碳纖維車頭在市域快軌車輛上的應(yīng)用

方炅任, 張亞楠, 趙川宇, 張?jiān)品?/p>

(1 中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司， 長(zhǎng)春 130062;2 北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司， 北京 100068)

近年我國(guó)地鐵、城市軌道交通發(fā)展迅速，城市軌道交通運(yùn)營(yíng)主體在進(jìn)行車輛產(chǎn)品招標(biāo)時(shí)，明確提出了減重的技術(shù)要求。為滿足運(yùn)力，各個(gè)城市要求減重以減少輪阻、風(fēng)阻，提高運(yùn)行速度，另一方面，車輛減重也能極大地減少城市能耗[1-2]。目前，在軌道車輛車身上常用的材料有鋁合金、不銹鋼和耐候鋼等傳統(tǒng)金屬材料。由于材料性能的限制，傳統(tǒng)金屬材料的輕量化比例有限。

碳纖維復(fù)合材料(以下簡(jiǎn)稱：碳纖維材料)，由于其在強(qiáng)度、抗變形、抗磁化、耐高溫、耐腐蝕等方面的優(yōu)點(diǎn)，自20世紀(jì)90年代以來(lái)，逐漸被法國(guó)、日本、韓國(guó)等國(guó)家科研機(jī)構(gòu)嘗試在軌道車輛上進(jìn)行輕量化研究[3-4]。近年來(lái)，我國(guó)中車集團(tuán)、西南交大等科研機(jī)構(gòu)，也陸續(xù)開展了碳纖維材料在軌道車輛上的應(yīng)用研究[5-7]。除了車身，頭罩由于其集安全、美觀及風(fēng)阻等性能要求于一體，成為了國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)優(yōu)先研究碳纖維材料應(yīng)用的產(chǎn)品之一。日本石塚理[3]等人研制的新干線電車CFRP車頭，產(chǎn)品通過(guò)了載荷、氣密性及振動(dòng)性等試驗(yàn)；西南交大[5]研究了碳纖維材料在高鐵頭罩上的應(yīng)用，結(jié)果表明，碳纖維材料頭罩產(chǎn)品可滿足30 kPa風(fēng)壓、137 kN排障和振動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)要求；唐山軌道客車有限公司[6]設(shè)計(jì)并計(jì)算了城軌車輛碳纖維材料頭罩的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和固有頻率，均能滿足使用需求。

主要針對(duì)碳纖維材料的選擇、碳纖維材料成型工藝、碳纖維材料頭罩產(chǎn)品缺陷控制、碳纖維材料連接方式等方面進(jìn)行了研究，并對(duì)設(shè)計(jì)完成的頭罩產(chǎn)品進(jìn)行了22種工況條件下的仿真分析。

1 碳纖維材料的選擇

碳纖維材料由兩部分組成：樹脂基體和碳纖維絲，樹脂基體為碳纖維材料的粘接劑，它對(duì)碳纖維材料的機(jī)械性能、成型工藝及材料的成本有直接的關(guān)系，需根據(jù)使用環(huán)境、承受的載荷來(lái)確定基體材料。因車頭頭罩基本不參與載荷，頭罩可選擇乙烯基樹脂作為基體材料。此外，北京市域快軌車輛防火要求需滿足EN 45545-HL2標(biāo)準(zhǔn)，乙烯基樹脂為溴化、反應(yīng)型樹脂，具有與碳纖維界面結(jié)合性好、耐熱性高、防火阻燃能力強(qiáng)等特點(diǎn)，因此，采用乙烯基樹脂作為基體材料也能夠滿足北京市域快軌車輛車輛防火要求。

頭罩產(chǎn)品選用厚度0.25 mm、200 g/m2的碳纖維雙軸布和厚度0.8 mm、800 g/m2碳纖維四軸布兩種材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，碳纖維具體機(jī)械性能如表1所示。根據(jù)碳纖維可設(shè)計(jì)性，對(duì)碳纖維材料分別進(jìn)行0°、90°、-45°和45°鋪層設(shè)計(jì)，頭罩主結(jié)構(gòu)區(qū)域蒙皮為4 mm，加厚區(qū)域?yàn)?.7 mm，同時(shí)滿足頭罩靜強(qiáng)度、沖擊載荷及產(chǎn)品輕量化要求。

車頭骨架，由于承載較大，則需要采用環(huán)氧樹脂作為基體材料。車頭骨架用碳纖維復(fù)合材料采用預(yù)浸料工藝成型，預(yù)浸料工藝采用樹脂基體，在嚴(yán)格控制的條件下浸漬連續(xù)纖維或織物，最終制成樹脂基體與增強(qiáng)體的組合物。項(xiàng)目所使用的無(wú)鹵高阻燃性快速固化環(huán)氧樹脂碳纖維預(yù)浸料，可實(shí)現(xiàn)5 min快速固化，性能優(yōu)于同阻燃級(jí)別的酚醛樹脂預(yù)浸料。此外，快速固化環(huán)氧樹脂與芯材粘接強(qiáng)度更大，可減少膠膜的使用，以達(dá)到減重和降成本的目的?？焖俟袒h(huán)氧樹脂具有以下特點(diǎn)。

表1 碳維纖的機(jī)械性能

①固化快;

②優(yōu)良的表面狀態(tài)及機(jī)械性能;

③加工工藝性好;

④制造周期短;

⑤能夠滿足鐵路客車EN 45545-HL3級(jí)別的阻燃標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)滿足軌道車輛TVOC及TB/T 3139等環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

2 碳纖維頭罩及碳纖維骨架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

為滿足車輛的輕量化需求，依據(jù)碳纖維材料比強(qiáng)度、比模量高等特點(diǎn)，頭罩產(chǎn)品采用4 mm厚真空導(dǎo)入工藝碳纖維材料，車頭骨架則采用主體4 mm厚的預(yù)浸料成型工藝碳纖維材料。車輛需滿足EN 12663標(biāo)準(zhǔn)中的強(qiáng)度要求，因此，車頭骨架受力較大的窗下載荷處，根據(jù)截面慣性矩理論，車頭骨架可被設(shè)計(jì)成腔型的結(jié)構(gòu)，一方面，可滿足零件受力要求，另一方面，可實(shí)現(xiàn)零件的減重要求。此外，利用有限元對(duì)車頭骨架進(jìn)行進(jìn)一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化，盡可能減小骨架斷面，增加司機(jī)室空間并實(shí)現(xiàn)車輛輕量化。通過(guò)有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化相結(jié)合進(jìn)行碳纖維材料車頭骨架設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)材料設(shè)計(jì)車頭骨架相比，可減重30%左右。

3 成型工藝

3.1 樹脂真空導(dǎo)入成型工藝

頭罩采用碳纖維樹脂真空導(dǎo)入工藝進(jìn)行制造。首先將碳纖維在模具上鋪設(shè)，將真空輔助材料(如脫模布，導(dǎo)流網(wǎng)，真空袋等)置于上方，然后抽真空。碳纖維材料會(huì)在大氣壓力下被壓平，混合完畢的液體樹脂經(jīng)軟管被引入碳纖維材料片材中。待樹脂完全進(jìn)入碳纖維片材后，停止液態(tài)樹脂導(dǎo)入，隨后在真空狀態(tài)下進(jìn)行固化。采用真空導(dǎo)入工藝制備復(fù)合材料，可避免傳統(tǒng)濕法手糊工藝中出現(xiàn)的樹脂富余和性能不穩(wěn)定等問(wèn)題，同時(shí)可消除孔隙和制件中的氣泡，使產(chǎn)品外觀質(zhì)量、強(qiáng)度更優(yōu)異。

3.2 碳纖維材料預(yù)浸料真空袋壓高溫固化成型工藝

車頭骨架采用預(yù)浸料真空袋壓高溫固化成型工藝進(jìn)行制造。將產(chǎn)品密封在模具和真空袋之間，通過(guò)抽真空對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行加壓，并進(jìn)行高溫固化，使產(chǎn)品更加密實(shí)、力學(xué)性能更好。具體工藝步驟為：將碳纖維預(yù)浸料鋪放置在模具上，然后鋪設(shè)真空輔助材料(如脫模布，真空袋等)，抽真空后，將產(chǎn)品放入烘箱內(nèi)進(jìn)行高溫固化。采用此工藝形成的產(chǎn)品，性能均勻，可有效控制產(chǎn)品厚度和含膠量，減少產(chǎn)品中的氣泡，適用于成型復(fù)雜、大型制件。

4 碳纖維材料測(cè)試、缺陷分析及控制方法

根據(jù)鋪層設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果，采用不同成型工藝，制備了碳纖維復(fù)合材料。隨后，對(duì)制備的材料分別進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試及缺陷分析。采用真空導(dǎo)入成型工藝制備的頭罩材料測(cè)試結(jié)果表2～表3所示?？梢钥闯?，頭罩材料未開孔時(shí)，抗拉強(qiáng)度為490 MPa，主要破壞位置位于材料中部，失效形式為邊緣分層；開孔后材料抗拉強(qiáng)度下降約19.6%，失效形式為橫向斷裂。這主要是由于碳纖材料材料開孔后，在孔邊緣產(chǎn)生應(yīng)力集中，并且應(yīng)力迅速沿90°面擴(kuò)展的結(jié)果。材料在受壓載荷下，強(qiáng)度明顯低于受拉載荷，主要失效形式為軸向斷裂且失效的位置不確定，這主要是由于碳纖維復(fù)合材料中樹脂粘結(jié)劑材料填充不均勻?qū)е隆?/p>

表2 頭罩碳纖維復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

注：DGM(失效形式D(邊緣分層)，失效區(qū)域G(工作段)，失效位置M(中部)) LGM(失效形式L(橫向)，失效區(qū)域G(工作段)，失效位置M(中部))

表3 頭罩碳纖維復(fù)合材料壓縮、剪切強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

注：SGV(失效形式S(軸向劈裂)，失效區(qū)域G(工作段)，失效位置V(多種))

采用預(yù)浸料真空袋壓高溫固化成型工藝制備的骨架碳纖維復(fù)合材料，其測(cè)試結(jié)果如表4～表5所示?？梢钥闯霾捎么斯に嚦尚偷牟牧?，力學(xué)性能明顯優(yōu)于采用樹脂真空導(dǎo)入成型工藝制備的頭罩材料，其抗拉強(qiáng)度達(dá)910 MPa，開孔材料強(qiáng)度也高于頭罩材料。這主要是由于采用高溫固化成型過(guò)程中，粘結(jié)劑與碳纖維更好的界面結(jié)合，材料中孔隙率小于樹脂真空導(dǎo)入成型工藝制備的頭罩材料[8]，因此，力學(xué)性能顯著提高。真空袋壓高溫固化成型工藝制備的骨架碳纖維復(fù)合材料其主要失效形式為爆炸式斷裂，這主要是由于材料失效是以90°鋪層的基體拉伸失效和0°鋪層纖維拉伸失效起始[9]；隨載荷的增加纖維拉伸失效區(qū)域和基體拉伸失效區(qū)域不斷擴(kuò)展，并逐漸發(fā)生拉伸分層失效和基體剪切失效；最終顯現(xiàn)出爆炸斷裂的形式。

表4 車頭骨架碳纖維復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

注：XGM(失效形式X(爆炸)，失效區(qū)域G(工作段)，失效位置M(中部))

LGM(失效形式L(橫向)，失效區(qū)域G(工作段)，失效位置M(中部))

表5 車頭骨架碳纖維復(fù)合材料壓縮、剪切強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

注：HAT(失效形式H(剪壞)，失效區(qū)域A(夾持端)，失效位置T(端部))

BGM(失效形式B(爆炸)，失效區(qū)域G(工作段)，失效位置M(中部))

復(fù)合材料的孔隙率會(huì)直接影響材料的機(jī)械性能。造成材料孔隙率高的主要原因?yàn)椋河捎诖嬖谳^高含量的揮發(fā)物、殘留的部分小分子物質(zhì)，樹脂黏度大、流動(dòng)性差等原因，樹脂與纖維的浸潤(rùn)性較差，復(fù)合材料在拐角處，往往出現(xiàn)貧樹脂現(xiàn)象，不能填充較好。復(fù)合材料孔隙率增高，會(huì)嚴(yán)重降低復(fù)合材料的力學(xué)性能。降低復(fù)合材料孔隙率，首先要嚴(yán)格選材，按規(guī)范驗(yàn)收纖維、樹脂、固化劑、脫模劑、膠衣等其他輔助材料，其次是控制生產(chǎn)過(guò)程中的樹脂與纖維的結(jié)合狀態(tài)，嚴(yán)格按照樹脂規(guī)定的溫度、適度、固化時(shí)間進(jìn)行工藝控制，可制作樣件通過(guò)超聲波檢測(cè)，滿足要求后，再進(jìn)行成品的制作。

根據(jù)以上分析，在進(jìn)行設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)盡可能減小開孔面積，并在生產(chǎn)過(guò)程中嚴(yán)格控制孔隙率，確保產(chǎn)品滿足設(shè)計(jì)要求。

5 碳纖維的連接方式

碳纖維常用的連接方式有機(jī)械連接、膠接以及混合連接等。項(xiàng)目中采用的是混合連接，即機(jī)械連接與膠接混合設(shè)計(jì)。

(1)螺栓連接

螺栓連接主要是采用緊固件將兩個(gè)碳纖維料件連接在一起，可設(shè)計(jì)成有一定調(diào)節(jié)量的、可以重復(fù)拆解的連接方式。安裝過(guò)程中，出現(xiàn)變形以及因公差累計(jì)的超差等現(xiàn)象時(shí)，可根據(jù)裝配要求，選擇螺栓孔的方向。因?yàn)樘祭w維復(fù)合材料塑性較差，會(huì)造成多排緊固件連接載荷分布不均勻的問(wèn)題，因此，采用緊固件連接形式時(shí)，應(yīng)盡可能選用不多于兩排的緊固件，緊固件盡可能選用平行排列，避免交錯(cuò)排列，以提高強(qiáng)度[9]。

圖1為螺栓連接方案。為保證順利安裝，碳纖維零件上設(shè)計(jì)長(zhǎng)圓孔進(jìn)行調(diào)整，以滿足裝配需求。與車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接時(shí)，采用8.8級(jí)的M20螺栓。

圖1 螺栓連接方案

(2)膠接

膠接是碳纖維復(fù)合材料常用的一種連接方式，通過(guò)粘結(jié)劑將兩個(gè)碳纖維零件連接在一起。膠接設(shè)計(jì)遵循的原則是：膠層需在最大強(qiáng)度方向受剪力，盡量避免膠層在法向受力，發(fā)生剝離失效。采用膠接，可避免因開孔而導(dǎo)致的應(yīng)力集中及產(chǎn)生較好的氣密性，除與外部有接口處外，其余零件之間，均采用膠接方式進(jìn)行連接，圖2為典型的膠接結(jié)構(gòu)。

6 車頭碳纖維材料鋪層設(shè)計(jì)優(yōu)化及靜強(qiáng)度校核

由于車頭承受靜載荷較大，也有較高的減重需求，采用局部補(bǔ)強(qiáng)增厚措施對(duì)車頭蒙皮、車頭上部骨架、司機(jī)室前擋板以及立柱處進(jìn)行鋪層局部補(bǔ)強(qiáng)。

(1)靜載荷工況強(qiáng)度校核

為進(jìn)一步確認(rèn)采用碳纖維設(shè)計(jì)的頭罩是否滿足車輛使用要求，利用HyperMesh軟件與Ansys 軟件，基于TB 1335-96 標(biāo)準(zhǔn)、BS EN 12663-1 2010 標(biāo)準(zhǔn)和IIW-1823-07/XIII-2151r4-07/ XV-1254r4-07標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)給定的車頭總體數(shù)據(jù)結(jié)合鋁合金車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了車輛標(biāo)準(zhǔn)要求的22種工況條件下的靜強(qiáng)度分析。

圖2 典型膠接結(jié)構(gòu)

(2)碳纖維司機(jī)室及鋁合金車體有限元模型

建立車體有限元模型時(shí)，凡是對(duì)車輛整體剛度及局部強(qiáng)度有貢獻(xiàn)的結(jié)構(gòu)，都予以考慮。為了計(jì)算的準(zhǔn)確性，碳纖維司機(jī)室模型構(gòu)成以任意4節(jié)點(diǎn)薄殼單元為主，3節(jié)點(diǎn)薄殼單元為輔。碳纖維司機(jī)室及鋁合金車體有限元模型中單元總數(shù)為2 474 855，結(jié)點(diǎn)總數(shù)為2 210 578。

(3)靜強(qiáng)度失效分析

車頭強(qiáng)度判定標(biāo)準(zhǔn)：所有工況作用下，碳纖維司機(jī)室各部件的蔡-吳失效因子必須小于1。

根據(jù)車輛設(shè)計(jì)要求，對(duì)22種工況條件進(jìn)行了分析。具體工況及結(jié)果如表6所示?？梢钥闯觯捎锰祭w維材料設(shè)計(jì)的城市軌道車輛車頭，能夠滿足所有22種工況條件下的車輛設(shè)計(jì)要求，蔡-吳失效因子均小于1。在工況9(AW0+一位端部壓縮窗臺(tái)高度處300 kN)和工況15(車鉤復(fù)軌一位端抬起)條件下，司機(jī)室前端骨架立柱和立板處，設(shè)計(jì)安全系數(shù)相對(duì)較低。

工況9模擬車輛發(fā)生碰撞時(shí)的工況，要求在車鉤及防爬器完全吸能后，車頭結(jié)構(gòu)仍能承受載荷，保護(hù)司機(jī)安全。圖3為工況9具體載荷邊界條件。圖4～圖7分別為工況9條件下，車頭蔡-吳失效因子云圖、第1主應(yīng)變?cè)茍D、第3主應(yīng)變?cè)茍D和剪切應(yīng)變?cè)茍D?？梢钥闯?，在此工況條件下，司機(jī)室前端擋板和前端骨架立柱處出現(xiàn)應(yīng)力集中，從圖5、圖6放大圖中可以看出，前端擋板最大應(yīng)變值為0.002 45，前端骨架立柱最大應(yīng)變值為0.000 144。圖7顯示剪切應(yīng)變?cè)茍D最大值為0.002 12，結(jié)合圖4蔡-吳失效因子為0.87<1，可得出結(jié)論：車頭設(shè)計(jì)滿足該工況要求。

表6 不同工況條件下車頭失效分析結(jié)果

圖3 計(jì)算工況9載荷邊界條件注：加載面積1 600×96 mm2，加載位置中心距地板上表面高度590 mm

圖4 工況9失效因子云圖

圖5 工況9第1主應(yīng)變?cè)茍D

圖6 工況9第3主應(yīng)變?cè)茍D

工況15模擬車輛一位端脫軌，車鉤座復(fù)軌工況。圖8為此工況條件下載荷邊界條件設(shè)置。圖9～圖12分別為工況15條件下，車頭蔡-吳失效因子云圖、第1主應(yīng)變?cè)茍D、第3主應(yīng)變?cè)茍D和剪切應(yīng)變?cè)茍D?？梢钥闯?，在此工況條件下，司機(jī)室蒙皮燈角處出現(xiàn)應(yīng)力集中。其中最大主應(yīng)變?yōu)?.002 44，最大剪切應(yīng)變值為0.003 83。此工況條件下，車頭蔡-吳失效因子為0.87<1，因此，車頭設(shè)計(jì)能夠滿足該工況要求。

圖7 工況9剪切應(yīng)變?cè)茍D

圖8 計(jì)算工況15載荷邊界條件

圖9 工況15失效因子云圖

由于其余工況條件下，計(jì)算的蔡吳失效因子值均小于1，且最大應(yīng)力、應(yīng)變值均較小，能夠滿足設(shè)計(jì)要求，不進(jìn)行贅述。通過(guò)以上分析可知，采用碳纖維材料設(shè)計(jì)和制造市域軌道車輛車頭頭罩、骨架，方案可行，能夠滿足車輛設(shè)計(jì)要求。

圖10 工況15第1主應(yīng)變?cè)茍D

圖11 工況15第3主應(yīng)變?cè)茍D

圖12 工況15剪切應(yīng)變?cè)茍D

7 結(jié) 論

以市域軌道車輛車頭頭罩、骨架為載體，對(duì)車頭用碳纖維復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)與優(yōu)化、材料成型工藝等方面進(jìn)行了研究，并對(duì)設(shè)計(jì)完成的頭罩產(chǎn)品進(jìn)行了仿真分析。研究及分析結(jié)果表明：

(1) 采用碳纖維復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造城軌車輛車頭頭罩及骨架，方案可行，可實(shí)現(xiàn)減重30%。

(2) 采用樹脂真空導(dǎo)入成型工藝制備的碳纖維復(fù)合材料性能低于采用預(yù)浸料真空袋壓高溫固化成型工藝制備的復(fù)合材料，適合用于承載較小的車身覆蓋件，其主要失效形式為分層斷裂，在有螺栓孔的位置，主要失效形式為橫向斷裂；

(3) 采用預(yù)浸料真空袋壓高溫固化成型工藝制備的碳纖維復(fù)合材料，具有較好的力學(xué)性能，適用于承載較大的車身結(jié)構(gòu)件，其主要失效形式為爆炸斷裂，在有螺栓孔的位置，主要失效形式為橫向斷裂。