地铁转向架焊接构架协同设计方法分析

刘忠强 郭飞龙

摘 要：将协同设计方法融入到地铁转向架焊接构架中是提高制造质量的必然过程，实现结构设计与焊接工艺契合性提升，从而提高生产制造、创新研发的质量和效率。本文结合有限元仿真技术以及模拟数据处理技术等构建一项应用系统，通过多量有限元模型的组合应用实现对焊接操作以及结构优化方式的改进，以供相关工作参考。

关键词：关键词：地铁转向架;焊接工艺;协同设计;应用系统

前言：

轨道交通运输在新时代背景下得到更充分发展，城市地铁更是其中重要组成部分，运输能力更加优越，可有效缓解城市交通运输压力。但我们也应认识到，地铁交通系统安全稳定的重要性，一旦出现事故问题，将会造成更严重危害，更需重视地铁车辆制造时质量的保证，尤其是转向架焊接构架方面，构件及参数合理才能提高地铁运输的安全性。协同设计是基于设计与工艺两方结合应用的新设计模式，以计算机技术和相关数据分析技术、有限元技术革新为基础，以模拟量的规律探究获得对结构设计的优化升级，从而提高转向架制造質量。

1、协同设计实际应用的基本概述

结构和工艺的协同设计在地铁转向架焊接构架中具有重要的应用价值，以往制造革新中，多以单一设计优化或是对构架焊接操作某些不合理支持加以修正，以此提高焊接质量，但实际上这种片面模式往往就是多次故障的不断检修，不仅浪费时间，而且成效不高。如图一所示，地铁转向架结构比较复杂，包括多组构件，在具体焊接操作中容易受工艺应用多种因素影响，不对其严加控制，很容易造成整体结构质量的不合理。协同设计的实现主要局限在缺乏工艺操作中的大量反馈变化数据，因而无法进行全面的工艺应用分析，结构设计优化自然也会受到很大限制[1]。

不过随着信息技术、数据处理技术、计算机技术的革新发展，协同设计已经具备应用基础，通过构架结构设计过程中全面考虑焊接工艺要求，兼顾实际工艺难点及应力干扰问题，使转向架构架设计方案与实际焊接操作之间能够实现良好的对接。具体应用原理就是，通过计算机的模拟运算，在设计过程中，综合分析不同工艺参数下焊接操作应用中构架应力与变形的具体反馈数据，通过参数调整以及结构设计的优化，使其两者达成最准确的匹配模式，缩短设计、制造的成本与时间，提高焊接操作应用效果，从而实现整体结构质量的改进。

2、协同设计系统的具体设计

本文所讨论的协同设计方法是基于模拟信息量处理系统而言的，属于数据模拟仿真系统，其中主要包括有限元仿真技术与数据模拟技术，随后本文将对其基本结构加以分析。

2.1系统总体构架

该系统因为属于数据模拟处理系统，所以在具体设计上会从多个角度进行相关影响因素的分析，整体结构分为数据库模块、数据采集模块、数据处理模块、数据反馈模块，这四项模块属于系统基础层，也是各数据处理关键点，以其为核心，可进行更多模拟应用的设计与补充。而系统应用层主要通过数据反馈模块，将系统应用功能反馈给用户，提供各类模拟数据结果，以此获得不同参数下焊接工艺操作对结构质量的影响，为结构设计的优化提供必要的参考依据。

2.2系统主要应用功能

该系统的具体应用主要从数据采集开始，需要对各项参数加以明确，系统初始设计时会提供包括构架焊接工艺参数、结构参数、载荷参数等选项，需在使用中输入转向架构架焊接操作相关的基本数据信息，如所用材质、焊接电力状况、热源信息等多项内容，数据处理系统能够结合既定的方程算法模型对其进行数据的分析处理，并连接动态反馈，对后续工艺操作调整展开即时数据变化，从而明确不同施工工艺对既定设计方案的影响。具体数据采集可通过传感器对焊接操作过程中电流电压变化、热源变化等进行更全面的数据整合，并依据其变化规律构建仿真模型，通过数据离散情况在转向架模型上进行直观表现，多模型叠加并进行数据修正，就可以更准确辨识出设计中的不足支持，提高对焊接工艺或结构设计的改进效率。本文结合应力场模拟数值仿真的具体数据处理过程对部分系统应用功能加以简要概述。

2.3应力场的数值模拟仿真

应力场的数值模拟仿真主要是对焊接残余应力的控制，温度场的不均匀变化会导致各种构件出现各种程度的非预制变形状况，或者受不均匀冷却、火焰切割等因素影响，都会导致残余应力产生，残余应力和变形会对构架的结构强度和稳定性造成很大影响[2]，如图二所示，残余应力如果没有有效控制，很可能导致构件结构受力不均衡，从而对结构质量产生危害。

在应力场的分析中会涉及到材料、热源、焊接参数三个主要影响因素，其中尤以焊接参数影响最大，焊接供电、焊接速度、约束条件都是其中关键内容，在进行数据的具体分析中需对重点关注。材料方面考虑到的内容相对较少，结合所要焊接部位的材料性质进行具体数据代入即可，应力场分析需要考虑到密度、强度、弹性模量等方面;热源模型的建立相对复杂，改变以往椭球热源模型，而选用组合型热源模型，对熔宽、熔深进行综合分析，保证熔池尺寸分析的全面性，以及构建模拟规律图像，为应力场模拟计算提供热源数据支持;焊接参数方面，因为影响条件相对较多，所以在具体分析中对这方面要求比较高，需要结合供电中电流、电压变化情况，以及焊接速度、约束条件等构建对应数据模型，以此分析出不同工艺操作下的焊接数据反馈情况，作为应力场模拟计算的又一数据支持。三项数据模型全部构建完善之后，即可结合既定方程算法模型对应力场变化情况加以分析，并构建有限元模型，对各结构处的残余应力加以明确[3]。

3、结束语

总之，地铁转向架焊接构架的质量管控对于转向架整体质量而言至关重要，更影响着地铁运输安全性和稳定性，务必在生产制造过程中提高质量管控的重视度;将协同设计融入构架焊接工艺中，使焊接工艺参数影响得以更全面地把控，为结构设计提供重要的参考数据，同时，本文系统设计中还存在一些不足之处，系统分析数据内容仍比较繁琐，而且数据收集容易受施工环境影响，这些问题还需进一步的技术优化应用，以此提高转向架构建合理性。

参考文献：

[1]赵建波.地铁类转向架零部件焊接质量要求研究[J].山东工业技术，2018（08）：42.

[2]刘阳，于云海，祁建伟，姜斌，段泽斌.120A型地铁转向架侧梁焊接变形控制工艺研究[J].焊接技术，2019，48（04）：82.

[3]宋庆伟，姜朝勇等.B型地铁转向架构架优化设计分析[J].电力机车与城轨车辆，2020，43（01）：48.