高速列车铝合金车体夹具优化设计方法研究

摘要

　　高速列车车体侧墙是由多块中空挤压成型的具有复杂截面结构的铝合金型材焊接而成。由于铝合金的材料特性和车体复杂的结构特性，使得侧墙在焊接过程中容易产生过大的焊接变形；过大焊接变形不仅关系到能否与其他车体部件很好地装配，还影响着高速列车全寿命周期的安全性和可靠性。生产中常采用火焰调修工艺消除过大焊接变形，但该工艺的引入不仅降低了焊缝质量，而且降低了效率。侧墙的焊接质量主要靠夹具来保证，合理布置侧墙焊接夹具就能够减小因焊接引起的变形，大幅度提高侧墙的焊接质量。因此，本文以高速列车铝合金车体侧墙夹具为研究对象，对侧墙焊接夹具定位参数进行了优化设计研究，为生产中高速列车车体焊接变形的预测和控制提供了指导。本文的具体研究内容包括以下四个部分：

　　（1）铝合金薄板焊接壳单元分析模型试验验证

　　为解决侧墙模型大、结构复杂，难以直接进行焊接变形数值模拟的问题，通过铝合金薄板焊接试验验证了壳单元用于薄板焊接模拟的准确性。首先，对两种-不同厚度的铝合金薄板试件进行焊接试验并测量焊接变形结果。然后，分别采用实体单元和壳单元建立薄板有限元模型分析得到焊接变形结果。最后，通过对仿真和试验结果的对比分析，确定了热弹塑性有限元分析方法及壳单元模型用于铝合金薄板焊接数值模拟的准确性，为壳单元用于侧墙焊接数值模拟奠定了基础。

　　（2）侧墙有限元模型建立与验证

　　建立侧墙壳单元模型并对焊接模拟结果进行了验证分析。首先，截取部分侧墙模型进行简化，建立了侧墙壳单元分析模型，梳理了通过加载宏文件的方式进行焊接变形分析的流程。然后，对仿真得到的焊接温度场结果和焊接变形结果进行了分析。最后，根据侧墙变形检测工艺和测点位置分布，将仿真分析结果与生产中实测数据对比，验证了壳单元分析模型的准确性。通过对焊接变形的分析，选定侧墙模型各测点法向上的平均变形量为评价指标进行后续的夹具定位参数的优化分析。

　　（3）面向最小变形的侧墙夹具定位参数优化设计

　　控制侧墙焊接变形是侧墙夹具优化设计的重点，因此以侧墙焊接变形最小为优化目标对侧墙夹具定位进行了优化设计。首先，基于夹具定位参数一致性对夹具定位点与焊缝之间距离参数和两组夹具间距参数进行了优化。然后，在此最优参数基础上，通过中心复合试验设计建立了二阶多项式响应面模型对基于夹具定位参数差异性方案进行了优化，优化后的夹具定位方案对侧墙焊接变形的抑制效果显著。

　　（4）面向稳健性的侧墙夹具定位参数优化设计

　　为减小侧墙夹具定位偏差对侧墙焊接质量的影响，分别采用田口方法与双响应面法进行了侧墙夹具定位参数稳健设计。首先，介绍了稳健设计思想和稳健设计流程。之后，基于内外表试验设计采用田口方法进行了稳健参数设计，并根据信噪比对侧墙夹具定位参数进行了优化设计。然后，采用双响应面稳健设计方法建立了侧墙夹具定位参数综合稳健设计模型并进行优化。最后，通过对两种优化方案进行对比分析，得到基于双响应面法的侧墙夹具稳健参数设计方法更优。

　　关键词：铝合金车体；焊接变形；夹具优化设计；响应面法；有限元

　　目录

　　第1章绪论

　　1.1研究背景与意义

　　在国家利好政策引导和市场强劲需求拉动下，我国高速列车制造业飞速发展，为继续打造我国高速列车自主化制造技术平台和高速铁路品牌，保障高速列车全生命周期的可靠性，迫切需要优化升级高速列车质量。其中高速列车车体作为列车的主体结构，其生产质量对高速列车起着至关重要的作用。为满足高速列车运行速度不断提高，以及低能耗、高功率等各项指标的要求，轻量化的铝合金材料以其重量轻、强度高、耐腐蚀性好以及加工工艺简单等的优点成为高速列车车体制造的理想型材。如图1-1所示为一个典型的高速列车铝合金车体结构，它主要由底架、端墙、侧墙以及车顶四大部件整体焊接而成[1],它需要承受旅客以及各种附件设备的重量，以及运行过程中各个方向的载荷与冲击，因此列车车体需要有足够的强度和刚度。

　　其中侧墙联接底架和车顶，是高速列车车体的主要承载部件，车体侧墙结构是各车体部件中最为典型和复杂的，它是由上墙板、窗上板、窗下板、下墙板和多块窗间板焊接而成，侧墙模型如图]-2所示。这些铝合金型材内部均为中空的三角腔支撑结构，这种结构能够在减轻重量的同时提高车体的刚度，避免在列车高速运行时因为气流冲击而变形，车体的壁也就可以做得更薄，比用实心板材制作的车体更加轻便。

　　高速列车侧墙零件及车体之间主要通过焊接进行连接，我国高速列车制造中的连接方式以自动和半自动熔化极惰性气体保护焊（MIG焊）为主。对高速列车侧墙来说，侧墙截面及各侧墙零件间的连接方式如图1-3所示，侧墙零件之间通过对接或搭接接头连接起来，除窗下板与下墙板之间外侧焊缝处为搭接接头外，其余焊缝均为对接接头。其中上墙板与窗上板之间、窗下板与下墙板之间均为长约22m的连续长直焊缝，窗间板与窗上板、窗下板之间为断续的焊缝。由于铝合金材料具有热导率高、热膨胀系数大、密度小等特点，使得在长直焊缝的连续焊接过程中导致更加明显的焊接变形，从而使侧墙成为车体中焊接变形最为明显和难以控制的部件。

　　侧墙的焊接变形会直接导致其尺寸的偏差，从而关系到能否和其他车体部件很好地装配，以及列车车体的最终结构能否达到性能需求，最终影响到高速列车全寿命周期的安全性和可靠性。考虑到列车在高速行驶时需要承受巨大的空气压力，尤其是两车交会以及列车通过隧道时气流的剧烈变化引起的车体的激荡，对侧墙的质量提出了更严苛的考验。为了消除由焊接引起的过大变形，以往通常在焊后采取火焰加热来进行调修，焊后调修工艺在降低焊接变形的同时，也会对焊缝的强度造成损伤，降低了焊缝的强度，从而影响到车体焊后服役性能。同时由于在生产工艺中引进了火焰调修步骤，不仅增加了工时，还使得侧墙的生产周期加长，大大降低了生产效率。因而需要在生产过程的焊接阶段去控制焊接变形，从而减少甚至取消火焰调修工作。生产中用焊接夹具来提升侧墙的装配质量，高速列车侧墙焊接夹具的作用是将侧墙构件准确定位并夹紧。一套布置合理的侧墙焊接夹具可以使侧墙在焊接过程中处于稳定的状态，就能够减小因焊接引起的变形，大幅提高侧墙的焊接质量，满足制造工艺的要求。如图1-4所示，在现有的夹具条件下，在沿侧墙长度方向上（图中，方向）每隔约2m布置一套夹具，共设置了12组定位夹具元件。

　　每一处的定位夹具元件截面如图1-5所示。在侧墙法向平面上（图中Z方向）有一些夹具单元和楔形定位块对侧墙进行夹紧与定位；在横向上（图中X方向）侧墙上下两侧分别有一个定位和夹紧元件实现侧墙横向的约束。

　　由于薄板结构的车体侧墙刚性差、铝合金材料在焊接过程中易变形的特点，使得侧墙焊接夹具对焊接变形的影响显得极为重要，实际生产也表明夹具定位对侧墙焊接质量有着重要的影响。首先，侧墙零件在不同的夹具定位方案下姿态不同，在焊接热输入的影响下会产生不同的焊接变形结果，因此需要合适的方法建立焊接夹具定位与焊接变形之间的影响关系，寻找最优的夹具定位方案使焊接变形最小。

　　另外，夹具在生产制造时就可能存在尺寸偏差并且在侧墙生产过程中会造成磨损而导致夹具松动、定位不准确甚至失效，这种夹具偏差的传递对侧墙焊接变形有着重要的影响，使得最终的焊接质量变差，因此需要寻找合理的夹具定位布局，使侧墙的焊接质量受夹具定位偏差的影响不那么敏感，使得侧墙焊接过程更加稳健。为此本文以高速列车铝合金车体侧墙夹具为研究对象，在试验验证的基础上通过热弹塑性有限元法模拟侧墙的焊接变形，建立侧墙夹具定位参数与焊接变形之间的模型，从而优化侧墙夹具定位参数，来减小侧墙在焊接过程中的变形以及减小夹具定位偏差对焊接变形的影响。

　　1.2国内外研究现状

　　1.2.1焊接数值模拟研究现状

　　1.2.2夹具优化设计方法研究现状

　　1.2.3研究现状总结

　　1.3论文内容与框架

　　第2章铝合金薄板焊接壳单元分析模型试验验证

　　2.1引言

　　2.2铝合金薄板焊接试验分析

　　2.2.1试验目的与试验方案

　　2.2.2试验设备与试验实施

　　2.2.3铝合金薄板焊接试验结果分析

　　2.3铝合金薄板焊接仿真分析

　　2.3.1薄板有限元模型建立

　　2.3.2边界条件与求解设置

　　2.3.3薄板焊接仿真结果

　　2.4铝合金薄板焊接试验与仿真对比

　　2.5本章小结

　　第3章侧墙有限元模型建立与验证

　　3.1 引言

　　3.2侧墙有限元模型建立与设置求解

　　3.2.1侧墙有限元模型建立

　　3.2.2边界条件与求解设置

　　3.3侧墙有限元模型仿真结果

　　3.3.1热分析结果

　　3.3.2结构分析结果

　　3.4侧墙仿真与实测对比验证

　　3.4.1侧墙尺寸测量系统

　　3.4.2有限元分析结果与实测对

　　3.5本章小结

　　第4章面向最小变形的侧墙夹具定位参数优化设计

　　4.1 引言

　　4.2基于夹具定位参数- -致性建模与析

　　4.2.1夹具定位点与焊缝之间距离参数

　　4.2.2两组夹具间距参数优化

　　4.3基于夹具定位参数差异性的响应面法建模

　　4.3.1中心复合试验设计

　　4.3.2响应面模型建

　　4.3.3差异性定位参数优化

　　4.4本章小结

　　策5章而向稳健性的侧墙夹具定位数优化设计

　　5.1 引言

　　5.2稳健设计思想与基本流程

　　5.2.1稳健设计思想

　　5.2.2侧墙夹具稳健设计基本要

　　5.2.3側墙夹具定位参数稳健设计流程

　　5.3基于田口方法的侧墙夹具稳健设计方

　　5.3.1内外表试验设计

　　5.3.2基于信噪比的稳健参数

　　5.4基于双响应面的侧墙夹具稳健设计方法

　　5.4.1基于双响应面法的稳健设计模型

　　5.4.2侧墙夹具稳健设计模型及优化求解

　　5.5两种稳健设计方案对比与分析

　　5.6本章小结

　　第6章总结与展望

　　6.1总结

　　为提高高速列车侧墙焊接质量和安全可靠性，论文以高速列车铝合金车体侧墙夹具为研宄对象，分析了侧墙焊接夹具定位参数与焊接变形之间的关系，并对夹具定位参数进行了优化设计。首先，通过铝合金薄板焊接试验验证了壳单元有限元模型用于薄板焊接模拟的准确性；然后，建立了侧墙壳单元分析模型并进行侧墙焊接变形模拟，通过与生产实际结果对比验证了分析模型的准确性；最后，分别面向最小变形和面向稳健性对侧墙夹具定位参数进行了优化设计。本文的主要内容和结论如下：

　　（1）基于银合金薄板焊接试验与壳单元有限元模型验证

　　为解决侧墙模型大、结构复杂，难以直接进行焊接变形数值模拟的问题，通过铝合金薄板焊接试验验证了壳单元有限元模型用于薄板焊接模拟的准确性。首先，对两种不同厚度的铝合金薄板试件进行焊接试验并测量焊接变形结果。然后，分别采用实体单元和壳单元建立两种不同厚度薄板有限元模型进行焊接模拟分~析。最后，1冬试验结果写彷真结果对把分析，确定了壳单元有限元模型用于铝合金薄板焊接数值模拟的准确性，为壳单元用于侧墙焊接数值模拟提供了基础。

　　（2）侧墙有限元模型建立与验证

　　与舰首先，对侧墙几何模型进行简化并建立壳单元有限元模型，分析仿真得到焊接温度场结果和焊接变形结果。然后，根据侧墙变形检测工艺和测点位置分布，将仿真分析结果与实际生产实测数据对比，验证了侧墙壳单元有限元模型的准确性。通过对焊接变形的分析，选定侧墙模型各测点法向上的平均变形量为评价指标进行后续的夹具定位参数的分析。

　　（3）面向最小变形的侧墙夹具定位参数优化设计

　　控制侧墙焊接变形是侧墙夹具优化设计的重点，因此以侧墙测点变形量均值最小为优化目标对侧墙夹具定位进行了优化设计。首先，基于夹具定位参数一致性对夹具定位点与焊缝之间距离参数和两组夹具间距参数进行了优化。然后，在此最优参数基础上，采用中心复合试验设计建立了二阶多项式响应面模型对夹具定位参数差异性方案进行了优化，优化后的夹具定位方案对侧墙焊接变形的抑制效果显著，表明了基于响应面法的面向最小变形的夹具参数优化方法的准确性。

　　（4）面向稳健性的侧墙夹具定位参数优化设计

　　为避免夹具定位偏差对侧墙焊接质量的影响，采用面向稳健性对侧墙夹具定位参数进行了优化设计。首先，基于内外表试验设计采用田口方法进行了侧墙夹具定位参数稳健设计，基于信噪比对夹具定位参数进行了优化设计。然后，采用双响应面稳健设计方法建立了侧墙夹具定位参数综合稳健设计模型并优化求解。最后，通过对两种优化方法的对比，得到基于双响应面法的侧墙夹具定位参数稳健设计方法的优化效果更好。

　　6.2展望

　　本文得到的结论能够为生产中高速列车铝合金车体焊接变形预测和控制提供指导，但受时间和工作量以及本人的知识水平的限制，本文仍存在一些不足有待进一步研宄：

　　（1）高速列车铝合金车体侧墙实际模型非常大且结构复杂，在有限元分析的过程中很难对整个模型进行分析，故在本文的研究中截取了部分模型并进行了简化处理；此外，在分析的过程中采用壳单元进行分析，尽管试验表明用壳单元可以很好地模拟焊接过程，但仍然存在一定的误差。随着计算机算力的提升，在今后的研究中可以探索采用整个侧墙模型和实体单元或更高效的焊接模拟方法进行有限元分析与研究，进一步提高准确性。？

　　（2）由于侧墙分析模型复杂、零件多、夹具定位参数较多，即影响焊接变形的因素众多，难以考虑各个定位参数之间的耦合，在将来的研宄中可以尝试更智能的算法，建立各参数之间的耦合模型并进行优化，进一步提高侧墙的焊接质量。

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