虛擬軌道列車(chē)芳綸蜂窩裙板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

周 洲，王宇鵬，曾 奇，呂文麗，王明星

（株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007）

1 引言

繼地鐵、輕軌、公交系統(tǒng)之后，虛擬軌道列車(chē)成為人們出行的一種新的方式，也是目前城市內(nèi)公共交通系統(tǒng)的重要補(bǔ)充[1-4]。由于采用膠輪系統(tǒng)，對(duì)車(chē)輛減重提出較大需求，其中裙板作為車(chē)輛車(chē)體的一部分，對(duì)頂板設(shè)備起到保護(hù)以及美觀的作用，一般的低地板車(chē)或膠輪車(chē)采用鋁型材或玻璃鋼夾心結(jié)構(gòu)，保證產(chǎn)品足夠剛度，但使得產(chǎn)品厚重，不易安裝和拆卸。

芳綸蜂窩復(fù)合材料作為十三五期間在軌道領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展的一種新型的高分子輕量化材料[5-6]，具備高強(qiáng)、高剛、阻燃、防腐等優(yōu)勢(shì)[7-8]，在軌道車(chē)輛頂板、裙板、側(cè)墻中得到廣泛的應(yīng)用與驗(yàn)證[9-12]。本文根據(jù)虛擬軌道列車(chē)裙板需求，對(duì)比芳綸蜂窩與傳統(tǒng)鋁合金及玻璃鋼材料在裙板應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)，研究不同鋪層方法對(duì)重量、性能的影響，并通過(guò)仿真計(jì)算及沖擊振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證方案的可行性，為后續(xù)產(chǎn)品的批量應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

2 裙板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

虛擬軌道列車(chē)采用3節(jié)編組形式MC1+T+MC2（MC為動(dòng)車(chē)，T為拖車(chē)），裙板部分總長(zhǎng)度約30 m，沿車(chē)長(zhǎng)方向兩邊各12塊，車(chē)輛頂端裙板布置如圖1所示。原設(shè)計(jì)方案為鋁合金型材，每節(jié)重量60 kg，總重為180 kg。為達(dá)到輕量化的目的，減重40%以上，支撐座采用鏤空結(jié)構(gòu)，裙板本體采用芳綸蜂窩夾芯三明治的形式，通過(guò)熱壓罐袋壓工藝成型。

圖1 裙板在車(chē)輛頂端的布置

裙板蒙皮采用型號(hào)為1805H-3021玻纖增強(qiáng)環(huán)氧預(yù)浸料，纖維密度300 g / m2，厚度0.26 mm；夾心采用48 g / mm3的芳綸蜂窩，膠膜型號(hào)為N629N0-20。本文采用3種芳綸蜂窩鋪層方案以及1種聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）泡沫夾芯方案進(jìn)行對(duì)比，具體鋪層方案如表1所示，其性能對(duì)比如表2所示。

表1 鋪層方案

表2 鋪層方案性能對(duì)比

通過(guò)性能對(duì)比發(fā)現(xiàn)，方案1、方案2、方案3的輕量化均已達(dá)到要求，方案3雖然在輕量化方面比方案1、方案2略小，但在彎曲強(qiáng)度與剛度方面優(yōu)于前者，且相比于PET泡沫夾芯方案具有明顯減重優(yōu)勢(shì)，因此，后續(xù)對(duì)方案3裙板結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算及沖擊振動(dòng)試驗(yàn)。

3 裙板受力仿真分析

3.1 仿真模型

從虛擬軌道列車(chē)裙板結(jié)構(gòu)中選取2塊具備典型代表性的產(chǎn)品作為有限元仿真分析對(duì)象，裙板蜂窩部分和金屬連接件部分采用 C3D8R 單元，共計(jì)單元格53 596 個(gè)。裙板復(fù)合材料纖維部分采用S4R單元，共計(jì)單元格108 488個(gè)，其中蒙皮與蜂窩模型共節(jié)點(diǎn)，裙板上C型滑槽與蒙皮膠結(jié)共節(jié)點(diǎn)，支架與C型滑槽采用綁定模式，網(wǎng)格劃分及邊界條件如圖2所示。 裙板支撐座底部與車(chē)體骨架連接，裙板內(nèi)側(cè)粘接C 型槽，并與支撐座螺釘連接。支撐座底部可以認(rèn)為固定邊界條件，其X、Y、Z方向如圖1、圖2中所示。通過(guò)仿真計(jì)算，裙板的各組成材料應(yīng)力情況如下：工況 1，裙板自重+ X方向（ 車(chē)輛長(zhǎng)度方向 ）2g加速度；工況2，裙板自重+ Z方向（ 車(chē)寬方向 ）1g加速度； 工況 3，裙板自重+ Y方向（ 垂向 ）3g加速度。

圖2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

3.2 材料參數(shù)

裙板使用預(yù)浸料芳綸蜂窩復(fù)合結(jié)構(gòu)，面板為上下各3層密度300 g/m2的環(huán)氧預(yù)浸料織物，玻璃鋼蒙皮拉伸強(qiáng)度為150 MPa，剪切強(qiáng)度為40 MPa。芳綸蜂窩平拉強(qiáng)度為2.99 MPa，壓縮強(qiáng)度為4.47 MPa，剪切強(qiáng)度為0.76 MPa，在蜂窩與預(yù)浸料夾層之間鋪設(shè)膠膜，采用上下各1層面密度為250 g/m2的環(huán)氧膠膜。芳綸蜂窩復(fù)合材料裙板中玻璃鋼蒙皮、蜂窩材料以及金屬連接件材料參數(shù)如表3所示。

表3 玻璃鋼蒙皮、蜂窩材料及金屬連接件材料參數(shù)

3.3 結(jié)果分析

車(chē)輛在各工況下芳綸蜂窩裙板各位置的最大變形及應(yīng)力情況如表4所示，所有工況下均滿(mǎn)足車(chē)輛的運(yùn)行要求，3種工況下金屬件最小安全系數(shù)為4.5，蒙皮最小安全系數(shù)為160，芳綸蜂窩最小安全系數(shù)為25.3。根據(jù)最小安全系數(shù)來(lái)看，復(fù)合材料的安全系數(shù)遠(yuǎn)高于金屬支架的安全系數(shù)，同時(shí)又達(dá)到大幅度輕量化的目的。其中工況1，即車(chē)輛在車(chē)長(zhǎng)方向2g加速度時(shí)，對(duì)產(chǎn)品變形情況影響最大，為0.54 mm，金屬支架的受力最大為24.2 MPa；工況2對(duì)蜂窩芯的剪切影響最大，即車(chē)輛在加速拐彎時(shí)容易對(duì)芯子產(chǎn)生剪切破壞；工況3對(duì)蒙皮應(yīng)力的影響最大，即車(chē)輛在高速通過(guò)高低路面時(shí)，容易對(duì)蒙皮產(chǎn)生影響。圖3～圖6為工況1下的裙板受力仿真云圖。 注： E為彈性模量，μ為泊松比，G為剪切模量，1、2為纖維方向， 3為厚度方向。

圖3 裙板組成整體撓度云圖（單位：mm）

圖6 裙板蜂窩部分剪切應(yīng)力云圖（單位：MPa）

通過(guò)仿真計(jì)算，采用3層300 g/m2的環(huán)氧預(yù)浸料作為蒙皮和6 mm厚的48 g/cm3的芳綸蜂窩結(jié)構(gòu)作為芯材制成的裙板可以滿(mǎn)足不同車(chē)況下的力學(xué)要求，同時(shí)達(dá)到40%以上的減重。

4 沖擊振動(dòng)試驗(yàn)

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，為防止產(chǎn)品變形，裙板采用單面鋁合金模具、真空袋熱壓工藝和80℃/ 2 h + 120℃/ 2 h的固化工藝，冷卻至室溫后脫模，并打磨切邊，粘接鋁合金C型槽，如圖7所示。單塊重量為5.5 kg，設(shè)計(jì)重量為5.6 kg，偏差為1.7%，可見(jiàn)，芳綸蜂窩預(yù)浸料工藝可以比較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)產(chǎn)品重量。

圖7 粘好C型槽的裙板

裙板屬于車(chē)輛頂部設(shè)備安裝件，在車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中涉及到行車(chē)安全與穩(wěn)定性，需要對(duì)其進(jìn)行充分的型式試驗(yàn)驗(yàn)證，其中沖擊振動(dòng)試驗(yàn)最能反映裙板是否能滿(mǎn)足使用要求。本文采用IEC 61373-2010《鐵路設(shè)施 機(jī)車(chē)車(chē)輛設(shè)備 沖擊振動(dòng)試驗(yàn)》[16]中1類(lèi)B要求，對(duì)裙板產(chǎn)品進(jìn)行模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn)[17]，試驗(yàn)條件如表5所示。每次沖擊振動(dòng)試驗(yàn)的峰值加速度在垂向、橫向、縱向分別為30 A/m · s-2、30 A/m · s-2、50 A/m · s-2，持續(xù)時(shí)間為30 ms，每個(gè)方向正反各3次，共18次。

表5 模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn)條件

沖擊振動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)上裙板安裝如圖8所示。通過(guò)模擬長(zhǎng)壽命及沖擊振動(dòng)試驗(yàn)后，裙板無(wú)異常，無(wú)破損、無(wú)開(kāi)裂分層，外觀完好，滿(mǎn)足IEC 61373-2010《鐵路設(shè)施 機(jī)車(chē)車(chē)輛設(shè)備 沖擊振動(dòng)試驗(yàn)》中1類(lèi)B要求。

圖8 沖擊振動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)上裙板安裝圖

5 結(jié)論

（1）通過(guò)不同的鋪層設(shè)計(jì)及力學(xué)性能測(cè)試，采用3層300 g/m2環(huán)氧預(yù)浸料蒙皮和6 mm厚的48 g/cm3的芳綸蜂窩結(jié)構(gòu)制成的裙板不僅能滿(mǎn)足減重40%的要求，同時(shí)，彎曲強(qiáng)度與剛度最優(yōu)。

（2）通過(guò)仿真計(jì)算不同車(chē)載工況下裙板的各部件受力情況，可知變形量最大為0.54 mm，面板主應(yīng)力、蜂窩剪切強(qiáng)度、金屬連接件主應(yīng)力安全系數(shù)均超出4。

圖4 裙板組成整體應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖5 裙板蒙皮部分主應(yīng)力云圖（單位：MPa）

（3）裙板采用鋁合金單面模具真空袋壓、80℃/2 h +120℃/ 2 h的固化成型工藝，滿(mǎn)足IEC 61373-2010《鐵路設(shè)施 機(jī)車(chē)車(chē)輛設(shè)備 沖擊振動(dòng)試驗(yàn)》中1類(lèi)B要求，符合裙板裝車(chē)使用要求。