先進復合材料軌道交通車輛輕量化發(fā)展與思考

章瀟慧

軌道交通是一種充分利用物理空間、對空間進行三維拓展的交通方式，具有運輸能力大、準時性高、安全性高、環(huán)境污染少等特點。大力發(fā)展軌道交通，是拉動區(qū)域經濟的有效手段，是解決城市交通擁堵的根本方法，世界各國均認同這一理念。

近年來，我國高度重視軌道交通技術及產業(yè)發(fā)展，已經成為世界領先的軌道交通強國。同時，國家為促進軌道交通產業(yè)的發(fā)展，出臺了一系列利好政策：2015年1月12日，我國發(fā)展和改革委員會發(fā)布《關于加強城市軌道交通規(guī)劃建設管理的通知》；2015年5月8日國務院發(fā)布的《中國制造2025》，先進軌道交通裝備被列為10大重點發(fā)展領域之一；2016年5月，國家發(fā)展改革委聯(lián)合交通運輸部印發(fā)《交通基礎設施重大工程建設三年行動計劃》，其中指出2016-2018年擬新建城市軌道交通2 000km以上，涉及的投資達1.6萬億元。在一系列國家級的頂層設計方案的指引下，各地方政府也相繼推出支持軌道交通建設的方案。

在國家政策的扶植與引導和現(xiàn)實需求的牽引下，我國軌道交通技術及產業(yè)發(fā)展進入了加速階段。根據中國鐵路總公司公布的數據，截至2017年底，全國鐵路營業(yè)里程達到12.7萬km，比2016年增長2.4%（圖1），其中，高速鐵路營業(yè)里程達到2.5萬km。全國鐵路路網密度132.2 km/萬km2，比2016年增加3.0 km/萬km2。其中，復線里程7.2萬km，比2016年增長5.4%，復線率56.5%，比2016年提高1.6%；電氣化里程8.7萬km，比2016年增長7.8%，電化率68.2%，比2016年提高3.4%。西部地區(qū)鐵路營業(yè)里程5.2萬km，比2016年增加1 663.5km，增長3.3%。有分析指出，“十三五”期間，中國軌道交通產業(yè)完成的投資量比“十二五”期間將增加 50%～70%，近年來，大鐵路、城際和城軌產業(yè)年均的投資額均在萬億元人民幣以上。

軌道交通技術及產業(yè)蘊藏十分豐富的投資機會與發(fā)展?jié)摿Γ瑢τ谲壍澜煌ㄟ@個龐大的產業(yè)體系而言，新材料的應用與發(fā)展，將為軌道交通產業(yè)帶來無限的商機。材料是軌道交通產業(yè)鏈中最上游、最基礎的一段，支持著整個軌道交通產業(yè)。與軌道交通產業(yè)相關的材料眾多，包括機車車輛與關鍵部件材料、車輪用材料、機車表面涂層與防腐材料、減振降噪材料、路基材料等。

隨著軌道交通行業(yè)技術的不斷發(fā)展，其對材料的輕量化需求也愈加顯著。輕量化對于車輛減重、提速、降噪、降低能源消耗具有重要的意義。通過新材料的替換以及材料工藝技術的進步，可有效提升裝備的輕量化水平。一大批輕量化材料，如先進復合材料、新型鋁合金、高強度鎂合金應等，為軌道交通裝備的輕量化、減重提供了保障。以碳纖維復合材料為主要發(fā)展趨勢的先進復合材料，是國民經濟與國防建設不可缺少的重要新型戰(zhàn)略材料，也是軌道交通輕量化的重要發(fā)展手段。與傳統(tǒng)金屬材料相比，碳纖維復合材料具有密度小、強度高、模量高等特點，并且在隔聲、隔熱、減振、防腐等方面性能優(yōu)異，廣泛適用于高端裝備的承載結構?！丁笆濉眹铱萍紕?chuàng)新規(guī)劃》《中國制造2025》均將碳纖維復合材料作為戰(zhàn)略產業(yè)進行重點突破，《中國中車科技發(fā)展“十三五”規(guī)劃》明確提出“重點突破基于碳纖維等復合材料在軌道交通領域的應用”。

1 先進復合材料軌道交通車輛應用現(xiàn)狀

軌道交通車體結構對牽引能耗的影響程度最大，是正常減重、輕量化的主要部件，其質量約占整車的15%～30%。若動車組車輛質量減輕100 kg，則運行中可節(jié)能約100GJ牽引能量。目前的軌道車輛車體材料包括耐候鋼或低合金鋼、高強度鋼、鋁合金、不銹鋼等。其中，海洋性氣候的沿海地區(qū)和高原地區(qū)主要使用耐腐蝕的不銹鋼；耐候鋼和低合金高強度鋼主要用于車體底架部件，牽引梁、枕梁、緩沖梁等；大多數國產車體結構端底架部位采用耐候鋼、低合金高強度鋼（主要因為其良好的焊接性和疲勞強度）；其余承載部分采用 SUS301L系列奧氏體不銹鋼。

實現(xiàn)車體結構質量減輕的重要方法是輕量化選材和結構設計。與鋼、鋁等傳統(tǒng)金屬材料相比，碳纖維復合材料為主的先進復合材料在輕量化、節(jié)能、電磁屏蔽、碰撞吸能等方面具有明顯的優(yōu)勢。例如，采用碳纖維復合材料制作的司機室頭罩具，抗沖擊性能明顯提升，當承受350kN的靜載荷時，抵擋1kg鋁彈的660 km/h的高速沖擊；高速列車車體和轉向架采用碳纖維，減重49%，輕量化節(jié)能效果顯著。

國際上碳纖維復合材料在軌道列車的應用集中于車體、轉向架、車外設備和車內裝飾。

案例一：日本新型新干線N700系高速列車CFRP部件，利用碳纖維復合材料，設計和制造了分車體蒙皮、絕緣子（導電弓架邊緣）和客車窗框等。

案例二：日本KAWASAKI（川崎重工）采用碳纖維，開發(fā)了第1代鐵道車輛用列車“efwing”。“efwing”采用為碳纖維側梁的柔性構架，對原本剛性的轉向架進行的革命性的改進，經過美國交通技術中心（TTCI）線路運行試驗，輪重減載率下降50%，車體外殼總減重40%。

案例三：德國SIEMENS在新開發(fā)的列車車體側部使用了碳纖維復合材料。

針對復合材料在軌道交通上的應用，國內相比國外而言起步較晚，但發(fā)展較為迅速：

2018年1月，中車長春軌道客車股份有限公司在軌道交通領域研制出具有完全自主知識產權的世界首輛全碳纖維復合材料地鐵車體（圖2）。全碳纖維復合材料整車較同類地鐵金屬車體減重約35%，從而對提高車體的運載能力、降低能源消耗等具有重大意義。

2018年9月，德國柏林國際軌道交通技術展上，中國中車發(fā)布了下一代地鐵產品取得了令人矚目的成效，碳纖維復合材料車體、轉向架、司機室、設備艙的成功研制，使得整車減重15%，軌道交通業(yè)界對碳纖維復合材料在軌道交通領域的應用充滿期待。

2 先進復合材料軌道交通應用的主要問題

盡管全球軌道交通行業(yè)在利用先進復合材料進行輕量化研究方面做出了很大的努力，但是碳纖維等先進復合材料的應用與推廣，仍然受到了很大的限制。

從發(fā)展現(xiàn)狀可以看出，碳纖維等先進復合材料在軌道交通領域的應用和發(fā)展還存在以下問題：處于研制早期階段，技術發(fā)展較慢，工藝成本高，研制周期長，效率低；共性技術研究嚴重不足，未形成統(tǒng)一研制流程規(guī)范；缺乏統(tǒng)一的產品平臺，資源共享不足。

3 先進復合材料軌道交通輕量化應用的思考

目前限制先進復合材料在軌道交通車輛上應用的最突出矛盾是工藝成本高、生產效率低。為此，我們可借鑒航空航天的先進經驗，利用網狀結構對軌道交通車體進行設計和制造，實現(xiàn)降低工藝成本、提高生產效率的目標。

為推進中車軌道交通裝備的輕量化發(fā)展進程，中車研究院牽頭組織各相關子企業(yè)與俄羅斯中央特種機械研究所進行了技術交流和工作對接。2018年3月份，該所協(xié)助中車開展了高速列車車體的初步概念設計。經過前期的技術交流，中俄雙方認為復合材料網格結構技術在400km高速列車、600km磁懸浮列車車體、司機室以及過渡車鉤等軌道交通車輛零部件領域有巨大的應用前景。以航空航天領域前期研究結果推測，采用網格結構的軌道交通復合材料裝備，可比現(xiàn)有案例的復合材料軌道交通裝備再減重10%，裝配量降低20%，制造周期縮短15%，制造成本下降15%。

3.1 先進復合材料網格結構

在復合材料工業(yè)中，網格結構復合材料是最有希望實現(xiàn)長期尋求的輕量化和高強度雙重目標的結構材料。復合材料網格結構是一種主要應用于抗屈曲結構和加筋表面結構的網格，主要是因為復合材料網格結構具有較大的截面慣性矩，并且具有較高的柔性。

使用各向異性網格結構的先驅工作可以追溯到30年前，該技術現(xiàn)在主要由俄羅斯的中央特種機械研究所（CRISM）掌握，用于俄羅斯太空計劃。在俄羅斯，網格結構的設計技術、成型技術、性能測試與表征等技術更加全面而深入，并且已采用各向異性網格復合材料網格結構成功地進行了40次衛(wèi)星發(fā)射。

自1981年CRISM開展復合材料網格結構技術的研究以來，該技術經過不斷發(fā)展和完善，在航天及軍工領域得到了廣泛的應用，如圖3所示。1986年，該所成功研制伊爾-IL-114飛機的機身；2001年研制的質子-M號適配器成功進行第1次發(fā)射；2007年，進行優(yōu)化設計的適配器更加輕量化。目前該所正在進行民用產品的開發(fā)，積極拓展復合材料網格結構技術在民用領域的應用。

自2010年以來，基于民用航空領域進一步減重和降成本的目標，歐盟第七框架計劃（Seventh Framework Programme，F(xiàn)P7）連續(xù)資助了3個項目以支持復合材料網格結構技術在商用飛機機身的應用研究，參與國家包括德國、俄羅斯、法國、荷蘭、瑞士、西班牙、英國、比利時、意大利等。

在FP7項目中，提出了新機身的理念，如圖4所示，網格結構承受主要載荷，蒙皮滿足功能性要求，因此可降低蒙皮厚度，達到結構質量最小和性能參數最佳的目的。與鋁合金的機身段相比，F(xiàn)P7項目研制的機身段減重高達54.5%。

美國網格結構的歷史始于由等邊三角形組成的鋁等網格；這些結構是由麥克唐納·道格拉斯公司（現(xiàn)為波音公司的一部分）開發(fā)的，并且被用作Atlas和Delta運載火箭的級間。

隨著近年來網格結構復合材料的迅速發(fā)展，其應用領域逐漸擴大，其潛在市場也變得十分可觀。研究發(fā)現(xiàn)，網格結構復合材料具有良好的承載能力，對損傷不敏感、易于修復，并且可靠性明顯提高，與夾層復合材料相比，具有更好的力學性能和多功能優(yōu)勢。不同的制備技術的出現(xiàn)，促進了網狀結構復合材料的巨大發(fā)展，為其各種應用奠定了堅實的基礎。

3.1.1 網狀結構復合材料的類型及分類

網格結構有多種類型，它們表征了復合材料網格結構的參數和性能。網格結構是由螺旋肋和環(huán)形肋部分組成的薄壁圓柱形或錐形材料，其與主軸成一定角度，如圖5所示。網格結構中沿2個方向布置的肋為角網格，沿3個方向布置的肋被稱為三向結構或六角形網格結構，而沿軸線正交布置的肋為四向結構。圖5顯示了不同類型的復合材料網格結構。如果2個方向上的肋為正交的，則該結構為正交網格，并且當肋在3個方向上形成等邊三角形時，該網格結構為等網格。目前，典型的六角形鋼筋結構可以較好地解決節(jié)點處纖維嚴重累積、三角形結構中存在的纖維架空現(xiàn)象問題，并降低節(jié)點處的纖維含量，提高節(jié)點的粘結強度。

一般來說，基本的網格結構是不需要蒙皮的。但是在實際設計和制造中，根據要求，可以采用單面或雙面蒙皮作為網格結構的蒙皮。根據網格結構的表面形狀，可將網格結構分為內表面網格結構和外表面網格結構。

3.1.2 網格結構的優(yōu)點

與傳統(tǒng)的復合材料制品相比，網格結構具有以下優(yōu)點：

①良好的可成形性。網格結構及其蒙皮形成一個整體并共同固化，有助于提高網格桿與蒙皮連接的可靠性。

②設計靈活性?？梢詫W格結構進行設計，以優(yōu)化設計素材中所用材料的特征和結構的組合；這種組合可以根據外部荷載（如網格間距、寬度、高度和蒙皮層的放置）來調整網格結構參數，以便最大限度地提升復合材料的強度和剛度。

③突出的結構穩(wěn)定性。網格結構框架改善了蒙皮的局部壓曲臨界荷載，并提高了結構的穩(wěn)定性和實際承載能力。

④結構可靠性高。與夾層結構相比，網格結構不易損傷、易維修且可在更多承重構件下增大承載能力。

⑤更高的比強度與比剛度。在復合材料網格結構中，纖維占其強度的95%以上，這在其他結構中是很難實現(xiàn)，并且使用網格結構可使復合材料具有更強的競爭力。

⑥成本低、效益高。網格結構復合材料制品的質量比金屬網狀結構產品輕50%左右，而且成本也更低。

3.2 網格結構的制造與加工

纖維纏繞、編織和經編網可用于形成若干網格結構，例如四邊形、三角形和六角形的網狀結構。網格制造工藝的主要目標是為網格結構提供優(yōu)良的機械性能及縱向加固。目前，復合材料網格結構的形成方法主要有：

①增加網格。加筋網格板是一種用于生產零件的網格結構型板，不適合用于制造回旋加速器本體結構。

②手工鋪設技術。采用樹脂傳遞模塑（RTM）、高壓釜模塑、高壓釜固化壓力法等技術，可以將長纖維束或切斷的短纖維束手動鋪設到網格槽中，形成網格結構。手工鋪設技術比較簡單，但勞動強度高，生產效率低，不適合大規(guī)模、批量生產。

③纏繞成型。通過直接采用數控繞線機在網格槽進行繞線，通過連續(xù)纖維纏繞形成復合材料網格結構，降低了生產成本，提高了產品穩(wěn)定性能，并且易于實現(xiàn)批量生產。

④編織2（或更多）組紗線載體圍繞圓形框架反向旋轉形成編織預制件。編織網格預制件由2（或更多）組紗線交織而成，編織紗線從不同的方向引入，并且通過這種工藝制造的網狀結構是高度互連的，通常以平鋪狀或管狀形式形成2D或3D網格結構。

⑤經編。使用經編機根據不同的導桿配置和紗線運動，將紗線形成具有嚙合環(huán)的網狀織物結構，例如三角形、菱形或六角形網格結構。

3.2.1 加筋網格結構

網格加筋結構主要包括網狀加強結構、編織和織構結構、纏繞網格和其他網格制備方法。

對于復合材料的網格結構，無論是從制備技術還是從結構性能的角度來看，鑄件的制備是網格結構復合材料的關鍵因素。

螺旋箍筋是網格結構中的主要承重構件。雖然加筋肋是剛度和強度均低于單向層合結構的單向微結構，但迄今為止工業(yè)化生產的網格結構的螺紋鋼筋模量是傳統(tǒng)單向復合材料的80%，而壓縮強度僅為傳統(tǒng)單向復合材料的40%。其原因是：①螺旋箍的相互交叉使得纖維體積小于50%；②纖維損傷（特別是高模量碳素纖維），使得與設備的接觸更加嚴重。為了解決這一問題，通常采用硅橡膠模，可以方便地改造肋骨網格，解決側向壓力，優(yōu)化肋骨間的粘接方式。復合材料網格結構模的分類如下：

①軟模。軟模法包括在彈性材料上開網格槽。美國空軍（USAF）飛利浦實驗室是這個領域的領航者，軟模用于太陽能板、整流罩和適配器的生產。但是，軟模法也有其缺點：產品表面粗糙，棒材尺寸不穩(wěn)定，軟模固化后需要進行拆分以提取產品，成本高，并且脫模困難。

②用硬質泡沫開槽模。與軟模法相似，纖維束和泡沫中的樹脂會形成溝槽并形成網格結構。氣泡可以滯留在復合材料結構中，具有保溫隔音效果，氣泡還可以消除機械損傷、化學損傷或熱損傷等。這種方法的主要缺點是，由于網格節(jié)點纖維體積高達60%，并且連桿和節(jié)點位置的纖維組分僅為30%，所以網格結構的性能遠低于具有這種纖維體積含量的層狀復合材料結構。

③硬模法。硬模法（如金屬模）的缺點包括：纖維體積含量不能太高、勞動強度大等。然而，其優(yōu)點也很明顯，即產品的尺寸、穩(wěn)定性好、精度高。

④復合模法。在該方法中，模具可由2種或多種材料制成：一種材料提供剛性基材的熱穩(wěn)定性，用于形成整個輪廓形狀的網格結構（可選擇金屬或環(huán)氧樹脂）；另一種是具有高彈性模量的材料，用于增強已固定和成形網格材料。最常用的方法是采用硅橡膠。

⑤混合技術。首先，根據網格框架的形狀和功能要求，制作出專用的基底膜。接著，在底膜上鋪設膨脹墊，在纏繞或鋪設成形工具之后對預浸劑進行固化，并使用固化留下的熱量使槽墊膨脹。然后，將預浸劑從橫向網格框架擠出，以確保所生產的網格結構的質量。

⑥膨脹模工藝法。Kim提出[1]，膨脹模工藝（見圖6）得利于金屬底板和對所需模具的多種形狀的擴展能力，并且因為模具的膨脹可以采用可拆卸螺栓固定在地板上。根據特定功能要求所需的網格結構的形狀，在網格框架結構上對各種幾何形狀進行分組。在固化過程中，存在導致網格結構膨脹和從網格框架的任一側擠出的反應?？刂颇虊K尺寸的熱量和膨脹可以調節(jié)網格框架的壓力，從而確保網格框架的纖維體積含量，并保證網格框架的質量。根據使用的何種工藝，可以在纏繞之前或之后在模具中放置鋼筋。

⑦拉擠-聯(lián)鎖工藝。Han提出的拉擠-聯(lián)鎖技術是一種適用于網格框架的簡單制備方法。圖7顯示了拉擠-聯(lián)鎖工藝示意圖。首先，利用拉擠工藝生產出具有相應尺寸的加強肋，網格框架的拉擠槽的肋以槽的形式相互鎖定到組合后的肋中。

⑧輸運床氣化技術（Transport Integrated Gasification，簡稱TRIG）工藝是由斯坦福研究所提出的，適用于錐形殼體、殼體或球形，是一種制備先進復合材料網格結構的新方法。圖8顯示了TRIG加工工藝示意圖。該方法使用金屬管作為模具，并且固定殼體在管之間保留有用于交叉纏繞復合材料的間隙空間。整個網格結構形成后，管將成為肋壁的一部分。

3.2.2 編織和經編網狀結構

編織的網狀結構采用編織技術生產網格復合材料。通過利用紡織和化學生產的基本原理，在織機上完成織造和樹脂整理，從而得到復合材料網狀結構。網格尺寸可根據材料的應用情況進行選擇。材料的選擇、工藝的采用、合理的織物整理方法、以及涂層干燥方法的實施均是復合材料網格化的關鍵，也是影響網格結構復合材料的功能與特征的重要因素。

在組織結構方面，與紗網結構相比，普通網狀結構具有最簡單的組織、穩(wěn)定的結構和清晰的網格。因此，一般采用平紋梭織。編織網格結構復合材料采用弱捻或無捻紗線作為經緯材料，編織成相對稀疏的網狀結構。由于傳統(tǒng)編織過程較長，織造后不易保持穩(wěn)定性，因此需要專用的編織機。編織機包括主體、經紗輸送機和織造機。經紗輸送機由底框、多個經紗傳動軸和許多傳動軸支撐。主編織機設有經紗升降裝置和電柜，用于在織造緯紗時將經紗上下分離。編織機的其他組成部分包括緯紗裝置、牽引裝置、平移裝置和切割裝置。

編織網格織物整理包括在涂裝和干燥工藝中加入抗滑光劑。對編織網格織物進行整理時需要考慮2個因素：

①整理劑的選擇和制備。網格結構復合材料用整理劑必須具有一定的粘度，并且容易干燥。根據網格結構復合材料的不同應用，選擇不同的整理劑。

②干燥溫度和時間。該整理劑需要一定的溫度和時間來進行干燥。在整理過程中，應特別注意干燥溫度和干燥時間，并確保設備均勻干燥，以及在生產編織網格結構復合材料時的所有重要參數。

經編網格結構主要采用常用的玻璃纖維、高強度聚乙烯纖維、高強度聚酯、聚丙烯等加筋材料。經編網格結構的主要工藝生產過程是原材料和織造技術的選擇。

根據應用的需要，在經編網格結構中使用不同的原料：對于一般應用，通常使用聚酯、聚丙烯、玻璃纖維；對于一些特殊應用，使用高性能材料，如碳纖維和芳綸纖維；通常使用較細的滌綸紗線作為加固物。經編網格結構采用單一或復式緯紗雙軸經編機進行全線生產。這種經編機的主要生產商為2家德國公司：卡爾·邁耶紡織機械公司和利巴紡織機械公司。一臺直線式緯紗雙軸向經編機包括襯經、緯紗和連接襯里。這3個系統(tǒng)被引入一個環(huán)形區(qū)域，然后通過編織運動連接成一個圓。將經紗和緯紗的襯里捆綁在一起，從而形成一個雙軸向經編網。

單一緯紗機或嚙合拉舍爾機中可使用一個或多個內置導桿，導桿不能重疊。然后，通過在一根或兩根導桿中以不同針距在針背處部分穿入緯紗，以便生產出各種網格結構。

一臺復式緯紗雙軸向經編機（線緯雙軸向經編機）包括襯經、緯紗和連接襯里。這3個系統(tǒng)被引入一個圓形區(qū)域，然后通過編織運動被連接成一個環(huán)形網格。經紗和緯紗的襯里被捆綁在一起，從而形成雙軸向經編網。編織網的雙軸經紗，在每個平鋪網格上進行橫向和豎向編織，且不會相互交錯，但在更精細的連接中，會將經紗和緯紗交匯處的襯里綁接在一起，形成一個強節(jié)點。對縱行線圈進行加固，并將紋路加固并聯(lián)結在一起，以形成網格。

3.2.3 纖維纏繞網格結構

當網格結構受到軸向壓縮時，箍筋處于相當低的拉伸應力下，因此其性能并不重要，因為蒙皮（通常由環(huán)形線圈制成）幾乎不受軸向荷載的影響。螺旋鋼筋是網格結構中的主要承載件，其性能主要取決于制造工藝的參數（鋼筋的尺寸、張力、樹脂粘度等）和網格設備的成型。網格結構制造工藝的主要類型如下：

①所采用的傳統(tǒng)增強法是一種自由成型纏繞技術，紗線按一定的角度和距離布置在心軸上。該成型方法成本很低，但網格成品的性能較差，如圓柱體的網格扭曲，以及縱筋端部網格嚴重偏離。

②輕質泡沫芯材料的纏繞通常包括蒙皮傷口、蒙皮傷口內注射模芯材料內的蒙皮，然后在溝槽中纏繞縱向加強件，并最終從蒙皮中繞出。該成型方法成本適中、性能高、網格結構質量好、承載能力佳、具有耐高溫、防潮、降噪效果好等特點。如果只有網格結構的外蒙皮，則拆除可能會引起機械損傷、化學損傷和熱損傷的泡沫模具。

③連續(xù)纖維纏繞、布帶鋪設和RTM方法已應用于網格結構的生產，具有實現(xiàn)全自動生產的巨大潛力。對于熱塑復合材料，即使沒有真空袋或高壓釜也可進行固化。這樣，將大大降低生產成本。

④網格結構可采用具有網格槽的金屬內襯形成金屬復合材料，用作軸承箱和壓力容器。根據復合材料的特點，優(yōu)化網狀結構和蒙皮層，使復合材料的強度和剛度達到最大。

舉例來說，太陽能電池陣的典型網格框架板由2個平鋪復合材料網格板組成，該網格板由單向碳素纖維增強塑料通過纖維纏繞制成。框架由2個平鋪網格復合材料板組成，使用框架式連接器組裝成三維面板。通過纏繞預拉伸的碳素纖維膠帶或將粗紗均勻地鋪在平鋪心軸上的槽中，可以同時制造2個網格板。這些槽造于心軸的硅橡膠彈性涂層中。一旦完成纏繞和固化，便可切割板材，并將其從心軸中取出。

3.3 先進復合材料網狀結構在軌道交通車輛中的應用

與夾層結構相比，網格結構的一個重要優(yōu)點就是其可靠性高；網格結構對損傷不敏感，易于修復，而且多重承載也不會降低結構的承載能力，因此其應用廣泛，市場潛力可觀。

復合材料網狀結構和網格結構這一概念前景廣闊。在航空工業(yè)中，網格結構或網格結構廣泛應用于商用飛機的機身結構，因為基本的承載元件是由單向碳-環(huán)氧復合材料制成，與鋁原型相比，質量減少了30%～40%。此外，薄織物外蒙皮在張力作用下不會開裂，在受到撞擊時也不會分層。另一個優(yōu)點是，網格結構完全一體。在生產時，裝配部件和附件是通過卷繞程序與機身結構一并制造的。

除了在航空航天工業(yè)中的應用，復合材料網狀結構和網格結構還可以用于集裝箱、火車、拖車、船舶、卡車、橋梁、混凝土加固、屋頂等。通常，這種由連續(xù)纖維構成的結構具有韌性好、剛性強、質量輕、抗損傷的特點。此外，由于其開放式結構，網格結構更適合于多種設計。例如，通過在網格內部空間內填充吸收噪聲或微波泡沫，可以將網格復合材料制成吸聲材料或電磁材料。結果表明，與金屬拉伸主導網格和蜂窩網格相比，復合材料網格具有更好的吸能性。因此，復合材料網格可用于許多民用領域，替代吸能結構。

經過多年的研究和實驗，復合材料網格結構已成功地應用于世界各國的各個領域，并成為國民經濟的一部分。例如，擠壓成型的塑料材料已被制成繩成型模具，然后將網格結構纏繞在該塑料模具上，而且作為框架的塑料模具還可在固化后用于產品制造。該技術制造成本低，產品尺寸精度和穩(wěn)定性好。對成型工藝、設計、分析、試驗和評價的各種研究均具有較高的水平，并且已經提供了許多有價值的研究成果，如燃料箱、火車、拖車、船舶、飛機、橋梁、鋼筋混凝土等所用的桿、柱、土木工程管道以及其他人工制品。

目前世界上，尚沒有利用先進復合材料網格結構進行設計和制造的軌道交通裝備案例。經過我們的討論，復合網格材料具有比常規(guī)復合材料更高的機械強度和韌性以及更高的綜合性能，體現(xiàn)了網格結構在復合材料中的優(yōu)勢。網狀結構的其類型、分類、特點、結構設計與工藝、成型與性能分析，以及網狀結構復合材料的應用，該技術非常適合軌道交通車體的設計與制造。

然而，在網狀結構在軌道交通領域的工程化應用，仍需要設計和制造技術的基礎研究方面，還需要對其微觀結構和各種性能進行進一步探索和優(yōu)化，并且需要加強對復合網格結構研究成果的實際應用與理論研究的結合。隨著網格結構在航空航天以及汽車制造等民用工業(yè)中的應用日益廣泛，該技術在軌道交通領域的的應用在不久的將來也會快速發(fā)展。

參考文獻

[1] JIANG Jinhua，CHEN Nanliang，GENG Yi，et al.Advanced Grid Structure-Reinforced Composites[M].Porous lightweight composites reinforced with fibrous structures；Springer，2017：129-155.