随着高速铁路技术的快速发展,列车的行驶速度也越来越快。在列车急速行驶的过程中,由于受到剧烈的载荷冲击,列车的行驶安全性、乘坐舒适性等性能都会受到显著的影响。车体作为高速列车的主要承载结构,其制造质量的好坏将直接影响到高速列车行业发展的进程。高速列车车体是由众多铝合金型材焊接而成,而铝合金型材大多是挤压而得到的。一方面,挤压得到的型材本身就存在一定的制造偏差;另一方面,在零部件焊接过程中,由于剧烈的吸热和放热导致零部件产生焊后变形。另外,在装配过程中工装夹具还会引入定位偏差,这就导致了车体最终的制造质量和装配精度难以得到有效控制,这也是高速列车行业进一步发展所必须解决的问题。本文从高速列车车体的关键尺寸的装配偏差预测角度出发,着重研究了大型结构焊接变形的数值仿真预测方法,考虑和分析了车体装配过程中焊接变形、零件偏差、定位偏差等多种偏差源对车体最终装配质量的影响,并通过仿真结果与实测数据的比较验证了该装配偏差预测方法的准确性和可行性。该方法可为车体在设计开发阶段的零件尺寸设计、定位方式的选择及焊接工艺的制定提供指导。本文的具体研究内容包括以下三部分:(1)侧墙、车顶、底架三个大部件局部模型热弹塑性分析基于“局部-整体”的思想方法,利用热弹塑性有限元法研究了瞬态温度场对高速列车车体三个主要大部件焊缝处残余塑性应变分布的影响,指出了双椭球热源在铝合金焊接数值仿真上的适用性。通过对仿真结果的分析发现,残余塑性应变集中在焊缝及其热影响区域,这是因为该区域在焊接过程中的温度高、温度梯度大,不均匀的温度场所造成的内应力达到了材料的屈服极限,使得该区域材料产生了塑性应变,并引起了焊接结构的变形。(2)侧墙、车顶、底架三个大部件整体模型的焊接变形分析根据高速列车车体三个大部件局部模型的各道焊缝残余塑性应变的分布情况,提取了横向和纵向固有应变。在此基础上,参照侧墙、车顶和底架的焊接工艺流程建立了其整体结构的有限元模型,然后将提取的固有应变转化为各向异性的热膨胀系数赋予整体模型焊缝附近区域的材料,通过弹性计算实现对侧墙、车顶和底架三个大部件整体结构焊接变形的预测。通过对仿真结果的分析发现,侧墙高度、车顶宽度和底架宽度在焊后都出现了不同程度的收缩。实测数据和仿真结果有较好的吻合性验证了固有应变法预测焊接变形的可行性和准确性。(3)高速列车车体关键尺寸的装配偏差分析针对高速列车车体截面的高度和宽度装配精度预测问题,分析了零件图纸,根据现有工艺提供的定位策略和装配顺序,利用三维尺寸装配偏差分析软件建立了高速列车车体三个大部件的刚性装配偏差模型,并将焊接变形以均值移动的方式对侧墙高度、车顶宽度和底架宽度的刚性装配偏差结果进行了修正。然后,将修正的结果作为车体装配的初始输入偏差,模拟同时存在零件偏差、夹具定位偏差、焊接变形等因素的车体装配过程。通过仿真结果和实际测量数据的对比验证了该方法对存在焊接变形因素的装配偏差分析的可行性。