碳纖維復(fù)合材料垂向連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計與試驗驗證

湯 騰，周 洲，鄒敏佳，呂文麗，劉文松，王明星

(株洲時代新材料科技股份有限公司， 湖南株洲 412000)

隨著我國軌道交通跨越式發(fā)展與工程應(yīng)用材料研究的不斷進(jìn)步，采用輕質(zhì)材料，尤其是綜合性能優(yōu)異的復(fù)合材料來實現(xiàn)列車輕量化是軌道交通工具輕量化發(fā)展的必然[1-2]，其趨勢可以歸納為：復(fù)合材料由非承力件(車廂內(nèi)輔助件，如內(nèi)飾框架、天花板等)向一般承力件(地板、門窗框架、座椅等)和主承力件(車體、司機室、轉(zhuǎn)向架等)發(fā)展；結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的應(yīng)用向結(jié)構(gòu)、功能復(fù)合材料同時應(yīng)用發(fā)展。主承力件質(zhì)量一般占整車質(zhì)量的40%～70%，因此通過復(fù)合材料取代傳統(tǒng)材料來實現(xiàn)車輛輕量化的關(guān)鍵在于主承力件的復(fù)合材料輕量化[3-9]。

垂向連桿是機車轉(zhuǎn)向架懸掛部件中重要的組成部分，主要功能是連接車體(構(gòu)架)和扭桿彈簧裝置，傳遞車體側(cè)滾力矩。作為一種轉(zhuǎn)向架上的主承載構(gòu)件，傳統(tǒng)垂向連桿多采用合金鋼材料(如42CrMo、Q355等)[10]，為了研究該承載構(gòu)件進(jìn)行復(fù)合材料輕量化的可行性，筆者針對某型城軌平臺用合金鋼(Q355NE)垂向連桿，在接口和最大外形尺寸與原型產(chǎn)品保持一致的基礎(chǔ)上，采用碳纖維材料預(yù)埋金屬嵌套的結(jié)構(gòu)，利用有限元與真空熱壓罐成型技術(shù)來實現(xiàn)該垂向連桿的輕量化研發(fā)，并進(jìn)行靜強度和疲勞試驗驗證。

1 產(chǎn)品設(shè)計

1.1 設(shè)計要求

新產(chǎn)品需匹配原合金鋼垂向連桿的接口與強度要求，因此，需要對碳纖維桿體幾何結(jié)構(gòu)和連接部分進(jìn)行重新設(shè)計。該連桿的主要設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 垂向連桿的主要設(shè)計參數(shù)

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

垂向連桿總成設(shè)計見圖1。

(a) 整體結(jié)構(gòu)

1—碳纖維連桿桿體；2—金屬嵌套；3—金屬關(guān)節(jié)軸承；4—彈性擋圈。

金屬關(guān)節(jié)軸承安裝在連桿的兩端，用于連接車體(構(gòu)架)和扭桿彈簧裝置。金屬關(guān)節(jié)軸承通過粘接的方式安裝于嵌套內(nèi)孔，并在軸向增加彈性擋圈進(jìn)行限位。

為了解決碳纖維材料與金屬關(guān)節(jié)軸承外套的剛性接觸問題，考慮到保持現(xiàn)有產(chǎn)品的裝車和維護方式來保證碳纖維材料與金屬關(guān)節(jié)軸承外套的互換性，在碳纖維材料中預(yù)埋金屬嵌套的結(jié)構(gòu)以提供金屬關(guān)節(jié)軸承的安裝接口。為了提高碳纖維桿體部分與金屬嵌套的結(jié)合強度，應(yīng)盡量提高結(jié)合面的面積和表面粗糙度，因此將該嵌套外表面設(shè)計成齒形(見圖1(c))，并保留較深的周向加工紋路，表面采用磷化處理。該金屬嵌套設(shè)計成品質(zhì)量約0.51 kg。

碳纖維復(fù)合材料基體的設(shè)計主要考慮成品包裹金屬嵌套后的外形和尺寸要與原型連桿保持一致?；w高度為40 mm，中間部分層寬度為30 mm，與金屬嵌套配合處端部外圓直徑為117 mm(此處最小截面厚度為25 mm)，端部外圓與中間桿體結(jié)合處設(shè)計為圓弧過渡(R150 mm)。材料密度按1.5 g/mm3計算，該部分設(shè)計質(zhì)量約1.48 kg。

1.3 材料選擇

考慮到垂向連桿的結(jié)構(gòu)特點和承載工況，以及碳纖維材料的各向異性，碳纖維采用±45°雙軸布預(yù)浸料，力學(xué)性能參數(shù)見表2。其中，1方向為纖維1縱向，2方向為纖維2縱向，3方向為連桿高度方向，即在沿連桿高度方向鋪設(shè)纖維布(見圖2)，利于碳纖維力學(xué)性能發(fā)揮及后續(xù)成型加壓。選用7901DN/WP-7021環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，含膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為38%，編制方式為“2/2斜紋”，面密度為640 g/m2。

表2 碳纖維材料力學(xué)性能參數(shù)

圖2 網(wǎng)格模型、邊界條件與加載設(shè)置

金屬嵌套材料與原型連桿一致，采用Q355NE，彈性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3；屈服強度σs=355 MPa。

2 有限元分析

2.1 載荷及邊界條件

采用HyperMesh軟件劃分網(wǎng)格，有限元分析運用ABAQUS 6.11軟件進(jìn)行計算。

垂向連桿網(wǎng)格模型、邊界條件與加載設(shè)置見圖2。其中，碳纖維采用實體單元，金屬與碳纖維部分采用共節(jié)點處理，共計290 992個C3D8R單元。一端金屬嵌套內(nèi)孔固定，加載點選另一端金屬嵌套內(nèi)孔中心參考點1，該參考點與該端金屬嵌套內(nèi)孔表面采用耦合接觸。在參考點1，沿桿體施加拉壓載荷±20.9 kN。

2.2 結(jié)果分析

采用ABAQUS 6.11軟件計算垂向連桿在±20.9 kN工況下的應(yīng)力分布情況，結(jié)果見圖3和表3。其中，S11、S22分別為纖維1、2方向(沿纖維縱向)的應(yīng)力；S33為3方向(即桿體厚度方向)的應(yīng)力；S12、S13分別為垂直于1方向的法向平面對2、3方向的剪切應(yīng)力；S23為垂直于2方向的法向平面對3方向的剪切應(yīng)力。碳纖維部分沿纖維方向最大應(yīng)力為25.75 MPa(拉應(yīng)力)，最大剪切應(yīng)力為14.62 MPa，比較材料本身的理論強度，靜態(tài)安全系數(shù)約為3.76；金屬部分最大Mises應(yīng)力為181.30 MPa，靜態(tài)安全系數(shù)約為1.96；可以滿足靜強度要求。垂向連桿中間斷面沿纖維方向最大應(yīng)力為20.49 MPa。

圖3 ±20.9 kN下的應(yīng)力分布

3 垂向連桿制造與試驗驗證

根據(jù)垂向連桿的受力情況和結(jié)構(gòu)特點，選用真空熱壓罐成型工藝，采用三層式模具結(jié)構(gòu)(見圖4)。其中，底部模塊主要用于固定金屬嵌套，保證成品的安裝尺寸；中間模塊作為碳纖維預(yù)浸料成型

表3 垂向連桿仿真分析結(jié)果

型腔；頂部模塊主要用于厚度方向加壓和固定整個模具。模具材料采用導(dǎo)熱性能良好的鋁合金。

1—底部模塊；2—中間模塊；3—頂部模塊。

固化工藝為：室溫升溫至85 ℃(升溫時間40 min)，同時加壓至0.6 MPa，保溫保壓30 min；升溫至130 ℃(升溫時間50 min)，保溫保壓120 min。降溫速率控制不超過2 K/min。

最終成品實際質(zhì)量為2.4 kg，與原型合金鋼產(chǎn)品相比，減重率達(dá)72.7%。

對垂向連桿產(chǎn)品進(jìn)行靜強度、應(yīng)變和疲勞測試。采用某型城軌轉(zhuǎn)向架平臺扭桿產(chǎn)品作為工裝，將垂向連桿安裝于加載機臺與扭桿轉(zhuǎn)臂接口之間，模擬實際裝車情況(見圖5)。

圖5 測試情況

靜態(tài)加載曲線見圖6, 加卸載速度15 kN/min。經(jīng)過測試，產(chǎn)品整體無異常，安裝尺寸無明顯變化。

圖6 靜態(tài)加載曲線

在垂向連桿表面布置應(yīng)變片，測試靜態(tài)加載過程中的應(yīng)變值。試驗測得桿體中間位置沿纖維主方向最大應(yīng)變?yōu)?85.411×10-6，計算應(yīng)力值為22.25 MPa，對比有限元分析結(jié)果，相對誤差約為7.9%。

按某型城軌平臺抗側(cè)滾扭桿剛度測試要求，根據(jù)剛度測試加載曲線(見圖7)，測得扭桿整體剛度為1.52 MN·m/rad, 滿足要求(1.59(1±10%)MN·m/rad)。采用碳纖維垂向連桿替換原型合金鋼連桿對扭桿整體剛度幾乎無影響。

圖7 剛度測試加載曲線

動態(tài)加載按疲勞載荷譜(見圖8)加載，頻率為1 Hz，共計200萬次。

圖8 疲勞載荷譜

試驗后，觀察產(chǎn)品表面狀況，整體無異常，嵌套與碳纖維基體結(jié)合牢固，無相對位移；測量安裝及外形尺寸符合要求。綜上可以判斷，該垂向連桿產(chǎn)品可以滿足某型城軌平臺試驗及壽命要求。

4 結(jié)語

(1) 采用ABAQUS6.11軟件對碳纖維垂向連桿進(jìn)行有限元應(yīng)力分析，碳纖維部分纖維方向最大應(yīng)力為25.75 MPa，最大剪切應(yīng)力為14.62 MPa，靜態(tài)安全系數(shù)約為3.76；金屬部分最大Mises應(yīng)力為181.30 MPa，靜態(tài)安全系數(shù)約為1.96；理論上可以滿足靜強度要求。

(2) 通過應(yīng)變測試，得到碳纖維垂向連桿中間斷面沿纖維方向的應(yīng)力為22.25 MPa，對比有限元分析獲得最大應(yīng)力(20.49 MPa)，相對誤差約為7.9%，表明有限元法能較好地指導(dǎo)碳纖維垂向連桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化。

(3) 采用碳纖維預(yù)埋金屬嵌套的結(jié)構(gòu)形式，解決了車體端、構(gòu)架端的接口問題，可以實現(xiàn)與原型產(chǎn)品的機械互換，最終減重率超過70 %，達(dá)到了產(chǎn)品輕量化的目標(biāo)。

(4) 產(chǎn)品通過了整體剛度、靜態(tài)和200萬次全壽命疲勞測試，說明采用碳纖維垂向連桿對扭桿整體剛度功能無影響，且能夠滿足使用壽命要求。