难以求解。因此在仿真中使用片体建模，以板单元划分单元格（见图1），根据侧墙实际情况具体设置侧墙各部位板单元厚度。板单元的厚度依照型材断而图中厚度进行相应设置。图2以不同颜色来表示侧墙板厚设置。模拟侧墙反装状态第一道焊缝的压卡焊接过程。

2.3.2有限元建模及材料参数

根据建立的几何模型，利用I-DEAS软件建立有限元模型。由于侧墙在装配时采用焊接方式进行各部件之间的连接，最后形成一个整体，故在建立有限元模型时，各部件之间连接采用共节点的方法模拟装配中的焊接工艺。为了载荷施加便利及局部应力和变形的分析，并减少计算量，整个模型采用壳单元进行划分。动车组侧墙材料采用铝合金6005A，材料力学参数为：弹性模量E=70GPa，泊松比0.3，密度2 700 kg/m3，热膨胀系数2 3 .6 e-6/K，背景温度20℃，屈服强度280 M Pa。

2.3.3计算求解

依据侧墙生产实际情况，分别设定3种工况：（1）工况1：工装配合处于理论状态。压块与支撑板保持在一条直线上无横向偏移，支撑板与侧墙外轮廓完全贴合。（2）工况2：压块在横向偏移支撑板350 m m，侧墙工装支撑板表而与侧墙表而完全密贴。（3）工况3：工装压块偏移350 m m，支撑板与侧墙未完全密贴。 根据以上3种工况分别施加边界条件及载荷：（1）载荷：压块载荷一一根据压力和压块而积，求解压块载荷，并在相应位置施加外力载荷；温度载荷一一根据固有应变法算出焊接引起的热应变，不考虑塑性应变和相变应变，将热应变再换算成温度，在模型上施加温度载荷。（2）约束：模拟实际支撑板和定位块的约束条件，对模型实施约束。通过仿真求解，得出以下结果：工况1：最大位移为0.435 m m，局部最大应力为45.6 M Pa。工况2：最大位移为0.864 m m，局部最大应力为47.9 M Pa。工况3：最大位移为0.901 mm，局部最大应力为48.2 M P a。

2.3.4结论

通过对侧墙反装第一道焊缝进行模拟计算分析，3种工况的位移变化较大。（1）当压块和支撑板不在一条直线上时，侧墙位移和压块处的局部应力都明显增大，尤其是位移变化最为明显，对侧墙装配质量影响也最大，应保证压块和支撑板尽量在一条直线上。（2）当支撑板与侧墙不完全贴合时，侧墙位移也会明显增大。应该尽量使支撑板与侧墙外轮廓保持良好的贴合状态。（3）工况3的位移是工况1位移的2倍多。如果侧墙部位的所有8条焊缝完全实施，情况将更加严重。以上模拟分析计算的结果，与实际生产情况及经验推测完全一致，验证了前期经验的定性分析。

2.4工艺措施

（1）编制《侧墙组焊工装压紧规范》，针对工装压卡位置进行规范，生产中的每次装卡要求操作人员按照正确顺序、正确位置装卡。（2）对侧墙轮廓进行检测及数据分析，对轮廓度较好时间段内的侧墙支撑反变形数据进行固化，当侧墙变形量明显变大时，对支撑板的反变形进行测量，并通过固化的数据对反变形进行修正。（3）对支撑板进行测量，根据测量结果调整所有支撑板，保障它们的一致性及与侧墙外轮廓的良好贴合状态，在现车生产中严格按照工况1的要求进行工作。

3结语

本文仅以车体侧墙为例，说明了有限元分析在工艺制造过程中的应用，推广到整个产品制造过程中，作为工艺方法、偏差控制等的依据，均可使用经验加有限元分析方法，针对问题分析原因找出对策，使工艺制造手段更先进，方法更科学，提高工艺制造质量与效率。通过工艺优化，将I-DEAS有限元分析软件引入现车生产，通过数据的模拟分析，将传统凭经验的定性分析提升为数据计算加经验的定量分析，用数值说话，取得良好效果，说明该工艺优化方法可行有效。

参考文献：

[1]刘伟洁，杨建华.动车组车体侧墙制造工艺优化[J].中国铁路，2013（5）.

[2]杨建华，桑弘鹏，周立金.高速动车组车体侧墙装配变形仿真分析[J].铁道机车车辆，2014（7）.

[3]姚鑫.CRH2系动车组铝合金多型侧墙加工方法[J].科技创新导报，2017（4）.