高速磁浮列車復(fù)材橫梁組成結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

劉鵬 袁雨青 虞大聯(lián) 孫玉璽 薛健康

摘?要：高速磁浮列車橫梁組成首次采用碳纖維復(fù)合材料設(shè)計，以期在降低橫梁組成結(jié)構(gòu)重量的同時，提高橫梁組成的整體性能。本文研究了復(fù)材橫梁組成的結(jié)構(gòu)特點、仿真驗證及制造工藝，同時闡述了研發(fā)過程中產(chǎn)生的關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點。復(fù)材橫梁組成滿足時速600公里高速磁浮列車的運營載荷要求。

關(guān)鍵詞：高速磁浮;橫梁組成;碳纖維復(fù)合材料;結(jié)構(gòu)設(shè)計

中圖分類號：TB?????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A??????doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.36.067

0?引言

高速磁浮列車橫梁組成作為磁浮車輛的主要承力構(gòu)件之一，結(jié)構(gòu)承載形式、載荷工況都比較復(fù)雜。目前國內(nèi)外磁懸浮走行機(jī)構(gòu)橫梁組成全部采用鋁合金材質(zhì)，橫梁為擠壓鋁型材，橫梁連接件為鋁合金鑄件，各零件之間通過鉚接工藝組裝。為滿足時速600km的載荷要求，有必要研制新的復(fù)合材料橫梁組成。碳纖維復(fù)合材料具有比強度比模量高、可設(shè)計性強、疲勞性能好等優(yōu)勢，在航空航天、軌道交通領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

高速磁浮列車橫梁組成首次采用碳纖維復(fù)合材料設(shè)計，結(jié)合復(fù)合材料成型工藝特點，充分發(fā)揮復(fù)合材料自身優(yōu)勢，以期在降低橫梁組成結(jié)構(gòu)重量的同時，提高橫梁組成的力學(xué)性能、疲勞可靠性。本文詳細(xì)介紹了復(fù)材橫梁組成的結(jié)構(gòu)特點、鋪層設(shè)計、仿真認(rèn)證以及制造工藝等內(nèi)容，突出了設(shè)計過程中的關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點。

1?結(jié)構(gòu)設(shè)計Structure Design

橫梁組成安裝于高速磁浮列車夾層內(nèi)，用于安裝縱梁組成、搖枕、空簧安裝梁、托臂等部件，并和托臂一起通過電磁鐵為列車提供懸浮力、導(dǎo)向力和制動/牽引力。根據(jù)橫梁組成的結(jié)構(gòu)尺寸要求，橫梁組成長3350mm、寬1000mm、高250mm，由兩根橫梁和兩件搖枕支架組成，如圖1所示。

1.1?復(fù)合材料橫梁Composite Crossbeam

復(fù)合材料橫梁為矩形外框加筋結(jié)構(gòu)，在外框內(nèi)部布置斜筋，并按載荷情況在斜筋局部區(qū)域增加鋪層以滿足橫梁組成各載荷工況要求。

根據(jù)橫梁組成受力特點，復(fù)合材料橫梁為主要承力構(gòu)件，為保證其承載能力與內(nèi)部質(zhì)量，橫梁矩形外框與斜筋均采用熱壓罐工藝成型。斜筋與外框分別單獨成型后，采用AW106/HV953結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行膠接，并在端部和中部受力復(fù)雜部位增加鉚釘連接防止脫粘，同時為了保證膠接質(zhì)量和精度，將斜筋1和斜筋2分別等分成2部分后再進(jìn)行膠接裝配，復(fù)合材料橫梁結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2?鋪層設(shè)計Laminate Design

復(fù)合材料橫梁外框整體厚度7mm，采用碳纖維織物預(yù)浸料EM119/HFW200T/42鋪貼成型，0°/±45°/90°鋪層的比例為25/50/25，具體鋪層方案為[（±45）/（0，90）/（±45）/（0，90）]4S，鋪層示意如圖3所示。

復(fù)合材料橫梁斜筋整體厚度3mm，采用碳纖維織物預(yù)浸料EM119/HFW200T/42和單向預(yù)浸料EM119/HFW150U-A12/40混合鋪層，并在局部區(qū)域進(jìn)行加強，端部厚度為3.5mm，搖枕支架之間區(qū)域局部厚度為4mm，詳細(xì)鋪層信息如表1所示。

1.3?接口設(shè)計

橫梁組成與各零部件的接口通過設(shè)置螺栓座的形式實現(xiàn)，為了保證復(fù)合材料橫梁具有良好的受力狀態(tài)，首先將螺栓座與金屬內(nèi)襯鉚接為一個整體，然后與橫梁鉚接裝配。其中，托臂安裝位置受力較大、載荷復(fù)雜，為提高橫梁的局部剛度和承載能力，在橫梁端部增加U型連接件，如圖4所示。

2?仿真驗證

2.1?有限元計算模型

懸浮架橫梁組成有限元計算模型采用MSC Patran/Nastran軟件建立。橫梁組成、縱梁、托臂、空簧支架及縱橫梁連接座主要采用殼單元（CQUAD4和CTRIA3）模擬，搖枕支架和螺栓座等采用實體單元模擬（CHEXA、CPENTA和CTETRA），鉚釘和螺栓采用緊固件單元（CFAST及CBUSH）模擬。

2.2?材料許用值

橫梁組成采用損傷容限設(shè)計，進(jìn)行大的型面上的強度校核時所采用的設(shè)計許用值（應(yīng)變）如表2所示。

2.3?仿真分析結(jié)果

橫梁組成中復(fù)材部分各靜強度計算工況下的最小安全系數(shù)為1.04，出現(xiàn)在工況S5BA1下橫梁外框與縱梁連接處，如圖5所示。橫梁組成靜強度滿足設(shè)計要求。

橫梁組成中復(fù)材部分各疲勞工況下的最小安全系數(shù)為1.21，出現(xiàn)在工況A12A1下橫梁端部斜筋截止位置，如圖6所示，橫梁組成疲勞強度滿足設(shè)計要求。

3?關(guān)鍵技術(shù)

（1）利用復(fù)合材料的低密度、比強度比模量高等特性進(jìn)行設(shè)計實現(xiàn)減重目標(biāo)。充分利用復(fù)合材料鋪層的可設(shè)計性，通過合理地選取鋪層角度、鋪層比和鋪層順序，實現(xiàn)以最小的重量達(dá)到使用要求。另外，復(fù)合材料橫梁組成提高了整個結(jié)構(gòu)的耐久性和疲勞性能，增加結(jié)構(gòu)的使用壽命。單件復(fù)合材料橫梁組成整體減重28.87%，實現(xiàn)了新一代高速磁浮列車的輕量化要求。

（2）本文獨創(chuàng)性采用陽模鋪貼，陰模固化的制備工藝。陽模鋪貼保證鋪貼壓實，鋪層不斷開;陰模固化保證外表面質(zhì)量;采用碳纖維均壓板加airpad柔性均壓板保證內(nèi)部質(zhì)量。

（3）針對國內(nèi)尚無適用于軌道交通大型承力制件的成熟防火阻燃碳纖維材料體系，本設(shè)計以已有環(huán)氧樹脂體系材料為基礎(chǔ)，進(jìn)行配方改良與工藝試驗，最終開發(fā)滿足軌道交通領(lǐng)域要求的高阻燃系列軌道交通專用材料體系，可滿足EN45545中HL2要求。

4?結(jié)論

高速磁浮列車碳纖維復(fù)合材料懸浮架橫梁組成，采用新型碳纖維復(fù)合材料替代傳統(tǒng)鋁合金結(jié)構(gòu)，較原金屬結(jié)構(gòu)減重達(dá)30%，各項力學(xué)性能指標(biāo)均達(dá)設(shè)計要求。本研究具有里程碑意義，是碳纖維復(fù)合材料制品作為磁浮列車的主承力結(jié)構(gòu)的首次嘗試，為碳纖制品在軌道交通領(lǐng)域批量生產(chǎn)起到良好的示范作用。

參考文獻(xiàn)

[1]劉鵬，袁雨青，張佳衛(wèi)，等.高速磁浮列車復(fù)合材料橫梁纖維褶皺問題研究[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2020，（9）.

[2]王建軍，田愛琴，段浩偉.高速列車用A7N01P-T4鋁合金板材可焊性研究[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2017，（13）.