100%低地板輕軌車的碳纖維及鋁合金材料混合車體減重方案

劉鴻宇 劉 宇 張慶剛

(中車唐山機(jī)車車輛有限公司,064099,唐山∥第一作者,工程師)

《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》等一系列國(guó)家政策及建設(shè)規(guī)劃均提出了節(jié)能環(huán)保、智能化、輕量化、及先進(jìn)材料等理念。高效、綠色、智能是軌道交通未來的發(fā)展趨勢(shì),對(duì)軌道交通車輛的輕量化提出了更高要求。

車體減重是車輛輕量化的重要手段。車體減重可從結(jié)構(gòu)減重和材料減重兩方面著手。然而,受強(qiáng)度、剛度及制造工藝等條件限制,單純的結(jié)構(gòu)減重收效甚微。碳纖維材料的比強(qiáng)度、比模量遠(yuǎn)高于金屬材料[1]。軌道交通車體采用碳纖維部件,不僅能滿足力學(xué)性能要求的基礎(chǔ)上,而且減重效果也十分明顯。法國(guó)的 TGV(高速列車)采用了碳纖維夾層結(jié)構(gòu),與全焊接鋁合金車體結(jié)構(gòu)相比可減重達(dá)25%[2]。此外,碳纖維材料采用模具成型,可制成復(fù)雜部件,大幅減少零件數(shù)量,提升可靠性及可維護(hù)性,降低產(chǎn)品全壽命周期成本;碳纖維復(fù)合材料還具有良好的隔熱、減振及阻尼性能,且耐候性能極佳,是取代金屬部件的理想材料?？梢?碳纖維材料非常適合應(yīng)用于軌道交通車體。

本文從材料減重方面考慮,結(jié)合車輛對(duì)車體頂層指標(biāo)要求,以某100%低地板輕軌車全焊接鋁合金車體(以下簡(jiǎn)稱“全鋁合金車體”)方案為基礎(chǔ),提出一種應(yīng)用于100%低地板輕軌車的碳纖維及鋁合金材料混合車體(以下簡(jiǎn)稱“混合車體”)技術(shù)方案,進(jìn)而分析車體減重效果。

1 全鋁合金車體方案

1.1 車體結(jié)構(gòu)

全鋁合金車體為薄壁筒形整體承載結(jié)構(gòu),由大斷面擠壓鋁合金型材焊接而成。車體由底架、側(cè)墻、端墻、車頂及車輪罩等組成。各大部件采用焊接連接;底架十字枕梁上方的車輪罩,與車體采用粘接連接[3]。全鋁合金車體總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 全鋁合金車體總體結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 車體材料

對(duì)于全鋁合金車體采用的鋁合金型材,強(qiáng)度滿足EN 755-2:2016《鋁及鋁合金擠壓桿材,管材及型材 第2部分:機(jī)械性能》要求,熱處理滿足DIN EN 515:2017《鋁和鋁合金.鍛制品.回火狀態(tài)標(biāo)識(shí)符號(hào)》要求。板材采用EN AW-6082-T6 鋁板及EN AW-5083-H111 鋁板,且滿足EN 485-2:2016《鋁和鋁合金 片材、帶材和板材 第2部分: 機(jī)械特性》標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3 車體受力特性

車體靜強(qiáng)度應(yīng)滿足EN 12663-1:2010《鐵路設(shè)施-鐵路車輛車身的結(jié)構(gòu)要求第 1 部分:機(jī)車和客運(yùn)車輛(以及貨車的替代方法)》中P-Ⅳ級(jí)車輛的要求;車體耐碰撞能力應(yīng)滿足EN 15227:2011《軌道交通.鐵路車輛車身的防撞性要求》C-Ⅳ級(jí)車輛要求;車體疲勞應(yīng)滿足不低于30年使用壽命的要求。全鋁合金車體在縱向(x向)及垂向(y向)載荷作用下整體應(yīng)力云圖如圖2所示。

圖2 全焊接鋁合金車體的應(yīng)力云圖

由圖2 可見:在縱向及垂向載荷的組合作用下,車體底架應(yīng)力水平明顯偏高;應(yīng)力較大的區(qū)域有十字枕梁、底架端部鉸接安裝座、下門角等區(qū)域;側(cè)墻窗角在垂向載荷作用下,出現(xiàn)了局部應(yīng)力集中;車頂及端墻的應(yīng)力水平較低。由于低地板輕軌車設(shè)備幾乎全部安裝在車頂,因此車頂、側(cè)墻及端墻必須有足夠的剛度,防止失穩(wěn)。

2 混合車體方案

2.1 車體結(jié)構(gòu)方案

借鑒于全鋁合金車體的應(yīng)力分布情況可知,采用混合車體時(shí),應(yīng)力較大的車體底架有必要仍采用鋁合金材質(zhì),而應(yīng)力水平較低的側(cè)墻、車頂、端墻及車輪罩可采用碳纖維+PVC(聚氯乙烯)泡沫復(fù)合材料(以下簡(jiǎn)稱“碳纖維復(fù)合材料”)?；旌宪圀w的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中,車輪罩與底架仍采用粘接結(jié)構(gòu),碳纖維側(cè)墻、端墻與鋁合金底架采用鉚接結(jié)構(gòu)。碳纖維側(cè)墻、端墻與鋁合金底架鉚接的細(xì)部構(gòu)造如圖4所示。

圖3 混合車體的總體結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 碳纖維側(cè)墻、端墻與鋁合金底架鉚接的細(xì)部構(gòu)造示意圖

側(cè)墻、端墻、車頂及車輪罩等部件主體結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料為碳纖維鋪層+PVC泡沫,其薄弱區(qū)域預(yù)埋了碳纖維加強(qiáng)筋。碳纖維加強(qiáng)筋分布如圖5所示。碳纖維加強(qiáng)筋斷面為矩形,由碳纖維蒙皮+PVC泡沫組成。加強(qiáng)筋連接接頭采用 T 形接頭。碳纖維加強(qiáng)筋斷面及 T 形接頭如圖6所示。

圖5 碳纖維加強(qiáng)筋分布示意圖

a) 加強(qiáng)筋斷面

車頂內(nèi)外及側(cè)墻設(shè)置了 C 形槽,用于電氣設(shè)備及門機(jī)構(gòu)的安裝。C 形槽與預(yù)埋在夾層板內(nèi)的不銹鋼件鉚接。C 形槽連接處構(gòu)造如圖7所示。

圖7 C 形槽連接處構(gòu)造示意圖

2.2 碳纖維部件材料及規(guī)格

車頂、側(cè)墻、端墻及車輪罩等部位不同部件的碳纖維復(fù)合材料規(guī)格如表1所示。經(jīng)計(jì)算,采用碳纖維復(fù)合材料部件后,車體質(zhì)量比全焊接鋁合金車體質(zhì)量減輕15%以上,減重效果明顯。

表1 各部位不同部件的碳纖維復(fù)合材料規(guī)格

2.3 碳纖維鋪層方案及PVC泡沫力學(xué)性能

碳纖維的力學(xué)性能同纖維類型、纖維方向及纖維體積分?jǐn)?shù)等密切相關(guān)。單向板和層合板的力學(xué)性能呈明顯的各向異性。按不同鋪層比例選取20層的層合板(總厚度均為2.5 mm,碳纖維牌號(hào)為 T300),采用同種預(yù)浸料處理后進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。不同鋪層比例的碳纖維層合板力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 不同鋪層比例的碳纖維層合板力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

結(jié)合表2 進(jìn)一步分析可知,0°鋪層有利于抵御縱向的載荷,90°鋪層有利于抵御橫向載荷,45°鋪層有利于抵御剪切載荷。根據(jù)碳纖維部件受力及應(yīng)變情況,各部位不同部件的碳纖維鋪層比例如表3所示。

表3 各部位不同部件的碳纖維鋪層比例

各部件所用的 PVC 泡沫均為為阻燃 PVC 泡沫,且滿足 DIN 5510系列標(biāo)準(zhǔn)要求。PVC 泡沫的密度為 80.0 kg/m3,壓縮強(qiáng)度為 0.9 MPa,拉伸強(qiáng)度為 1.9 MPa,彈性模量為 70.0 MPa,剪切強(qiáng)度為 0.8 MPa,剪切模量為 27.0 MPa,斷裂伸長(zhǎng)率為 3.0%。

2.4 碳纖維部件強(qiáng)度的校核

采用Hypermesh仿真軟件建模,并使用Hyperview軟件分析計(jì)算結(jié)果,對(duì)碳纖維部件強(qiáng)度進(jìn)行校核。根據(jù)與車體底架的連接方式,對(duì)碳纖維側(cè)墻及端墻底部施加鉸支約束,對(duì)側(cè)墻底部施加繞x方向的轉(zhuǎn)動(dòng)約束。根據(jù)車輛設(shè)備布置圖,在車頂均勻布置 8 個(gè)質(zhì)量單元,每個(gè)單元的質(zhì)量為400 kg。車頂質(zhì)量單元分布及約束如圖8所示。

注:Rot x=0表示不能繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

根據(jù) EN 12663-1:2010《鐵路設(shè)施-鐵路車輛車身的結(jié)構(gòu)要求第 1 部分:機(jī)車和客運(yùn)車輛(以及貨車的替代方法)》的P-Ⅳ級(jí)車輛要求,分別在6種不同的工況下對(duì)車體進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算。靜強(qiáng)度計(jì)算工況如表4所示,計(jì)算得到各工況下的車體變形及應(yīng)力情況如表5 所示。

表4 靜強(qiáng)度計(jì)算工況

表5 各工況下的車體變形及應(yīng)力情況

對(duì)于碳纖維復(fù)合材料的面內(nèi)應(yīng)力分量,基于Tsai-Wu 強(qiáng)度準(zhǔn)則,計(jì)算面內(nèi)應(yīng)力強(qiáng)度因子SF,即:

(1)

式中:

σ——面內(nèi)剪切強(qiáng)度;

σx、σy——分別為沿纖維徑向及緯向的應(yīng)力;

τxy——剪切應(yīng)力。

若SF>1,即認(rèn)為碳纖維復(fù)合材料已進(jìn)入破壞狀態(tài)。

以工況6為例,車體整體變形云圖和SF分布云圖如圖9和圖10所示。由圖9可見,車頂、及側(cè)門窗立柱變形較大。由圖10可見,車體SF均未大于1,說明車體未破壞。其他工況變形特點(diǎn)類似。

圖9 車體整體變形云圖

圖10 SF分布云圖

各工況計(jì)算結(jié)果如表5所示。由表5可見,SF均小于0.300,說明安全系數(shù)較大,碳纖維部件滿足強(qiáng)度要求。

2.5 實(shí)際應(yīng)用的注意事項(xiàng)

碳纖維復(fù)合材料在實(shí)際應(yīng)用中還有注意事項(xiàng):

1) 碳纖維復(fù)合材料在力學(xué)性能方面表現(xiàn)出明顯的各向異性[4],其鋪層層間許用應(yīng)力較低。因此,在進(jìn)行部件設(shè)計(jì)時(shí),必須以部件受力情況為輸入,制定合理的鋪層方案。

2) 碳纖維復(fù)合材料與預(yù)埋的金屬件熱膨脹系數(shù)不一致。因此,預(yù)埋金屬件的尺寸不能太大。

3) 碳纖維復(fù)合材料質(zhì)量穩(wěn)定性較金屬材料差,故需輔以超聲波探傷,并加大安全系數(shù)。

4) 碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)電性比金屬差。為滿足車輛的接地需求,車體需預(yù)埋金屬以建立接地回路。

3 結(jié)語

針對(duì)100%低地板輕軌車輕量化設(shè)計(jì),本文提出使用碳纖維和鋁合金材料混合車體替代原全焊接鋁合金車體,確定了車體各部位碳纖維部件的材料及規(guī)格,碳纖維牌號(hào)選擇T300。經(jīng)計(jì)算,采用采用碳纖維復(fù)合材料部件后,車體質(zhì)量比全焊接鋁合金車體質(zhì)量減輕15%以上,減重效果明顯。對(duì)車體進(jìn)行靜強(qiáng)度仿真計(jì)算,并基于Tsai-Wu 強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算面內(nèi)應(yīng)力強(qiáng)度因子。仿真計(jì)算結(jié)果表明,碳纖維和鋁合金混合材料車體滿足強(qiáng)度要求。說明采用碳纖維和鋁合金材料混合車體兼顧了輕量化設(shè)計(jì)要求和強(qiáng)度要求。