軌道車輛泡沫夾芯中頂板夾層設(shè)計(jì)與優(yōu)化

熊俊清， 齊玉文， 周 洲， 蔣興雷， 張 虎

(1. 株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司， 湖南株洲 412007；2. 中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司， 長(zhǎng)春 130062)

0 前言

目前城際間交通已逐漸步入高速軌道車輛運(yùn)輸時(shí)代，為滿足運(yùn)行速度以及乘客對(duì)乘坐舒適度要求的提升，內(nèi)飾產(chǎn)品輕量化已然成為促進(jìn)軌道車輛提升速度、減小能耗,實(shí)現(xiàn)降本增效的關(guān)鍵技術(shù)[1-2]。當(dāng)下軌道車輛大量采用平板鋁合金或玻璃鋼板件，產(chǎn)品質(zhì)量偏重且材料容易出現(xiàn)下垂，已成為制約軌道車輛提速減重的因素之一。相對(duì)于平板鋁合金和玻璃鋼板件而言，聚對(duì)苯二甲酸乙二正醇酯(PET)泡沫、聚氯乙烯(PVC)泡沫及酚醛泡沫復(fù)合夾芯板有著較低的面密度、較高的強(qiáng)度及良好的阻燃性能,已在軌道車輛生產(chǎn)中得到較為廣泛的應(yīng)用[3-6]。

通過組合不同厚度環(huán)氧面板與不同材料泡沫芯材，采用有限元仿真及試驗(yàn)結(jié)合的方式，研究了不同結(jié)構(gòu)復(fù)合夾芯板的面密度、平拉強(qiáng)度、平壓強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度，并測(cè)試了自重載荷情況下復(fù)合夾芯板的下垂撓度，隨后對(duì)不同復(fù)合夾芯板進(jìn)行綜合性能對(duì)比，得出相對(duì)優(yōu)化的組成結(jié)構(gòu)[7-9]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

纖維增強(qiáng)環(huán)氧面板，江蘇萬潤(rùn)新材料科技有限公司；

PVC泡沫，北京科拉斯化工技術(shù)有限公司；

PET泡沫，北京科拉斯化工技術(shù)有限公司；

纖維增強(qiáng)防火泡沫， 株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司。

1.2 儀器和設(shè)備

萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，CMT-4104型，深圳市新三思計(jì)量技術(shù)有限公司；

密度測(cè)試儀，DH-300型，東莞宏拓儀器有限公司；

有限元仿真分析軟件，ABAQUS6.11。

1.3 常規(guī)性能測(cè)試

平拉性能按GB/T 1452—2005 《夾層結(jié)構(gòu)平拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試速率為1 mm/min;

平壓性能按GB/T 1453—2005 《夾層結(jié)構(gòu)或芯子平壓性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試速率為0.5 mm/min;

彎曲性能按GB/T 1456—2005 《夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試速率為5 mm/min。

中頂板采用上下兩層環(huán)氧面板及泡沫芯材組成的三明治夾芯結(jié)構(gòu)，中頂板總厚度為10 mm，結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。復(fù)合夾芯板整體厚度可依據(jù)設(shè)計(jì)要求更改，其中環(huán)氧面板起支撐作用，因此其厚度增大有利于提高中頂板的彎曲強(qiáng)度及彎曲剛度。但是由于環(huán)氧面板的面密度大于泡沫芯材的面密度，環(huán)氧面板厚度增加會(huì)增大自重載荷，導(dǎo)致復(fù)合夾芯板所受重力載荷增大產(chǎn)生下垂變形缺陷[10-12]。因此，針對(duì)已有的0.5 mm、1 mm厚度規(guī)格環(huán)氧面板，在保證復(fù)合夾芯板總厚度不變的情況下，結(jié)合PET泡沫芯材，進(jìn)行有限元分析及力學(xué)性能仿真[13-14]。

圖1 中頂板結(jié)構(gòu)示意圖

此外，考慮選擇酚醛泡沫芯材以及不同面密度的PVC泡沫芯材作為復(fù)合夾芯板的材料，結(jié)合不同泡沫芯材的參數(shù)進(jìn)行有限元仿真分析，具體泡沫芯材、環(huán)氧面板組成實(shí)驗(yàn)方案見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)方案

通過有限元仿真分析，計(jì)算理論下垂最大位移及材料應(yīng)力分布，隨后針對(duì)實(shí)際產(chǎn)品進(jìn)行平拉強(qiáng)度、平壓強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)，選出性價(jià)比最優(yōu)的復(fù)合夾芯板組成結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

2.1 材料參數(shù)分析

中頂板的上下面板均采用環(huán)氧面板材料，玻璃纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%，為自制件。環(huán)氧面板材料性能參數(shù)見表2,其中:E代表環(huán)氧玻璃纖維預(yù)浸料不同纖維編織方向彈性模量;μ代表環(huán)氧玻璃纖維預(yù)浸料不同方向的泊松比;G代表環(huán)氧玻璃纖維預(yù)浸料不同纖維編織方向的彎曲模量;下標(biāo)1為纖維編織0°方向，下標(biāo)2為纖維編織90°方向,下標(biāo)3為厚度方向。

表2 環(huán)氧面板材料性能參數(shù)

環(huán)氧面板與泡沫芯材間采用雙組分聚氨酯黏結(jié)劑、酚醛泡沫、PET泡沫以及3種不同體密度PVC泡沫為自制件，性能參數(shù)見表3。

表3 不同芯材及黏結(jié)劑性能參數(shù)

2.2 邊界條件及載荷

在純靜態(tài)條件下進(jìn)行強(qiáng)度分析，將不同結(jié)構(gòu)的泡沫夾芯中頂板的4個(gè)邊角區(qū)域作為支點(diǎn)固定，保證仿真試樣尺寸大小一致，不用外加附加載荷，加載載荷為根據(jù)給定密度計(jì)算的試樣自重。加載示意圖見圖2。

圖2 有限元仿真加載示意圖

2.3 有限元仿真結(jié)果分析

采用ABAQUS6.11有限元分析軟件劃分網(wǎng)格，并進(jìn)行計(jì)算。分析數(shù)據(jù)均采用國(guó)際單位制SI。仿真結(jié)果以范氏(Mises)應(yīng)力云圖及剪切應(yīng)力云圖的形式表征。

首先根據(jù)自重載荷加載的邊界條件計(jì)算該結(jié)構(gòu)下泡沫芯材所受的最大剪切應(yīng)力，隨后對(duì)比泡沫芯材自身剪切強(qiáng)度，計(jì)算安全系數(shù)，并通過受力狀態(tài)仿真計(jì)算理論下垂撓度。方案1中，酚醛泡沫的最大剪切應(yīng)力為0.06 159 MPa，對(duì)比酚醛泡沫的剪切強(qiáng)度1.3 MPa，安全系數(shù)為21.11。地板的最大位移為1.545 mm。方案1的仿真結(jié)果見圖3和圖4。不同復(fù)合夾芯板仿真結(jié)果見表4。

圖3 方案1泡沫芯材Mises應(yīng)力云圖

圖4 方案1泡沫芯材剪切應(yīng)力云圖

表4 不同復(fù)合夾芯板仿真結(jié)果

由表4結(jié)合材料力學(xué)性能參數(shù)分析，結(jié)果表明：

(1) 方案2、方案3中，面板厚度由0.5 mm增加至1 mm，所受剪切應(yīng)力減小，下垂撓度減小，可知增加環(huán)氧面板厚度可增大復(fù)合夾芯板彎曲剛度，減少下垂。

(2) 方案4、方案5、方案6中，隨著泡沫芯材密度增加，復(fù)合夾芯板所受自重載荷增大，彎曲模量亦隨之增大，但彎曲模量增量無法抵消自重載荷帶來的下垂變形；而方案1中酚醛泡沫的彎曲模量增量對(duì)彎曲剛度的增益遠(yuǎn)大于自重載荷帶來的影響，其綜合性能最佳。

2.4 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果分析

結(jié)合力學(xué)性能測(cè)試仿真結(jié)果，對(duì)以上結(jié)構(gòu)夾芯板進(jìn)行復(fù)合試制，部分產(chǎn)品實(shí)物示意見圖5。對(duì)每種方案進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，包括平拉強(qiáng)度、平壓強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度,結(jié)果見表5。

圖5 部分復(fù)合夾芯板實(shí)物示意圖

表5 不同復(fù)合夾芯板力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

對(duì)比兩種不同厚度的PET夾層泡沫板的仿真分析及試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果，面板厚度增加0.5 mm后雖然導(dǎo)致復(fù)合夾芯板整體面密度增加，但是由于面板厚度增加,復(fù)合夾芯板整體剛度也增加，平拉強(qiáng)度、平壓強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度及下垂撓度等力學(xué)性能更加優(yōu)化。

對(duì)PVC泡沫而言，泡沫芯材密度增加，產(chǎn)品自重載荷增大，力學(xué)性能提升；而對(duì)比體密度為0.2 g/cm3的PVC泡沫夾芯板與酚醛泡沫夾芯板，平拉強(qiáng)度、平壓強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度等力學(xué)性能優(yōu)于其他芯材結(jié)構(gòu)夾層板，且二者泡沫芯材密度相近。但由于酚醛泡沫芯材彎曲模量高于PVC泡沫芯材，其下垂撓度小于方案6中的材料。

結(jié)合力學(xué)性能及下垂撓度對(duì)比結(jié)果分析可得，在只承受自重載荷作用下，復(fù)合夾芯板實(shí)測(cè)下垂撓度都能控制在2 mm以內(nèi)，其中方案1在承受外部載荷時(shí)，由于其自身內(nèi)部通過纖維增強(qiáng)，相對(duì)于其他僅含PET泡沫、PVC泡沫組成的復(fù)合夾芯板有著最小的下垂撓度以及較為優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。

3 結(jié)語

對(duì)6種不同復(fù)合夾芯板進(jìn)行了有限元仿真分析及力學(xué)性能測(cè)試，并結(jié)合仿真分析和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果表明:方案1酚醛泡沫夾芯板的平拉強(qiáng)度為5.7 MPa、平壓強(qiáng)度為4.6 MPa、彎曲強(qiáng)度為89.9 MPa,以及實(shí)測(cè)下垂撓度為1.6 mm等性能指標(biāo)，為綜合性能最優(yōu)化的復(fù)合夾芯板組成結(jié)構(gòu)，可應(yīng)用于軌道車輛夾芯中頂板領(lǐng)域。