碳纖維復合材料在軌道交通車輛空調機殼體上的應用

王勝光 張永利 畢孝法 張歷詩

(1. 中車青島四方機車車輛股份有限公司,266111,青島； 2. 山東朗進科技股份有限公司,271100,濟南//第一作者,工程師)

近年來，軌道交通飛速發展，低碳環保的要求也日益嚴格，車輛減重已成為趨勢。碳纖維材料以其質量輕、比強度大、耐高溫、耐沖擊、耐腐蝕的優質特性被廣泛關注。

目前,軌道交通車輛中的車頭罩、墻板、頂板、間壁、轉向架等車體結構件,以及座椅骨架、駕駛臺等內飾部件,都可使用輕量化的碳纖維復合材料，在實現車體大幅度減重的同時，減少了能源消耗，提升了效率。經文獻檢索及調研得知，國內尚無碳纖維復合材料用于軌道交通車輛空調機殼體的先例，行業內也沒有系統地開展超輕復合材料對比性能分析工作。因此,將超輕復合碳纖維材料應用于軌道交通車輛空調機殼體的研究在國內具有首創性。

1 軌道交通車輛空調機殼體特點

1.1 軌道交通車輛空調機殼體結構特點

軌道交通車輛空調機的結構形式一般為一體式，具有外形尺寸大、結構復雜、使用壽命長等特點。通常要求車輛空調機殼體壽命為30年。目前，軌道交通車輛空調機殼體一般采用1～2 mm厚度的不銹鋼板或2～3 mm厚度的鋁合金板，通過鈑金加工的方式進行零件成型，再用焊接、鉚接等連接方式將鈑金加工零件拼裝成空調機殼體。

1.2 軌道交通車輛碳纖維復合材料空調機殼體的優點

采用碳纖維復合材料制作的軌道交通車輛空調機殼體的優點可概括為：

(1) 輕質高強。碳纖維復合材料的相對密度僅是鋼的1/4～1/5，而強度并不小；比強度為鋁合金的2倍，是鋼的4倍，符合軌道交通輕量化的要求。

(2) 可設計性好，為軌道交通空調機殼體結構的優化設計提供了廣闊的自由度。

(3) 耐酸、堿和腐蝕，使用壽命超過不銹鋼和鋁合金材料。

(4) 抗磁及絕緣性能優于不銹鋼和鋁合金材料。

2 碳纖維復合材料的特性及應用研究思路

2.1 碳纖維復合材料的特性

碳纖維是由有機纖維經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維的微觀結構類似人造石墨(碳原子層狀排列)，是亂層石墨結構，力學性能優異。其相對密度不到鋼的1/4。碳纖維復合材料的抗拉強度一般在3.5 GPa以上，是鋼的7～9倍;抗拉彈性模量為230～430 GPa，亦高于鋼。碳纖維材料與不銹鋼、鋁合金材料的物理性能對比如表1所示。

根據不同的加工工藝，單一碳纖維可以制作不同規格的碳纖維材料。由于纖維制品品種多，可對其進行有選擇性的剪裁與構型，故纖維制品具有較強的適用性。碳纖維是各向異性體，其單層沿軸向具有很高的強度和剛度，根據載荷和功能設計的交叉鋪層合板的性能可超金屬，完全適合制作軌道交通車輛空調機殼體。

2.2 應用研究思路

建立碳纖維復合材料空調機殼體有限元分析模型，進行數值仿真模擬。將試制的車輛碳纖維復合材料空調機殼體樣件組裝成變頻車輛空調，并進行碳纖維復合材料變頻車輛空調機殼體性能測試。

采用CAD/CAE(計算機輔助設計/計算機輔助教學)等技術設計出空調機組，分析空調機組振動模態、疲勞性能、振動沖擊性能等;研究碳纖維殼體的鋪絲方式及其力學性能，并采用先進碳纖維制造工藝和空調機組裝配工藝，制造出符合軌道交通車輛要求的空調機組。

3 空調機殼體的結構設計建模及仿真分析

3.1 結構設計建模

采用solidworks軟件進行碳纖維復合材料軌道交通車輛空調機殼體的設計建模。空調殼體由蒸發腔、冷凝腔、新風腔組成，采用中隔板密封隔離。空調機組的制冷回路由壓縮機、冷凝器、電子膨脹閥、蒸發器、四通閥、視液鏡、通風機、冷凝風機等組成，內置獨立的控制部分，均勻分布于空調殼體內部。空調三維結構布局如圖1所示。

圖1 車輛空調機碳纖維復合材料殼體三維結構布局

3.2 結構仿真分析

采用大型商用有限元處理器 HYPERMESH進行幾何清理和網格劃分。采用RADIOSS求解器進行求解。采用HYPERVIEW進行后處理和數據分析。通過結構力學性能分析對結構的靜態強度和疲勞強度進行評估，以驗證空調機殼體結構是否符合結構強度的相關要求。碳纖維復合材料軌道交通車輛空調機殼體模型及仿真結果如圖2～8所示。結構靜態工況(S01～S07)下的強度計算見表2。

由表2可以看出，客室空調殼體的最大位移、Mises應力，以及碳纖維復合材料的最大拉應變、最小壓應變、最大剪切應變及安全系數等均滿足設計要求。

圖2 碳纖維復合材料車輛空調機殼體仿真分析模型

圖3 碳纖維復合材料車輛空調機殼體靜態分析結果

圖4 碳纖維復合材料車輛空調機殼體Mises應力分布云圖

圖5 碳纖維復合材料車輛空調機殼體第一主應變分布云圖

圖7 碳纖維復合材料車輛空調機殼體最大剪應變分布云圖

圖8 碳纖維復合材料車輛空調機殼體安全系數分布云圖

表2 碳纖維復合材料車輛空調機殼體靜態分析工況下強度計算結果

4 試驗驗證

根據IEC 61373-2010《鐵路應用 車輛設備 沖擊和振動試驗》標準中1類A級的規定，對采用碳纖維復合材料殼體的軌道交通車輛空調機組樣機進行了振動沖擊試驗。試驗順序依次為正弦掃頻試驗、模擬長壽命試驗、沖擊試驗和功能性隨機振動試驗。其中，模擬長壽命試驗和功能試驗為隨機振動試驗。

振動試驗結果全部合格，證明采用碳纖維復合材料殼體的軌道交通車輛空調機組滿足應用環境要求和壽命要求等。 圖9所示為振動試驗現場照片。

圖9 振動試驗現場照片

5 結語

用碳纖維復合材料制造軌道交通車輛空調機組殼體可顯著降低空調機組的自重。本文通過三維結構設計、有限元設計分析、振動試驗驗證等方法，證明碳纖維復合材料殼體能夠滿足軌道交通車輛空調應用要求。

采用碳纖維復合材料制造的軌道交通車輛空調機組殼體在滿足車輛運用環境要求的前提下，可使軌道車輛空調顯著減重。其與同類型不銹鋼材料殼體相比，質量可減輕約65%；與同類型鋁合金材料殼體相比，質量可減輕約30%。

綜上，采用碳纖維復合材料的空調殼體可以替代傳統金屬材料的軌道交通車輛空調殼體，滿足軌道交通車輛整車減重、節能的目的，適應軌道交通車輛空調技術向節約型和輕量化方向轉變的需求，符合軌道交通行業發展趨勢和國家節能減排的政策導向，具有廣泛的推廣應用價值。