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高速列車鋁合金車體夾具優化設計方法研究

添加時間:2021/11/06 來源:未知 作者:樂楓
生產中常采用火焰調修工藝消除過大焊接變形,但該工藝的引入不僅降低了焊縫質量,而且降低了效率。側墻的焊接質量主要靠夾具來保證,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量。
以下為本篇論文正文:

摘要

  高速列車車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體復雜的結構特性,使得側墻在焊接過程中容易產生過大的焊接變形;過大焊接變形不僅關系到能否與其他車體部件很好地裝配,還影響著高速列車全壽命周期的安全性和可靠性。生產中常采用火焰調修工藝消除過大焊接變形,但該工藝的引入不僅降低了焊縫質量,而且降低了效率。側墻的焊接質量主要靠夾具來保證,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量。因此,本文以高速列車鋁合金車體側墻夾具為研究對象,對側墻焊接夾具定位參數進行了優化設計研究,為生產中高速列車車體焊接變形的預測和控制提供了指導。本文的具體研究內容包括以下四個部分:

 。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,難以直接進行焊接變形數值模擬的問題,通過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行焊接試驗并測量焊接變形結果。然后,分別采用實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行了驗證分析。首先,截取部分側墻模型進行簡化,建立了側墻殼單元分析模型,梳理了通過加載宏文件的方式進行焊接變形分析的流程。然后,對仿真得到的焊接溫度場結果和焊接變形結果進行了分析。最后,根據側墻變形檢測工藝和測點位置分布,將仿真分析結果與生產中實測數據對比,驗證了殼單元分析模型的準確性。通過對焊接變形的分析,選定側墻模型各測點法向上的平均變形量為評價指標進行后續的夾具定位參數的優化分析。

 。3)面向最小變形的側墻夾具定位參數優化設計

  控制側墻焊接變形是側墻夾具優化設計的重點,因此以側墻焊接變形最小為優化目標對側墻夾具定位進行了優化設計。首先,基于夾具定位參數一致性對夾具定位點與焊縫之間距離參數和兩組夾具間距參數進行了優化。然后,在此最優參數基礎上,通過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行了優化,優化后的夾具定位方案對側墻焊接變形的抑制效果顯著。

 。4)面向穩健性的側墻夾具定位參數優化設計

  為減小側墻夾具定位偏差對側墻焊接質量的影響,分別采用田口方法與雙響應面法進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行了穩健參數設計,并根據信噪比對側墻夾具定位參數進行了優化設計。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行優化。最后,通過對兩種優化方案進行對比分析,得到基于雙響應面法的側墻夾具穩健參數設計方法更優。

  關鍵詞:鋁合金車體;焊接變形;夾具優化設計;響應面法;有限元

高速列車鋁合金車體夾具

  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強勁需求拉動下,我國高速列車制造業飛速發展,為繼續打造我國高速列車自主化制造技術平臺和高速鐵路品牌,保障高速列車全生命周期的可靠性,迫切需要優化升級高速列車質量。其中高速列車車體作為列車的主體結構,其生產質量對高速列車起著至關重要的作用。為滿足高速列車運行速度不斷提高,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單等的優點成為高速列車車體制造的理想型材。如圖1-1所示為一個典型的高速列車鋁合金車體結構,它主要由底架、端墻、側墻以及車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,以及運行過程中各個方向的載荷與沖擊,因此列車車體需要有足夠的強度和剛度。

  其中側墻聯接底架和車頂,是高速列車車體的主要承載部件,車體側墻結構是各車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提高車體的剛度,避免在列車高速運行時因為氣流沖擊而變形,車體的壁也就可以做得更薄,比用實心板材制作的車體更加輕便。

  高速列車側墻零件及車體之間主要通過焊接進行連接,我國高速列車制造中的連接方式以自動和半自動熔化極惰性氣體保護焊(MIG焊)為主。對高速列車側墻來說,側墻截面及各側墻零件間的連接方式如圖1-3所示,側墻零件之間通過對接或搭接接頭連接起來,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約22m的連續長直焊縫,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,使得在長直焊縫的連續焊接過程中導致更加明顯的焊接變形,從而使側墻成為車體中焊接變形最為明顯和難以控制的部件。

  側墻的焊接變形會直接導致其尺寸的偏差,從而關系到能否和其他車體部件很好地裝配,以及列車車體的最終結構能否達到性能需求,最終影響到高速列車全壽命周期的安全性和可靠性?紤]到列車在高速行駛時需要承受巨大的空氣壓力,尤其是兩車交會以及列車通過隧道時氣流的劇烈變化引起的車體的激蕩,對側墻的質量提出了更嚴苛的考驗。為了消除由焊接引起的過大變形,以往通常在焊后采取火焰加熱來進行調修,焊后調修工藝在降低焊接變形的同時,也會對焊縫的強度造成損傷,降低了焊縫的強度,從而影響到車體焊后服役性能。同時由于在生產工藝中引進了火焰調修步驟,不僅增加了工時,還使得側墻的生產周期加長,大大降低了生產效率。因而需要在生產過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。生產中用焊接夾具來提升側墻的裝配質量,高速列車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程中處于穩定的狀態,就能夠減小因焊接引起的變形,大幅提高側墻的焊接質量,滿足制造工藝的要求。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定位和夾緊元件實現側墻橫向的約束。

  由于薄板結構的車體側墻剛性差、鋁合金材料在焊接過程中易變形的特點,使得側墻焊接夾具對焊接變形的影響顯得極為重要,實際生產也表明夾具定位對側墻焊接質量有著重要的影響。首先,側墻零件在不同的夾具定位方案下姿態不同,在焊接熱輸入的影響下會產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系,尋找最優的夾具定位方案使焊接變形最小。

  另外,夾具在生產制造時就可能存在尺寸偏差并且在側墻生產過程中會造成磨損而導致夾具松動、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重要的影響,使得最終的焊接質量變差,因此需要尋找合理的夾具定位布局,使側墻的焊接質量受夾具定位偏差的影響不那么敏感,使得側墻焊接過程更加穩健。為此本文以高速列車鋁合金車體側墻夾具為研究對象,在試驗驗證的基礎上通過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,從而優化側墻夾具定位參數,來減小側墻在焊接過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夾具定位點與焊縫之間距離參數

  4.2.2兩組夾具間距參數優化

  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差異性定位參數優化

  4.4本章小結

  策5章而向穩健性的側墻夾具定位數優化設計

  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

  為提高高速列車側墻焊接質量和安全可靠性,論文以高速列車鋁合金車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系,并對夾具定位參數進行了優化設計。首先,通過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行側墻焊接變形模擬,通過與生產實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行了優化設計。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,難以直接進行焊接變形數值模擬的問題,通過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行焊接試驗并測量焊接變形結果。然后,分別采用實體單元和殼單元建立兩種不同厚度薄板有限元模型進行焊接模擬分~析。最后,1冬試驗結果寫彷真結果對把分析,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,對側墻幾何模型進行簡化并建立殼單元有限元模型,分析仿真得到焊接溫度場結果和焊接變形結果。然后,根據側墻變形檢測工藝和測點位置分布,將仿真分析結果與實際生產實測數據對比,驗證了側墻殼單元有限元模型的準確性。通過對焊接變形的分析,選定側墻模型各測點法向上的平均變形量為評價指標進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化設計

  控制側墻焊接變形是側墻夾具優化設計的重點,因此以側墻測點變形量均值最小為優化目標對側墻夾具定位進行了優化設計。首先,基于夾具定位參數一致性對夾具定位點與焊縫之間距離參數和兩組夾具間距參數進行了優化。然后,在此最優參數基礎上,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行了優化,優化后的夾具定位方案對側墻焊接變形的抑制效果顯著,表明了基于響應面法的面向最小變形的夾具參數優化方法的準確性。

 。4)面向穩健性的側墻夾具定位參數優化設計

  為避免夾具定位偏差對側墻焊接質量的影響,采用面向穩健性對側墻夾具定位參數進行了優化設計。首先,基于內外表試驗設計采用田口方法進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行了優化設計。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化求解。最后,通過對兩種優化方法的對比,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化效果更好。

  6.2展望

  本文得到的結論能夠為生產中高速列車鋁合金車體焊接變形預測和控制提供指導,但受時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一步研宄:

 。1)高速列車鋁合金車體側墻實際模型非常大且結構復雜,在有限元分析的過程中很難對整個模型進行分析,故在本文的研究中截取了部分模型并進行了簡化處理;此外,在分析的過程中采用殼單元進行分析,盡管試驗表明用殼單元可以很好地模擬焊接過程,但仍然存在一定的誤差。隨著計算機算力的提升,在今后的研究中可以探索采用整個側墻模型和實體單元或更高效的焊接模擬方法進行有限元分析與研究,進一步提高準確性。?

 。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,難以考慮各個定位參數之間的耦合,在將來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行優化,進一步提高側墻的焊接質量。

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