碳纖維復(fù)合材料車體承載部件的設(shè)計

王明舉，李博，周偉旭，徐博雅，李天亮

(中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心，吉林 長春 130062)*

隨著軌道交通運(yùn)輸行業(yè)對軌道客車的安全性、舒適性、綠色節(jié)能性提出了新的要求，碳纖維復(fù)合材料作為一種新型替代材料逐漸引起了世界各國的重視［1］.碳纖維復(fù)合材料可應(yīng)用在車輛工程、精密制造、航天航海等高科技領(lǐng)域，還可用在大型機(jī)械、醫(yī)療設(shè)備、生物工程等方面［2］.

現(xiàn)如今，金屬材料制造的傳統(tǒng)鋁合金車體存在應(yīng)力腐蝕、外表處理困難、焊接要求高、疲勞強(qiáng)度低的問題;不銹鋼車體存在封閉性、局部屈曲、焊接變形等問題;碳鋼車體存在易腐蝕、不利于輕量化、焊接變形大等問題.顯然，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)、材料應(yīng)對挑戰(zhàn)的技術(shù)方案顯得不夠豐富，技術(shù)難度大，無法滿足用戶對列車綜合性能的要求.隨著世界高速列車譜系的不斷完善，用戶對個性化訂制的需求逐步成熟，并呈現(xiàn)多樣性發(fā)展趨勢［3-5］.

新材料、新設(shè)計、新制造技術(shù)是軌道列車輕量化的主要途徑，具體體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、采用復(fù)合材料、采用輕金屬材料［6］.車頂是車體結(jié)構(gòu)的重要組成部分，不但要承受或傳遞作用于車體本身的各種載荷外，還要承擔(dān)各大設(shè)備的生根、連接作用.為了充分利用碳纖維材料的優(yōu)良特性，重新設(shè)計了車頂?shù)耐庑纬叽纾瑑?nèi)部鋪層結(jié)構(gòu)，在減重的同時達(dá)到了金屬制品同樣的性能.

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

為保證整體的車輛承載能力，碳纖維復(fù)合材料車體各部件設(shè)計時主要采用碳纖維-芯層結(jié)構(gòu)(類似于三明治結(jié)構(gòu))，碳纖維-芯層結(jié)構(gòu)主要由兩層碳纖維蒙皮中間加入泡沫或蜂窩夾芯組成［7］，如圖1所示.車頂主結(jié)構(gòu)由方向不同的碳纖維預(yù)浸料和結(jié)構(gòu)芯材構(gòu)成，不同方向碳纖維材料性能、芯材材料性能如表1所示.纖維的方向性應(yīng)被合理地使用以避免纖維中斷和端接，最大限度地利用纖維復(fù)合材料的方向性以及保持結(jié)構(gòu)中傳遞路徑的連續(xù)性［8-10］.利用不同的鋪層層數(shù)、鋪層方向?qū)崿F(xiàn)力的傳遞和分散.在結(jié)構(gòu)設(shè)計和驗證過程中，鋪層方式及方法可以得到以下經(jīng)驗值.為了簡化設(shè)計和應(yīng)力計算，本文使用0°、+45°、-45°、135°、90°代表纖維的方向，本文設(shè)定0°是主承力方向，如圖2所示.

圖1 復(fù)合材料車頂外形結(jié)構(gòu)

表1 阻力系數(shù)對比

圖2 纖維方向

設(shè)計過程中同時考慮了裝配過程出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力，在設(shè)計結(jié)構(gòu)的時候多采用對稱鋪層和平衡鋪層，避免了結(jié)構(gòu)不對稱產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力影響整車性能.

總結(jié)設(shè)計過程，碳纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)需要遵守如下準(zhǔn)則:

(1)一般情況下，不同角度纖維所占比例為0°，最大 45°，其次 90°;

(2)為了對抗受力變形的影響，在4個不同方向上要有纖維;

(3)模塊化鋪層:為了減少層間微裂紋，應(yīng)該限制同一方向上的鋪層數(shù).

(4)局部結(jié)構(gòu)可以全部使用±45°的鋪層.

2 計算結(jié)果分析

車頂材料由金屬優(yōu)化為復(fù)合材料后，本文對相關(guān)部件進(jìn)行了有限元仿真計算.計算結(jié)果如表2所示.表中所比較數(shù)值為安全系數(shù)，安全系數(shù)為許用應(yīng)力與計算應(yīng)力的比值.

從表2可以看出，不同工況下碳纖維車體的安全系數(shù)要大于金屬車體.壓縮工況中碳纖維車體安全系數(shù)低于金屬車體，這說明碳纖維復(fù)合材料的各向異性，即在垂向方向上受力較差.但是安全系數(shù)仍然大于1，滿足相關(guān)要求.

根據(jù)典型工況即1.3AW3工況，將車頂部件在金屬車體與碳纖維車體之間的受力情況進(jìn)行對比，如圖3所示.

表2 安全系數(shù)對比

圖3 金屬車體受力分析

從整車受力圖中可以看出，金屬車體的受力最大點在底架承載縱梁處，在轉(zhuǎn)向架范圍內(nèi)的底架區(qū)域受力較大，碳纖維車體的受力最大點在客室底架座椅尖點處.本文可以看到底架座椅與地板交界處受力較大，窗口下沿受力較大，這些趨勢與鋼車也有相似之處.從整車趨勢上分析，鋼車頭車車頂靠近二位端主橫梁應(yīng)力較集中，中間車車頂邊梁與主橫梁交界處應(yīng)力較大，意味著在此工況下車頂鋼結(jié)構(gòu)受力不是十分均勻，有一定的優(yōu)化空間.碳纖維復(fù)合材料車頂對力的傳遞情況優(yōu)異，整個車頂受力較均勻且沒有應(yīng)力集中點，證明在整個設(shè)計過程中沒有鋪層的急劇變化導(dǎo)致應(yīng)力集中點的出現(xiàn)，體現(xiàn)了車頂在設(shè)計過程中的成功之處，這也成功驗證了碳纖維復(fù)合材料確實可以應(yīng)用在軌道車輛領(lǐng)域.

3 質(zhì)量評價

在碳纖維復(fù)合材料車體制件質(zhì)量評價時，運(yùn)用以下三種方法:

(1)接觸式脈沖反射法.采用接觸方式，根據(jù)超聲波在材料中傳播時遇到不連續(xù)性所產(chǎn)生的反射回波和材料底面產(chǎn)生的回波檢查缺陷并進(jìn)行評定;

(2)噴水式脈沖穿透法.采用噴水耦合的方式，根據(jù)超聲波穿透材料后的幅度變化檢查缺陷或評定材料材質(zhì);

(3)水浸式脈沖反射板法.采用水浸耦合方式，根據(jù)超聲波穿透材料后從反射板反射的回波幅度變化檢查缺陷評定材質(zhì).

缺陷判定方法如圖4所示.

圖4 缺陷尺寸定義

圖4 中陰影部分表示缺陷區(qū)域.y是橫向最大投影寬度;x是垂直于y方向的缺陷投影長度.(x+y)=2z.分層缺陷分區(qū)等級如表3所示.

表3 分層缺陷分區(qū)等級比

等級A為關(guān)鍵主承載部件，在受力的關(guān)鍵部件中不允許缺陷的存在.這對于鋪層設(shè)計的合理性、生產(chǎn)輔助設(shè)備、操作者技能都提出了很高的要求.

等級B為重要主承載部件.在需要特別注意的承載部件區(qū)域范圍內(nèi)允許一定尺寸的缺陷.對于這種缺陷一般需要記錄存檔，并在后續(xù)的實際運(yùn)營與車輛檢修時重點關(guān)注，關(guān)注缺陷是否存在擴(kuò)大的跡象.

等級C為一般主承載部件.在仿真分析和實際試驗過程中受力不大的區(qū)域允許存在缺陷.一般在后續(xù)車輛運(yùn)營過程中不做特殊關(guān)注.

4 結(jié)論

通過上述研究分析可以得出以下結(jié)論:

(1)為了防止裝配過程出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力，本文在設(shè)計結(jié)構(gòu)的時候爭取多采用對稱鋪層和平衡鋪層.在設(shè)計內(nèi)部鋪層結(jié)構(gòu)時有一些設(shè)計準(zhǔn)則，用來避免應(yīng)力集中及分層.這些準(zhǔn)則都是從實際試驗中得到的;

(2)不同工況下碳纖維車體的安全系數(shù)要大于金屬車體.壓縮工況中碳纖維車體安全系數(shù)低一些，這說明碳纖維復(fù)合材料的各向異性，即在垂向方向上受力較差.總體來說，從列車減重、運(yùn)營安全、乘客體驗等方面碳纖維復(fù)合材料車體均具有一定的優(yōu)越性.碳纖維復(fù)合材料車頂對力的傳遞情況優(yōu)異，整個車頂受力較均勻且沒有應(yīng)力集中點，證明在鋪層設(shè)計中避開鋪層激變，沿力的傳遞方向設(shè)計鋪層的方法是可行的;

(3)質(zhì)量評價時根據(jù)受力情況的不同區(qū)分ABC不同等級的缺陷.在后續(xù)列車運(yùn)營檢修時密切關(guān)注這些缺陷看其是否發(fā)展擴(kuò)大.