基于VisVSA的高速列車車頂?shù)难b配偏差仿真分析

李寶旺，李永軍，劉 濤，李志敏，姚利民

（1.中車唐山機(jī)車車輛有限公司制造技術(shù)中心，唐山 064000；2.上海交通大學(xué) 上海市復(fù)雜薄板結(jié)構(gòu)數(shù)字化制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

基于VisVSA的高速列車車頂?shù)难b配偏差仿真分析

李寶旺1，李永軍1，劉 濤2，李志敏2，姚利民2

（1.中車唐山機(jī)車車輛有限公司制造技術(shù)中心，唐山 064000；2.上海交通大學(xué) 上海市復(fù)雜薄板結(jié)構(gòu)數(shù)字化制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

高速列車車頂?shù)难b配質(zhì)量是影響車體總成制造質(zhì)量的關(guān)鍵因素。利用三維公差分析軟件

VisVSA對(duì)高速列車的車頂進(jìn)行了裝配偏差仿真分析。結(jié)果表明，車頂?shù)母叨鹊某盥什荒軡M足原有公差設(shè)定下的要求。依據(jù)仿真分析結(jié)果對(duì)偏差貢獻(xiàn)度較大的零部件公差進(jìn)行修正，修正后的超差率明顯減小，滿足裝配要求，在保證檢測(cè)質(zhì)量的前提下，可以有效提高生產(chǎn)效率。

高速列車；車頂裝配；偏差VisVSA

0 引言

高速列車可以滿足長距離、大運(yùn)量、高密度、短時(shí)間的運(yùn)輸要求，對(duì)推動(dòng)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步起著舉足輕重的作用[1]。高速列車的設(shè)計(jì)制造是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，車體的裝配精度是使列車能夠滿足運(yùn)行平穩(wěn)性、乘坐舒適性、行駛安全性設(shè)計(jì)需求的前提和保障。高速列車車體零部件工藝流程復(fù)雜，具有多級(jí)、多層面的復(fù)雜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和制造系統(tǒng)特征。為了進(jìn)一步提升車體產(chǎn)品質(zhì)量，傳統(tǒng)的主要依賴于經(jīng)驗(yàn)和物理樣車的車體開發(fā)手段已經(jīng)難以適應(yīng)高速列車制造業(yè)發(fā)展和市場(chǎng)需求，高速列車車體制造質(zhì)量是制約我國軌道裝備制造業(yè)自主品牌高速列車發(fā)展的關(guān)鍵問題。只有依靠數(shù)字化手段，開展車體總成結(jié)構(gòu)與大部件尺寸工程設(shè)計(jì)、裝配工藝偏差仿真等方面的研究工作，圍繞三維數(shù)字模型進(jìn)行面向質(zhì)量的車體產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)和性能分析等，才能實(shí)現(xiàn)車體高效率開發(fā)、高精度制造并不斷降低開發(fā)和制造成本。

車頂作為高速列車車體總成的關(guān)鍵大部件之一，其制造質(zhì)量不僅影響著車體外觀和車體總成的裝配精度，同時(shí)也影響車輛運(yùn)營性能。車頂組成主要由長圓頂、短圓頂、平頂、端頂和側(cè)邊梁等零部件組成，主要為鋁合金擠壓型材；通過定義工裝匹配點(diǎn)，反應(yīng)車頂組成裝配過程中工裝偏差對(duì)于車頂測(cè)量偏差的影響；通過定義各零件基準(zhǔn)、公差和匹配關(guān)系，及裝配順序，完成車頂?shù)难b配定義。其測(cè)量的目標(biāo)包括車頂?shù)拈L度、寬度和空調(diào)框長度、寬度等量。目前，我國的高鐵制造技術(shù)還處于起步發(fā)展階段，缺乏一套行之有效的車頂偏差控制方法，導(dǎo)致產(chǎn)品的一次成型合格率較低。對(duì)于超差的產(chǎn)品，只能依靠火焰和機(jī)械調(diào)修來保證后續(xù)裝配工序的順利進(jìn)行，這不僅增加了制造成本、影響到生產(chǎn)進(jìn)度，更嚴(yán)重削弱了車頂?shù)膹?qiáng)度，為列車的行駛安全埋下隱患[3]。因此有必要在設(shè)計(jì)階段對(duì)車頂進(jìn)行裝配偏差分析，以驗(yàn)證零部件制造及裝配偏差是否滿足設(shè)計(jì)要求。

本文借助三維偏差分析軟件VisVSA對(duì)高速列車的車頂進(jìn)行裝配偏差分析，通過建立偏差傳遞的尺寸鏈模型，分析零件制造及裝配偏差對(duì)車頂寬度和外形輪廓的影響，并修正對(duì)其影響最顯著的偏差，解決一次裝配合格率低的問題，同時(shí)為測(cè)點(diǎn)選擇優(yōu)化選擇提供參考依據(jù)。

1 VisVSA裝配偏差建模仿真分析

裝配是決定最終產(chǎn)品質(zhì)量的重要制造過程，但是由于實(shí)際生產(chǎn)的零件與設(shè)計(jì)圖紙之間不可避免的存在一定的尺寸差別，而且尺寸偏差在裝配過程中進(jìn)行積累與傳播，因此會(huì)極大地影響產(chǎn)品的最終質(zhì)量[2]。裝配偏差分析可以借助偏差分析仿真軟件建立偏差源和輸出測(cè)點(diǎn)偏差之間的互相關(guān)系，從而指導(dǎo)公差設(shè)計(jì)和分配，提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，還能有效的節(jié)約制造成本[3]。

VisVSA是一款基于Monte Carlo模擬的三維偏差分析軟件，通過賦予特征給定的公差范圍，并讓其在用戶定義的分布規(guī)律內(nèi)變動(dòng)，模擬尺寸鏈的傳遞，最終可得到所添加測(cè)量的均值、標(biāo)準(zhǔn)差、分布規(guī)律、貢獻(xiàn)度和敏感度等結(jié)果[4]。本文結(jié)合車頂產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和制造工藝特點(diǎn)，利用VisVSA建立了車頂?shù)难b配偏差仿真模型，給出了仿真結(jié)果并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析。

1.1 測(cè)量需求及測(cè)點(diǎn)布置

高速列車的車頂車頂組成主要由長圓頂、短圓頂、平頂、端頂和側(cè)邊梁等零部件組成，如圖1所示。車頂主要組成零件之間通過對(duì)接和搭接的形式焊接起來，實(shí)現(xiàn)車頂?shù)慕M裝，然后在加工中心加工出空調(diào)框，最后安裝附件，完成車頂?shù)闹圃?。車頂裝配后的高度和外形輪廓是其關(guān)鍵控制特征，為了使關(guān)鍵控制特征尺寸處于設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，需要在車頂截面上布置測(cè)點(diǎn)來檢測(cè)高度和外形輪廓的尺寸偏差。

車頂?shù)耐庑屋喞臏y(cè)量需要在每塊鋁型材外輪廓面上布置測(cè)點(diǎn)，長圓頂5塊型材的外輪廓面分別均勻的布置了7個(gè)測(cè)量點(diǎn)，通過計(jì)算各個(gè)測(cè)量點(diǎn)與參考點(diǎn)y方向的距離，便可得到車頂外形輪廓的測(cè)量結(jié)果。為了使最終裝配后的尺寸滿足車體總成的裝配精度和外形美觀的要求，車頂?shù)母叨群屯庑屋喞牟▌?dòng)均須保持在±2mm之內(nèi)。

1.2 裝配尺寸鏈分析

合理的裝配偏差建模需要對(duì)裝配尺寸鏈進(jìn)行分析，正確的尺寸鏈能真實(shí)的反映各公差的傳遞情況，是進(jìn)行公差分析[5,6]與公差綜合[7,8]的基礎(chǔ)。本文針對(duì)車頂?shù)臏y(cè)量需求，分別對(duì)車頂寬度（z方向）和外形輪廓（y方向）進(jìn)行了裝配尺寸鏈分析。VisVSA的零部件裝配順序?qū)ζ罱５慕Y(jié)果有重要的影響。車頂由5塊鋁型材通過搭接和對(duì)接的形式進(jìn)行裝配。由于車頂每兩個(gè)零件之間的連接屬于間隙配合，因此零件會(huì)存在微小的轉(zhuǎn)動(dòng)，而這微小的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)對(duì)裝配后的車頂高度和外形輪廓產(chǎn)生較大的影響，這也是產(chǎn)生裝配偏差的主要原因?？紤]到這個(gè)因素，本文采用Slot特征與Tab特征的浮動(dòng)配合方式來模擬兩個(gè)零件之間的裝配關(guān)系，同時(shí)用Plane特征與Plane特征作為第二約束實(shí)現(xiàn)零件的完全定位，基于零件模型均為剛體零件的假設(shè)基礎(chǔ)上，且尺寸公差不會(huì)影響到車頂x方向的尺寸變動(dòng)，故為了方便建模，只截取車頂?shù)牟糠诌M(jìn)行分析。

在VisVSA中的仿真計(jì)算基于以下假設(shè)：零件為剛性件；不考慮裝配力、熱膨脹、焊接變形和回彈影響；所有的幾何特征公差均服從正太分布；所有零件公差只考慮±3σ（標(biāo)準(zhǔn)偏差）范圍[9]。仿真分析采用5000個(gè)樣本進(jìn)行模擬。依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙確定車頂高度和外形輪廓的偏差均為±2mm。

車頂部件在長度方向相對(duì)較大，其寬度測(cè)量需要在不同長度方向定義多組測(cè)量。通過蒙特卡洛仿真可得到圖2、圖3所示結(jié)果。

由圖2測(cè)量結(jié)果可以看出，呈現(xiàn)正態(tài)分布，但寬度出現(xiàn)了一定的均值偏移；車頂寬度各項(xiàng)的貢獻(xiàn)度較為分散，前10項(xiàng)貢獻(xiàn)度分別為8.65%～5.53%；可見，在目前模型公差設(shè)定下，各項(xiàng)車頂型材的寬度對(duì)最終總成的寬度影響均有影響。

圖3 空調(diào)框?qū)挾葴y(cè)量

由圖3測(cè)量結(jié)果可以看出，測(cè)量結(jié)果呈現(xiàn)正態(tài)分布，空調(diào)框?qū)挾瘸霈F(xiàn)了約2mm的均值偏移；空調(diào)框5號(hào)型材、8號(hào)型材的接觸面的輪廓度的貢獻(xiàn)度約為78.39%。

在經(jīng)過第二次修正之后，車頂高度偏差由6.81%下降到4.94%，小于5%，滿足裝配要求，可見修正的效果非常顯著，達(dá)到預(yù)期要求。

2 結(jié)論

本文采用VisVSA軟件對(duì)高速列車的車頂進(jìn)行了裝

【】【】配偏差分析，分別測(cè)量了車頂裝配后的寬度和外形輪廓，依據(jù)仿真計(jì)算的結(jié)果對(duì)貢獻(xiàn)度大的零部件的公差進(jìn)行了兩次修正，并再次進(jìn)行仿真分析，結(jié)果顯示經(jīng)過修正后的超差率均能滿足小于5%的設(shè)定目標(biāo)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在車頂裝配中的定位方式對(duì)最終的偏差影響較顯著；本文還根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)車頂?shù)臏y(cè)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化選擇，在保證檢測(cè)質(zhì)量的前提下，減少了測(cè)點(diǎn)數(shù)量，提高了生產(chǎn)效率。

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Simulative analysis of assembling deviation for car roof of high-speed train for measure points based on VisVSA

LI Bao-wang1, LI Yong-jun1, LIU Tao1, LI Zhi-min2, YAO Li-min2

THl61

：A

：1009-0134(2017)05-0151-02

2017-04-24

2016年智能制造綜合標(biāo)準(zhǔn)化與新模式應(yīng)用項(xiàng)目（2016093）

李寶旺（1980 -），男，河北唐山人，高級(jí)工程師，本科，主要從事軌道客車制造技術(shù)研究。