摘要

　　高速列車(chē)車(chē)體側墻是由多塊中空擠壓成型的具有復雜截面結構的鋁合金型材焊接而成。由于鋁合金的材料特性和車(chē)體復雜的結構特性，使得側墻在焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生過(guò)大的焊接變形；過(guò)大焊接變形不僅關(guān)系到能否與其他車(chē)體部件很好地裝配，還影響著(zhù)高速列車(chē)全壽命周期的安全性和可靠性。生產(chǎn)中常采用火焰調修工藝消除過(guò)大焊接變形，但該工藝的引入不僅降低了焊縫質(zhì)量，而且降低了效率。側墻的焊接質(zhì)量主要靠夾具來(lái)保證，合理布置側墻焊接夾具就能夠減小因焊接引起的變形，大幅度提高側墻的焊接質(zhì)量。因此，本文以高速列車(chē)鋁合金車(chē)體側墻夾具為研究對象，對側墻焊接夾具定位參數進(jìn)行了優(yōu)化設計研究，為生產(chǎn)中高速列車(chē)車(chē)體焊接變形的預測和控制提供了指導。本文的具體研究?jì)热莅�括以下四個(gè)部分：

　　（1）鋁合金薄板焊接殼單元分析模型試驗驗證

　　為解決側墻模型大、結構復雜，難以直接進(jìn)行焊接變形數值模擬的問(wèn)題，通過(guò)鋁合金薄板焊接試驗驗證了殼單元用于薄板焊接模擬的準確性。首先，對兩種-不同厚度的鋁合金薄板試件進(jìn)行焊接試驗并測量焊接變形結果。然后，分別采用實(shí)體單元和殼單元建立薄板有限元模型分析得到焊接變形結果。最后，通過(guò)對仿真和試驗結果的對比分析，確定了熱彈塑性有限元分析方法及殼單元模型用于鋁合金薄板焊接數值模擬的準確性，為殼單元用于側墻焊接數值模擬奠定了基礎。

　　（2）側墻有限元模型建立與驗證

　　建立側墻殼單元模型并對焊接模擬結果進(jìn)行了驗證分析。首先，截取部分側墻模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立了側墻殼單元分析模型，梳理了通過(guò)加載宏文件的方式進(jìn)行焊接變形分析的流程。然后，對仿真得到的焊接溫度場(chǎng)結果和焊接變形結果進(jìn)行了分析。最后，根據側墻變形檢測工藝和測點(diǎn)位置分布，將仿真分析結果與生產(chǎn)中實(shí)測數據對比，驗證了殼單元分析模型的準確性。通過(guò)對焊接變形的分析，選定側墻模型各測點(diǎn)法向上的平均變形量為評價(jià)指標進(jìn)行后續的夾具定位參數的優(yōu)化分析。

　　（3）面向最小變形的側墻夾具定位參數優(yōu)化設計

　　控制側墻焊接變形是側墻夾具優(yōu)化設計的重點(diǎn)，因此以側墻焊接變形最小為優(yōu)化目標對側墻夾具定位進(jìn)行了優(yōu)化設計。首先，基于夾具定位參數一致性對夾具定位點(diǎn)與焊縫之間距離參數和兩組夾具間距參數進(jìn)行了優(yōu)化。然后，在此最優(yōu)參數基礎上，通過(guò)中心復合試驗設計建立了二階多項式響應面模型對基于夾具定位參數差異性方案進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的夾具定位方案對側墻焊接變形的抑制效果顯著(zhù)。

　　（4）面向穩健性的側墻夾具定位參數優(yōu)化設計

　　為減小側墻夾具定位偏差對側墻焊接質(zhì)量的影響，分別采用田口方法與雙響應面法進(jìn)行了側墻夾具定位參數穩健設計。首先，介紹了穩健設計思想和穩健設計流程。之后，基于內外表試驗設計采用田口方法進(jìn)行了穩健參數設計，并根據信噪比對側墻夾具定位參數進(jìn)行了優(yōu)化設計。然后，采用雙響應面穩健設計方法建立了側墻夾具定位參數綜合穩健設計模型并進(jìn)行優(yōu)化。最后，通過(guò)對兩種優(yōu)化方案進(jìn)行對比分析，得到基于雙響應面法的側墻夾具穩健參數設計方法更優(yōu)。

　　關(guān)鍵詞：鋁合金車(chē)體；焊接變形；夾具優(yōu)化設計；響應面法；有限元

　　目錄

　　第1章緒論

　　1.1研究背景與意義

　　在國家利好政策引導和市場(chǎng)強勁需求拉動(dòng)下，我國高速列車(chē)制造業(yè)飛速發(fā)展，為繼續打造我國高速列車(chē)自主化制造技術(shù)平臺和高速鐵路品牌，保障高速列車(chē)全生命周期的可靠性，迫切需要優(yōu)化升級高速列車(chē)質(zhì)量。其中高速列車(chē)車(chē)體作為列車(chē)的主體結構，其生產(chǎn)質(zhì)量對高速列車(chē)起著(zhù)至關(guān)重要的作用。為滿(mǎn)足高速列車(chē)運行速度不斷提高，以及低能耗、高功率等各項指標的要求，輕量化的鋁合金材料以其重量輕、強度高、耐腐蝕性好以及加工工藝簡(jiǎn)單等的優(yōu)點(diǎn)成為高速列車(chē)車(chē)體制造的理想型材。如圖1-1所示為一個(gè)典型的高速列車(chē)鋁合金車(chē)體結構，它主要由底架、端墻、側墻以及車(chē)頂四大部件整體焊接而成[1],它需要承受旅客以及各種附件設備的重量，以及運行過(guò)程中各個(gè)方向的載荷與沖擊，因此列車(chē)車(chē)體需要有足夠的強度和剛度。

　　其中側墻聯(lián)接底架和車(chē)頂，是高速列車(chē)車(chē)體的主要承載部件，車(chē)體側墻結構是各車(chē)體部件中最為典型和復雜的，它是由上墻板、窗上板、窗下板、下墻板和多塊窗間板焊接而成，側墻模型如圖]-2所示。這些鋁合金型材內部均為中空的三角腔支撐結構，這種結構能夠在減輕重量的同時(shí)提高車(chē)體的剛度，避免在列車(chē)高速運行時(shí)因為氣流沖擊而變形，車(chē)體的壁也就可以做得更薄，比用實(shí)心板材制作的車(chē)體更加輕便。

　　高速列車(chē)側墻零件及車(chē)體之間主要通過(guò)焊接進(jìn)行連接，我國高速列車(chē)制造中的連接方式以自動(dòng)和半自動(dòng)熔化極惰性氣體保護焊（MIG焊）為主。對高速列車(chē)側墻來(lái)說(shuō)，側墻截面及各側墻零件間的連接方式如圖1-3所示，側墻零件之間通過(guò)對接或搭接接頭連接起來(lái)，除窗下板與下墻板之間外側焊縫處為搭接接頭外，其余焊縫均為對接接頭。其中上墻板與窗上板之間、窗下板與下墻板之間均為長(cháng)約22m的連續長(cháng)直焊縫，窗間板與窗上板、窗下板之間為斷續的焊縫。由于鋁合金材料具有熱導率高、熱膨脹系數大、密度小等特點(diǎn)，使得在長(cháng)直焊縫的連續焊接過(guò)程中導致更加明顯的焊接變形，從而使側墻成為車(chē)體中焊接變形最為明顯和難以控制的部件。

　　側墻的焊接變形會(huì )直接導致其尺寸的偏差，從而關(guān)系到能否和其他車(chē)體部件很好地裝配，以及列車(chē)車(chē)體的最終結構能否達到性能需求，最終影響到高速列車(chē)全壽命周期的安全性和可靠性。考慮到列車(chē)在高速行駛時(shí)需要承受巨大的空氣壓力，尤其是兩車(chē)交會(huì )以及列車(chē)通過(guò)隧道時(shí)氣流的劇烈變化引起的車(chē)體的激蕩，對側墻的質(zhì)量提出了更嚴苛的考驗。為了消除由焊接引起的過(guò)大變形，以往通常在焊后采取火焰加熱來(lái)進(jìn)行調修，焊后調修工藝在降低焊接變形的同時(shí)，也會(huì )對焊縫的強度造成損傷，降低了焊縫的強度，從而影響到車(chē)體焊后服役性能。同時(shí)由于在生產(chǎn)工藝中引進(jìn)了火焰調修步驟，不僅增加了工時(shí)，還使得側墻的生產(chǎn)周期加長(cháng)，大大降低了生產(chǎn)效率。因而需要在生產(chǎn)過(guò)程的焊接階段去控制焊接變形，從而減少甚至取消火焰調修工作。生產(chǎn)中用焊接夾具來(lái)提升側墻的裝配質(zhì)量，高速列車(chē)側墻焊接夾具的作用是將側墻構件準確定位并夾緊。一套布置合理的側墻焊接夾具可以使側墻在焊接過(guò)程中處于穩定的狀態(tài)，就能夠減小因焊接引起的變形，大幅提高側墻的焊接質(zhì)量，滿(mǎn)足制造工藝的要求。如圖1-4所示，在現有的夾具條件下，在沿側墻長(cháng)度方向上（圖中，方向）每隔約2m布置一套夾具，共設置了12組定位夾具元件。

　　每一處的定位夾具元件截面如圖1-5所示。在側墻法向平面上（圖中Z方向）有一些夾具單元和楔形定位塊對側墻進(jìn)行夾緊與定位；在橫向上（圖中X方向）側墻上下兩側分別有一個(gè)定位和夾緊元件實(shí)現側墻橫向的約束。

　　由于薄板結構的車(chē)體側墻剛性差、鋁合金材料在焊接過(guò)程中易變形的特點(diǎn)，使得側墻焊接夾具對焊接變形的影響顯得極為重要，實(shí)際生產(chǎn)也表明夾具定位對側墻焊接質(zhì)量有著(zhù)重要的影響。首先，側墻零件在不同的夾具定位方案下姿態(tài)不同，在焊接熱輸入的影響下會(huì )產(chǎn)生不同的焊接變形結果，因此需要合適的方法建立焊接夾具定位與焊接變形之間的影響關(guān)系，尋找最優(yōu)的夾具定位方案使焊接變形最小。

　　另外，夾具在生產(chǎn)制造時(shí)就可能存在尺寸偏差并且在側墻生產(chǎn)過(guò)程中會(huì )造成磨損而導致夾具松動(dòng)、定位不準確甚至失效，這種夾具偏差的傳遞對側墻焊接變形有著(zhù)重要的影響，使得最終的焊接質(zhì)量變差，因此需要尋找合理的夾具定位布局，使側墻的焊接質(zhì)量受夾具定位偏差的影響不那么敏感，使得側墻焊接過(guò)程更加穩健。為此本文以高速列車(chē)鋁合金車(chē)體側墻夾具為研究對象，在試驗驗證的基礎上通過(guò)熱彈塑性有限元法模擬側墻的焊接變形，建立側墻夾具定位參數與焊接變形之間的模型，從而優(yōu)化側墻夾具定位參數，來(lái)減小側墻在焊接過(guò)程中的變形以及減小夾具定位偏差對焊接變形的影響。

　　1.2國內外研究現狀

　　1.2.1焊接數值模擬研究現狀

　　1.2.2夾具優(yōu)化設計方法研究現狀

　　1.2.3研究現狀總結

　　1.3論文內容與框架

　　第2章鋁合金薄板焊接殼單元分析模型試驗驗證

　　2.1引言

　　2.2鋁合金薄板焊接試驗分析

　　2.2.1試驗目的與試驗方案

　　2.2.2試驗設備與試驗實(shí)施

　　2.2.3鋁合金薄板焊接試驗結果分析

　　2.3鋁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邊界條件與求解設置

　　2.3.3薄板焊接仿真結果

　　2.4鋁合金薄板焊接試驗與仿真對比

　　2.5本章小結

　　第3章側墻有限元模型建立與驗證

　　3.1 引言

　　3.2側墻有限元模型建立與設置求解

　　3.2.1側墻有限元模型建立

　　3.2.2邊界條件與求解設置

　　3.3側墻有限元模型仿真結果

　　3.3.1熱分析結果

　　3.3.2結構分析結果

　　3.4側墻仿真與實(shí)測對比驗證

　　3.4.1側墻尺寸測量系統

　　3.4.2有限元分析結果與實(shí)測對

　　3.5本章小結

　　第4章面向最小變形的側墻夾具定位參數優(yōu)化設計

　　4.1 引言

　　4.2基于夾具定位參數- -致性建模與析

　　4.2.1夾具定位點(diǎn)與焊縫之間距離參數

　　4.2.2兩組夾具間距參數優(yōu)化

　　4.3基于夾具定位參數差異性的響應面法建模

　　4.3.1中心復合試驗設計

　　4.3.2響應面模型建

　　4.3.3差異性定位參數優(yōu)化

　　4.4本章小結

　　策5章而向穩健性的側墻夾具定位數優(yōu)化設計

　　5.1 引言

　　5.2穩健設計思想與基本流程

　　5.2.1穩健設計思想

　　5.2.2側墻夾具穩健設計基本要

　　5.2.3側墻夾具定位參數穩健設計流程

　　5.3基于田口方法的側墻夾具穩健設計方

　　5.3.1內外表試驗設計

　　5.3.2基于信噪比的穩健參數

　　5.4基于雙響應面的側墻夾具穩健設計方法

　　5.4.1基于雙響應面法的穩健設計模型

　　5.4.2側墻夾具穩健設計模型及優(yōu)化求解

　　5.5兩種穩健設計方案對比與分析

　　5.6本章小結

　　第6章總結與展望

　　6.1總結

　　為提高高速列車(chē)側墻焊接質(zhì)量和安全可靠性，論文以高速列車(chē)鋁合金車(chē)體側墻夾具為研宄對象，分析了側墻焊接夾具定位參數與焊接變形之間的關(guān)系，并對夾具定位參數進(jìn)行了優(yōu)化設計。首先，通過(guò)鋁合金薄板焊接試驗驗證了殼單元有限元模型用于薄板焊接模擬的準確性；然后，建立了側墻殼單元分析模型并進(jìn)行側墻焊接變形模擬，通過(guò)與生產(chǎn)實(shí)際結果對比驗證了分析模型的準確性；最后，分別面向最小變形和面向穩健性對側墻夾具定位參數進(jìn)行了優(yōu)化設計。本文的主要內容和結論如下：

　　（1）基于銀合金薄板焊接試驗與殼單元有限元模型驗證

　　為解決側墻模型大、結構復雜，難以直接進(jìn)行焊接變形數值模擬的問(wèn)題，通過(guò)鋁合金薄板焊接試驗驗證了殼單元有限元模型用于薄板焊接模擬的準確性。首先，對兩種不同厚度的鋁合金薄板試件進(jìn)行焊接試驗并測量焊接變形結果。然后，分別采用實(shí)體單元和殼單元建立兩種不同厚度薄板有限元模型進(jìn)行焊接模擬分~析。最后，1冬試驗結果寫(xiě)彷真結果對把分析，確定了殼單元有限元模型用于鋁合金薄板焊接數值模擬的準確性，為殼單元用于側墻焊接數值模擬提供了基礎。

　　（2）側墻有限元模型建立與驗證

　　與艦首先，對側墻幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化并建立殼單元有限元模型，分析仿真得到焊接溫度場(chǎng)結果和焊接變形結果。然后，根據側墻變形檢測工藝和測點(diǎn)位置分布，將仿真分析結果與實(shí)際生產(chǎn)實(shí)測數據對比，驗證了側墻殼單元有限元模型的準確性。通過(guò)對焊接變形的分析，選定側墻模型各測點(diǎn)法向上的平均變形量為評價(jià)指標進(jìn)行后續的夾具定位參數的分析。

　　（3）面向最小變形的側墻夾具定位參數優(yōu)化設計

　　控制側墻焊接變形是側墻夾具優(yōu)化設計的重點(diǎn)，因此以側墻測點(diǎn)變形量均值最小為優(yōu)化目標對側墻夾具定位進(jìn)行了優(yōu)化設計。首先，基于夾具定位參數一致性對夾具定位點(diǎn)與焊縫之間距離參數和兩組夾具間距參數進(jìn)行了優(yōu)化。然后，在此最優(yōu)參數基礎上，采用中心復合試驗設計建立了二階多項式響應面模型對夾具定位參數差異性方案進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的夾具定位方案對側墻焊接變形的抑制效果顯著(zhù)，表明了基于響應面法的面向最小變形的夾具參數優(yōu)化方法的準確性。

　　（4）面向穩健性的側墻夾具定位參數優(yōu)化設計

　　為避免夾具定位偏差對側墻焊接質(zhì)量的影響，采用面向穩健性對側墻夾具定位參數進(jìn)行了優(yōu)化設計。首先，基于內外表試驗設計采用田口方法進(jìn)行了側墻夾具定位參數穩健設計，基于信噪比對夾具定位參數進(jìn)行了優(yōu)化設計。然后，采用雙響應面穩健設計方法建立了側墻夾具定位參數綜合穩健設計模型并優(yōu)化求解。最后，通過(guò)對兩種優(yōu)化方法的對比，得到基于雙響應面法的側墻夾具定位參數穩健設計方法的優(yōu)化效果更好。

　　6.2展望

　　本文得到的結論能夠為生產(chǎn)中高速列車(chē)鋁合金車(chē)體焊接變形預測和控制提供指導，但受時(shí)間和工作量以及本人的知識水平的限制，本文仍存在一些不足有待進(jìn)一步研宄：

　　（1）高速列車(chē)鋁合金車(chē)體側墻實(shí)際模型非常大且結構復雜，在有限元分析的過(guò)程中很難對整個(gè)模型進(jìn)行分析，故在本文的研究中截取了部分模型并進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理；此外，在分析的過(guò)程中采用殼單元進(jìn)行分析，盡管試驗表明用殼單元可以很好地模擬焊接過(guò)程，但仍然存在一定的誤差。隨著(zhù)計算機算力的提升，在今后的研究中可以探索采用整個(gè)側墻模型和實(shí)體單元或更高效的焊接模擬方法進(jìn)行有限元分析與研究，進(jìn)一步提高準確性。？

　　（2）由于側墻分析模型復雜、零件多、夾具定位參數較多，即影響焊接變形的因素眾多，難以考慮各個(gè)定位參數之間的耦合，在將來(lái)的研宄中可以嘗試更智能的算法，建立各參數之間的耦合模型并進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提高側墻的焊接質(zhì)量。

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