非對(duì)稱碳—玻璃混合纖維復(fù)合材料地鐵司機(jī)室頭罩設(shè)計(jì)

馮學(xué)斌， 李 曉， 曾竟成， 鄔志華， 楊孚標(biāo)， 彭超義

(1 株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司, 湖南株洲 412007;2 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 湖南長(zhǎng)沙 410073 )

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非對(duì)稱碳—玻璃混合纖維復(fù)合材料地鐵司機(jī)室頭罩設(shè)計(jì)

馮學(xué)斌1， 李 曉1， 曾竟成2， 鄔志華2， 楊孚標(biāo)2， 彭超義2

(1 株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司, 湖南株洲 412007;2 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 湖南長(zhǎng)沙 410073 )

發(fā)揮復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能可設(shè)計(jì)性優(yōu)勢(shì)，采用碳—玻璃混合纖維復(fù)合材料設(shè)計(jì)了一種地鐵車輛司機(jī)室頭罩新型結(jié)構(gòu)。該司機(jī)室頭罩主承力結(jié)構(gòu)部分由自承載復(fù)合材料泡沫夾芯結(jié)構(gòu)構(gòu)成，夾芯結(jié)構(gòu)的上面板為玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯樹(shù)脂基復(fù)合材料，下面板為碳纖維和玻璃纖維混合復(fù)合材料，為非對(duì)稱復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)表明，該頭罩在滿足司機(jī)室強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求的前提下，顯著地減輕了司機(jī)室的結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

地鐵； 碳-玻混合纖維復(fù)合材料； 頭罩； 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著國(guó)家加大對(duì)鐵路行業(yè)的投資,中國(guó)鐵路、城軌邁入快速發(fā)展時(shí)期。鐵路的發(fā)展帶動(dòng)車輛制造業(yè)高速發(fā)展。車輛結(jié)構(gòu)的輕量化是現(xiàn)代車輛制造技術(shù)所追求的目標(biāo)，因?yàn)檐囕v輕量化才能減小材料消耗與制造成本，同時(shí)車輛運(yùn)行耗能也與車輛輕量化成反比。復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、易于設(shè)計(jì)、加工、改型等特點(diǎn)，能很好的適應(yīng)車輛輕量化的要求，在現(xiàn)代車輛制造中被廣泛的應(yīng)用[1]。其中碳纖維復(fù)合材料作為一種新型高技術(shù)材料，一直以其質(zhì)量輕、強(qiáng)度高而更加備受關(guān)注。同時(shí)其良好的阻尼性、高疲勞性能等獨(dú)特優(yōu)異性能使其在車輛制造的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越多[2]。但是，因碳纖維復(fù)合材料成本過(guò)高，不利于持續(xù)提升碳纖維復(fù)合材料在軌道交通行業(yè)的應(yīng)用，以長(zhǎng)沙地鐵2號(hào)線用車輛司機(jī)室頭罩結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，探索碳—玻璃纖維復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

1 碳—玻璃混合纖維復(fù)合材料層合板性能參數(shù)

在現(xiàn)有復(fù)合材料層合板的使用中，多采用純玻璃纖維、碳—玻璃混合或全部碳纖維這3種形式的結(jié)構(gòu)。3種形式的層合板因鋪層組合方式與制造工藝的不同，性能也會(huì)有較大的差異。為了給司機(jī)室頭罩復(fù)合材料鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供材料性能設(shè)計(jì)參數(shù)，制備了3種方案復(fù)合材料層合板樣件并對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試分析和比較。用于性能測(cè)試的3種板材厚度基本相同，但鋪層組成形式不同。方案1與方案2是玻璃纖維與碳纖維混合鋪層的層合板結(jié)構(gòu)，但鋪層次序不一樣；方案3是純碳—玻璃混合纖維板材結(jié)構(gòu)。3種板材的性能參數(shù)比較見(jiàn)表1。

表1 復(fù)合材料層合板樣塊力學(xué)性能數(shù)據(jù)比較表

根據(jù)表1不同層合板性能數(shù)據(jù)比較研究，并綜合成本考慮，地鐵司機(jī)室頭罩主體結(jié)構(gòu)采用碳—玻璃混合鋪層方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 碳—玻璃混合纖維復(fù)合材料司機(jī)室頭罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

城市軌道交通車輛帶有司機(jī)室的一般都是頭車，并且是一端帶有司機(jī)室。這樣帶有司機(jī)室的一端就比另一端長(zhǎng)，質(zhì)量較重，不利于車輛的質(zhì)量平衡設(shè)計(jì)，所以司機(jī)室設(shè)計(jì)必須考慮輕量化要求[3]。

以長(zhǎng)沙地鐵2號(hào)線司機(jī)室頭罩為對(duì)象，設(shè)計(jì)司機(jī)室頭罩結(jié)構(gòu)整體尺寸為2 806 mm×2 550 mm×1 640 mm。根據(jù)頭罩不同區(qū)域承載功能，共劃分為4個(gè)區(qū)域、分別為部件1、司機(jī)室頭罩主體部分；部件2、司機(jī)室頭罩主體與前窗風(fēng)擋玻璃連接的區(qū)域；部件3、前窗風(fēng)擋玻璃；部件4、裝配頭罩燈位置區(qū)域。見(jiàn)圖1。

傳統(tǒng)司機(jī)室一般都采用金屬結(jié)構(gòu)，但金屬結(jié)構(gòu)有很多缺點(diǎn)。目前大多采用純玻璃鋼，但玻璃鋼外殼都比較厚，質(zhì)量也較重，不利于平衡設(shè)計(jì)。

碳纖維材料相比玻璃鋼材料具有更高的模量、更輕的質(zhì)量。因此設(shè)計(jì)時(shí)，在司機(jī)室頭罩主體部分的關(guān)鍵區(qū)域部件1采用碳—玻璃混合泡沫夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。其中碳纖維材料共用2層，玻璃纖維材料8層，中間層夾芯泡沫厚度25 mm，共11層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。部件2區(qū)域，材料從外至內(nèi)依次為鋼化玻璃、西卡膠和玻璃鋼復(fù)合材料層合板；部件3區(qū)域材料為鋼化玻璃；部件4區(qū)域材料為玻璃鋼復(fù)合材料層合板。制造成型后的司機(jī)室頭罩見(jiàn)圖2。

圖1 司機(jī)室頭罩結(jié)構(gòu)區(qū)域劃分圖

圖2 司機(jī)室頭罩產(chǎn)品圖

3 碳—玻璃混合地鐵車輛頭罩結(jié)構(gòu)性能分析

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)碳—玻璃混合復(fù)合材料地鐵司機(jī)室頭罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的合理性，利用有限元分析方法對(duì)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析驗(yàn)證。并根據(jù)復(fù)合材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度準(zhǔn)則來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)承載后變形與應(yīng)力是否滿足材料體系要求。

3.1 地鐵司機(jī)室頭罩有限元模型

3.2 載荷與邊界條件

圖3 司機(jī)室頭罩有限元模型圖

計(jì)算校核司機(jī)室頭罩的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能時(shí)，考慮了最惡劣的載荷組合工況，綜合考慮了氣動(dòng)載荷與沖擊載荷相互疊加的作用。氣動(dòng)載荷作用于整個(gè)司機(jī)室頭罩，方向?yàn)橛赏庵赶騼?nèi)。

3.3 有限元結(jié)構(gòu)性能校核計(jì)算分析結(jié)果

利用Ansys軟件求解器對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算分析， 通過(guò)計(jì)算求解，分別得到司機(jī)室頭罩4個(gè)不同位置區(qū)域在氣動(dòng)載荷和沖擊工況耦合作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)變分布云圖，分別提取了4個(gè)部件區(qū)域的應(yīng)變?cè)茍D見(jiàn)圖4～圖7所示。

圖4 部件1等效應(yīng)變分布云圖

圖5 部件2等效應(yīng)變分布云圖

圖6 部件3等效應(yīng)變分布云圖

圖7 部件4等效應(yīng)變分布云圖

本文設(shè)計(jì)司機(jī)室頭罩主體結(jié)構(gòu)部分采用了碳—玻璃混合纖維復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)。提取了關(guān)鍵層碳纖維最外層X(jué)與Y方向的應(yīng)變分布云圖見(jiàn)圖8與圖9。

圖8 碳纖維最外層纖維1方向應(yīng)變?cè)茍D

圖9 碳纖維最外層纖維2方向應(yīng)變?cè)茍D

因碳—玻璃混合纖維復(fù)合材料只用在司機(jī)室頭罩關(guān)鍵組件部分部件1位置區(qū)域，故只讀取了部件1區(qū)域各層的最大應(yīng)變用于評(píng)估結(jié)構(gòu)的可靠性，各層應(yīng)變見(jiàn)表2。

表2 司機(jī)室頭罩部件1區(qū)域各層各方向的最大應(yīng)變值 %

從表2應(yīng)變結(jié)果可以看出，玻璃鋼復(fù)合材料面板的X方向最大拉伸應(yīng)變?chǔ)舩t為0.059 0 %，位于第10層；X方向最大壓縮應(yīng)變?chǔ)舩c為0.087 0 %，位于第1層。Y方向最大拉伸應(yīng)變?chǔ)舮t為0.093 9 %，位于第10層；Y方向最大壓縮應(yīng)變?chǔ)舮c為0.087 4 %，位于第8層。

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板的X方向最大拉伸應(yīng)變?chǔ)舩t為0.059 6 %；X方向最大壓縮應(yīng)變?chǔ)舩c為0.036 0 %；Y方向最大拉伸應(yīng)變?chǔ)舮t為0.080 6 %；Y方向最大壓縮應(yīng)變?chǔ)舮c為0.063 7 %。

根據(jù)復(fù)合材料強(qiáng)度判別準(zhǔn)則最大應(yīng)變準(zhǔn)則，把各層的最大應(yīng)變值與所用復(fù)合材料的拉伸與壓縮許用應(yīng)力值進(jìn)行比較，各層的應(yīng)變值都沒(méi)有超過(guò)材料的許用應(yīng)變值，表明設(shè)計(jì)頭罩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全可靠，碳—玻璃混合纖維復(fù)合材料層合板不會(huì)失效。

4 結(jié) 論

在多種材料方案中，經(jīng)測(cè)試分析比較后選用碳—玻璃混合纖維與夾芯材料設(shè)計(jì)地鐵司機(jī)室頭罩結(jié)構(gòu)。采用有限元計(jì)算方法校核評(píng)估了設(shè)計(jì)司機(jī)室頭罩的結(jié)構(gòu)性能，證明所設(shè)計(jì)的地鐵司機(jī)室頭罩結(jié)構(gòu)安全可靠,結(jié)構(gòu)質(zhì)量明顯降低。表明了碳—玻璃混合纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)方案可行，在車輛同類結(jié)構(gòu)中具有很好的應(yīng)用前景。

[1] 孫春方. 復(fù)合材料在現(xiàn)代軌道車輛制造中的應(yīng)用[J].城市軌道交通研究，2004,(7):16-19.

[2] 陳建詳，王瓊琦. 復(fù)合材料管與接頭膠接構(gòu)件的強(qiáng)度與疲勞性能研究[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2012,(1):27-32.

[3] 王永剛. 城市軌道交通車輛輕量化司機(jī)室結(jié)構(gòu)研究[J]. 鐵道機(jī)車與動(dòng)車，2013,(11):12-15.

Design of Subway Driver Chamber Hood Made of Asymmetric Carbon-glass Fiber Mixed Composite Material

FENGXuebin1，LIXiao1,ZENGJingcheng2,WUZhihua2,YANGFubiao2,PENGChaoyi2

(1 Zhuzhou Times New Materials Technology Co., Ltd., Zhuzhou 412007 Hunan, China; 2 National University of Defense Technology, Changsha 410073 Hunan, China)

In this paper, a new driver chamber hood structure which is made of carbon/glass fiber mixed composite material is designed, by taking advantage of the structure performance designability of composite material. The main bearing structure of this driver chamber hood structure is made of self-host foam-sandwich-structure composite material. The top panel of this sandwich structure is made of glass fiber reinforced unsaturated polyester resin matrix composites, and the bottom panel of this sandwich structure is made of carbon/glass fiber mixed composite material, so that this sandwich structure is an asymmetric structure. This hood can reduce the weight of driver chamber distinctly while satisfying the strength design requirement of driver chamber.

subway; carbon/glass fiber mixed composite material; hood; structural design

1008-7842 (2015) 03-0096-04

??)男，高級(jí)工程師(

2014-12-27)

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.24