碳纖維復合材料車體承載部件的設計

顧春雷

摘 ?要：隨著國內軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展，人們對于軌道車輛輕量化的要求逐漸提高，碳纖維復合材料成為了車體承載部件設計應用的下一個研究方向。本文就碳纖維復合材料在車體承載部件中的設計進行探討。

關鍵詞：碳纖維;復合材料;車體承載部件

軌道交通行業(yè)在其發(fā)展的過程中，對于材料的應用有很多特殊要求，不僅需要材料具備較高的安全性、耐腐蝕性、隔音性、環(huán)保性，還需要車體結構輕量化，其他的強度、剛度、防噪聲、防火等方面的性能也要具備[1]。當前國內大部分的軌道交通車輛使用的材料主要是鋁合金等，但是由于這些材料依然存在或多或少的優(yōu)勢和不足，所以探討碳纖維復合材料的設計應用具有重要現實指導意義。

一、碳纖維復合材料車體承載部件的結構設計

在實際的應用過程中，主要采用碳纖維-芯層結構，能夠有效的保證整體的車輛承載能力。碳纖維-芯層結構由兩層碳纖維蒙皮中間加入泡沫或蜂窩夾芯組成，車頂的主結構由方向不一樣的碳纖維預浸料和結構芯材構成，不同方向的碳纖維材料性能和芯材材料性能不一樣，具體數據如表1所示[2]。

在實際的應用過程中，為了能夠有效的避免纖維中斷，必須要合理的利用纖維的方向性，以能夠最大程度的利用碳纖維復合材料的方向性，進而保持結構中傳遞路徑的連續(xù)性。充分的借助鋪層層數和方向，將力進行合理的傳遞和分散。在結構設計的過程中，為了能夠簡化設計和應力計算，可以選取具有代表性的0°、+45°、-45°、135°、90°代表纖維的方向。本文假設0°是主承力方向，如圖1所示。

在設計的過程中，還必須要充分考慮裝配過程中出現的內應力，并采用對稱鋪層和平衡鋪層兩種交替方式，以此避免結構不對稱造成的內應力，進而給整個車性能造成負面影響。

碳纖維復合材料的結構設計應遵循幾個準則：其一是不同角度纖維所占的比例為0°，最大45°，其次90°;其二是在四個不同的方向上都必須要安裝纖維，這樣能夠對抗受力變形;其三是限制同一個方向上的鋪層數，這樣能夠有效的降低層間微裂紋的發(fā)生;其四是局部結構可以全部使用+45°的鋪層[3]。

二、計算結果分析

本文對車體相關部件展開了有限元仿真計算，具體如表2所示。表中所比較數值為安全系數，安全系數為許用應力與計算應力的比值。

如上述表中可以得知，在不同工況背景下，除了壓縮工況，碳纖維的車體安全系數都要高于金屬車體。充分說明了碳纖維復合材料的各向異性，也就是說碳纖維復合材料在垂直方向上的受力較差，但是安全系數依然大于1。

三、質量評價

本文主要采取了三種評價方法：其一是接觸式脈沖反射法。通過超聲波在材料中傳播時遇到不連續(xù)性所產生的反射回波和材料底面產生的回波檢查缺陷并進行評定;其二是噴水式脈沖穿透法。主要是采用噴水耦合的方式，依據超聲波穿透材料后的幅度變化來評定材料材質;其三是水浸式脈沖反射板法。主要是采用了水晶耦合水浸耦合的方法，超聲波在穿透了材料之后，又從反射板反射的回波幅度變化檢查缺陷評定材質[4]。具體的評定方法如圖2所示。

圖2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。

等級A為關鍵主承載部件，該部件并不允許缺陷的存在，因為這屬于受力的關鍵部分，因此必須要合理利用鋪層設計，正確操作相關設備步驟。等級B為重要主承載部件，在該部件中允許一定范圍內的缺陷，但是工作人員必須要將此類缺陷記錄存檔，并及時檢修維護，在后續(xù)的運營過程中重點關注，觀察缺陷是否擴大。等級C為一般主承載部件，受力不大的區(qū)域允許存在一定的缺陷，工作人員在后續(xù)的操作過程中不需要特別關注。

結論：

（1）采用對稱鋪層和平衡鋪層兩種方法，有效的避免了內應力集中影響。

（2）除了壓縮工況，其余不同工況下碳纖維車體的安全系數要大于金屬車體，充分說明了碳纖維復合材料的各向異性。

（3）質量評價時根據受力情況的不同區(qū)分A/B/C不同等級的缺陷，在后續(xù)列車運營檢修時密切關注這些缺陷看其是否發(fā)展擴大。

參考文獻

[1] 唐波.碳纖維復合材料在軌道交通車輛上的應用[J].科技經濟導刊，2021，29（11）：97-98.

[2] 魏阜倫，衣海嬌.碳纖維復合材料在軌道車輛應用展望[J].現代城市軌道交通，2021（02）：90-93.

[3] 許鵬，許睿.高速動車組碳纖維材料車頭連接結構及強度分析[J].大連交通大學學報，2020，41（04）：5-8.

[4] 張憶寧. 動車組碳纖維增強復合材料設備艙強度研究[D].北京交通大學，2020.