輕量化碳纖維夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域的具體應(yīng)用分析

郭占軒

摘 要：隨著軌道交通行業(yè)的蓬勃發(fā)展，“節(jié)能、舒適”已逐漸成為軌道交通車輛的剛需，車體輕量化無疑是未來發(fā)展的必要趨勢。碳纖維夾芯復(fù)合材料是一種可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到較高的力學(xué)強(qiáng)度、耐腐蝕、減震降噪、耐疲勞的輕質(zhì)新型復(fù)合材料。本文主要闡述了碳纖維夾芯復(fù)合材料的應(yīng)用現(xiàn)狀、各項(xiàng)性能優(yōu)勢、輕量化剛度等效設(shè)計(jì)原則、主要加工工藝，并展望了復(fù)合材料未來發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：軌道交通;輕量化;碳纖維;夾芯結(jié)構(gòu);復(fù)合材料

0 引言

近年來，“一帶一路”已成為推動(dòng)中國經(jīng)濟(jì)增長的重要驅(qū)動(dòng)力。毫無疑問，軌道交通行業(yè)不僅拉近了我國與世界各國之間的發(fā)展關(guān)系，而且推動(dòng)了城市之間人才與產(chǎn)業(yè)的合作，加快了城鎮(zhèn)化進(jìn)程。在經(jīng)歷了十年的飛躍發(fā)展后，《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》把智能化、綠色化、輕量化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和平臺(tái)化列為軌道交通裝備產(chǎn)業(yè)的目標(biāo)。軌道交通在滿足人民對(duì)美好生活的向往所具備的安全、舒適、高效以外，綠色、節(jié)能已是軌道交通發(fā)展的必然趨勢。因此，為了規(guī)避傳統(tǒng)金屬材料重量大、能耗大的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)出新型的輕質(zhì)材料及其對(duì)應(yīng)的加工工藝顯得尤為重要。

軌道交通車體輕量化可減小車體自身軸重，降低成本，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：第一，對(duì)提升列車速度有重要作用，在滿足現(xiàn)代社會(huì)的快節(jié)奏的同時(shí)，還可以降低運(yùn)行成本，降低能耗，節(jié)省能源;第二，重量減輕在一定程度上可以減少車輛對(duì)軌道的磨損，進(jìn)而降低鐵路的維護(hù)成本。輕量化的軌道交通車輛對(duì)軌道的沖擊力減小，降低車體振動(dòng)，不僅可以為乘客提供一個(gè)相對(duì)舒適的乘坐環(huán)境，還可以提高車體運(yùn)行過程中的安全性和穩(wěn)定性。碳纖維夾芯復(fù)合材料是一種可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到較高的力學(xué)強(qiáng)度、耐腐蝕、減震降噪、耐疲勞的新型復(fù)合材料。

1 碳纖維夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在國內(nèi)軌道交通的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)某動(dòng)車項(xiàng)目行李艙已成熟應(yīng)用碳纖維蜂窩板材料。如圖1。該行李艙主要由碳纖維蜂窩板材料復(fù)合而成，其允許的最大集中載荷為850N，能承受的均勻載荷為每延米1000N，能承受縱向：3g、橫向：1g、垂向：2g的沖擊振動(dòng)，模塊化程度高、組裝方便快捷、外形美觀大方。

2015年底，輕質(zhì)化、性能穩(wěn)定的碳纖維夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的側(cè)墻外板和上裙板已正式應(yīng)用于國內(nèi)有軌電車，如圖2，具有耐候、耐蝕、耐沖擊、防火、防潮、隔熱、隔音、抗震性，質(zhì)輕、易加工成型等眾多優(yōu)異特性，并且得到市場的高度認(rèn)可。

2018年，中車四方股份公司研制的新一代地鐵列車成功下線。該列車整車車體（如圖3）采用碳纖維輕量化復(fù)合材料制成，車體減重35%，具有能耗低、輕量化、運(yùn)行噪音小等特點(diǎn)，是新一代靈活、輕捷、綠色的地鐵列車。

碳纖維夾芯復(fù)合材料已經(jīng)完成了從車體內(nèi)飾、零部件等非承力部件到墻板、裙板、頭罩等次承力部件的成功跨越，其在車體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架等主承力部件上的應(yīng)用也在進(jìn)一步延伸和擴(kuò)大。

2 碳纖維夾芯復(fù)合材料性能優(yōu)勢

碳纖維夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)，是由碳纖維織物和樹脂復(fù)合而成的碳纖維預(yù)浸料、蜂窩或泡沫夾芯通過合理的鋪層角度和厚度設(shè)計(jì)，使用熱壓罐成型得到的一種高模量、高強(qiáng)度、熱膨脹系數(shù)小、耐腐蝕、耐疲勞的復(fù)合材料。

2.1 高比模量、比強(qiáng)度

碳纖維夾芯復(fù)合材料是以碳纖維織物為增強(qiáng)體、樹脂為基體制備而成的復(fù)合材料，碳纖維復(fù)合材料具有高于常用鋁合金材料的比強(qiáng)度、比模量。為滿足軌道交通高力學(xué)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)指標(biāo)，需要以剛度等效及強(qiáng)度等效設(shè)計(jì)原則，通過最佳幾何形狀設(shè)計(jì)、最佳鋪層角度設(shè)計(jì)、鋪層厚度設(shè)計(jì)及鋪層順序設(shè)計(jì)，確保復(fù)合結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及剛度，與此同時(shí)，可有效減輕車體的重量，實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)。

2.2 耐疲勞性能

碳纖維夾芯復(fù)合材料的抗疲勞強(qiáng)度占其自身靜態(tài)拉伸強(qiáng)度的80%左右，而一般金屬材料的耐疲勞強(qiáng)度占其自身靜態(tài)拉伸強(qiáng)度的50%左右，所以由碳纖維夾芯復(fù)合材料制成的零部件壽命提高，并且具有較高的安全性和穩(wěn)定性。

2.3 抗振降噪性能

碳纖維夾芯復(fù)合材料內(nèi)部的蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)或泡沫夾芯結(jié)構(gòu)密度較小、含有大量的密閉蜂窩孔格及小尺寸間隙，其可保存大量的空氣，相對(duì)于固相介質(zhì)，氣相介質(zhì)傳播能量的速度很慢，隔音效果好，故碳纖維夾芯復(fù)合材料具有優(yōu)異的減震降噪性能。

2.4 耐腐蝕性能

碳纖維夾芯復(fù)合材料的基體樹脂是由單體分子聚合而成的高分子聚合物，所以化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有良好的耐酸堿、耐濕熱性能，故由碳纖維夾芯復(fù)合材料制成的車輛零部件的維修成本降低、壽命提高，實(shí)用性增強(qiáng)。

3 輕量化等效設(shè)計(jì)原則

3.1 設(shè)計(jì)原則

在進(jìn)行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，遵循的原則是：用碳纖維泡沫夾芯復(fù)合材料替換原有的金屬材料。與金屬材料相比較，在剛度不減小的前提下，設(shè)計(jì)復(fù)合材料鋪層結(jié)構(gòu)，通過數(shù)據(jù)比對(duì)，得到減重率和剛度都為最佳值的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。這里以鋁合金材料為例進(jìn)行分析，材料性能參數(shù)詳見表1。

3.2 力學(xué)分析

剛度等效：參照鋁合金材料結(jié)構(gòu)的受力分析，考慮只研究變形，采用剛度等效的方式進(jìn)行材料替換，簡化鋁合金結(jié)構(gòu)與碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，碳纖維夾芯復(fù)合材料僅考慮外層碳纖維管的結(jié)構(gòu)的剛度，推導(dǎo)初始復(fù)合材料結(jié)構(gòu)參數(shù)。

經(jīng)對(duì)比計(jì)算，得到：復(fù)合材料的總厚度H為17mm時(shí)，蒙皮內(nèi)部用厚度為14mm的PVC的泡沫填充，減重率較高，為79.5%，其剛度為1144421。即：ACFRP≥AAl，說明復(fù)合材料結(jié)構(gòu)滿足剛度要求。

4 碳纖維夾芯復(fù)合材料的加工工藝

4.1 共固化

共固化指的是按照碳纖維下蒙皮、膠膜、夾芯材料、膠膜、上蒙皮的順序依次鋪貼在成型模具上，再將以上鋪貼好的模具及產(chǎn)品置于設(shè)定好的溫度、壓力環(huán)境下固化成型，之后再脫模、修型得到最終產(chǎn)品。此方法加工工序少、生產(chǎn)周期短、可以保證產(chǎn)品外形，體現(xiàn)出復(fù)合材料可設(shè)計(jì)性及一體化的特點(diǎn)。

4.2 二次固化

二次固化指的是先將碳纖維預(yù)浸料蒙皮在一定的溫度和壓力條件下固化成型，再將夾芯材料與固化后的蒙皮進(jìn)行粘接、固化，最后脫模、修型。首次成型時(shí)，可以避免夾芯材料抗壓能力小的問題，從而將蒙皮在較高的壓力環(huán)境下成型，確保蒙皮的剛性達(dá)標(biāo)。

5 碳纖維夾芯復(fù)合材料的發(fā)展方向

5.1 建立結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)

根據(jù)車輛的性能要求，進(jìn)行原材料選取及可行性分析，利用仿真平臺(tái)對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝試制，最后得到滿足各項(xiàng)性能要求的復(fù)合材料加工方案。

5.2 建立智能化復(fù)合材料加工體系

因復(fù)合材料的成型工藝屬于特殊過程，故應(yīng)著力打造智能化復(fù)合材料加工體系，消除因人員、設(shè)備、材料、工藝方法、環(huán)境的改變對(duì)產(chǎn)品的性能產(chǎn)生影響，提高產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率。

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