高速動車組碳纖維材料車頭連接結構及強度分析

許鵬，許睿

(中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心，吉林 長春 130062)*

在復合材料發展的進程中，纖維增強復合材料一直是人們關注的焦點.自玻璃纖維增強復合材料問世以來，碳纖維、陶瓷纖維以及硼纖維增強的復合材料相繼研制成功，纖維增強復合材料的性能不斷得到改進，復合材料領域呈現出一派勃勃生機.

由于具有優異的各項性能，碳纖維復合材料不僅可以應用在大型機械、醫療設備、生物工程等方面，還可應用在車輛工程、精密制造、航天航海等高科技領域［1］.

高速鐵路時代，傳統金屬材料制造的車體部件存在應力腐蝕、外表處理困難、焊接要求高、疲勞強度低、局部屈曲、焊接變形、不利于輕量化等問題［2-4］.為提高輕量化水平，高速列車在部件和設備上開始大量應用了復合材料，在保證部件安全性能提高的同時，也達到了減重的效果［5］.

碳纖維材料具有比強度和比剛度高、耐腐蝕、抗疲勞、可設計性強、易于整體成型等特點.采用碳纖維材料的車體不僅輕量化程度明顯，而且能提高乘坐舒適度，降低運用成本和維護成本.目前，碳纖維等新型復合材料及其工藝成型技術已日趨成熟，越來越多的應用到軌道客車產品中.

1 碳纖維復合材料

1.1 碳纖維材料組成

新材料、新設計、新制造技術是軌道列車輕量化的主要途徑，具體體現在結構優化設計、采用復合材料、采用輕金屬材料［6］.碳纖維車頭材料是以PET泡沫作為芯材，兩側由碳纖維增強復合材料包夾的三明治結構，如圖1所示［7］.其中，兩側的碳纖維增強復合材料是由通過預浸成型工藝，經加熱熔融的樹脂預浸漬碳纖維制成的預浸料加熱固化而成，具有碳纖維增強復合材料的良好力學性能，主要起到承載作用.PET泡沫芯材具有良好的隔聲性、隔熱性及剛度.碳纖維車頭是在模具中先鋪放預浸料，然后鋪放芯材，再鋪放預浸料，最終經過加熱固化成型的［8-10］.

圖1 碳纖維材料特性

1.2 碳纖維材料特性

碳纖維車頭材料由碳纖維、樹脂基體及芯材構成，兼具三者的優異性能，其特性主要體現在結構輕量化、舒適度高、降低維護成本和提高產品靈活性等方面，如圖2所示.

在碳纖維車頭材料中:碳纖維具有耐高溫、耐摩擦、耐腐蝕及重量輕等特性，但其表面活性基團少，表現為化學惰性強，所以在與樹脂基體復合前，通過改性處理增加了碳纖維表面活性基團的數量，增強了碳纖維的界面黏合力;選用的樹脂基體具有良好的加工性能、力學性能及粘結性能，通過預浸漬的方式，本就具備良好粘接性能的樹脂，能夠將經過改性的碳纖維牢固的粘接在一起;最終所得到的碳纖維增強復合材料體系中，纖維與樹脂的界面黏合力較強，宏觀表現為各項優異的性能.碳纖維增強復合材料抗拉強度一般都在3 500 MPa以上，是鋼的7～9倍，抗拉彈性模量為23 000～43 000 MPa，亦高于鋼，疲勞強度約為鋼的2.5倍、鋁的3.3倍，除了力學性能外，碳纖維增強復合材料還具有良好的耐熱性、耐腐蝕性及耐磨性等優異性能.

圖2 碳纖維材料性能

PET泡沫芯材具有重量輕、隔聲性能好、隔熱性能好及剛度好等優點，在保證輕量化的前提下，在碳纖維車頭材料中還能起到一定的支撐作用，將兩側的纖維增強表皮連接在一起，構成牢靠穩固的體系.

2 碳纖維車頭結構

2.1 碳纖維車頭結構

在列車高速行駛的時候動力學前端所受到的阻力很大，約占列車運行總阻力的50%.因此優化軌道列車動力學前端的結構可以降低能耗，提高列車運行的穩定性.碳纖維復合材料制造的軌道列車動力學前端可以承受很大的正負壓，強度和剛度都可以滿足列車的運行要求.英國使用碳纖維復合材料制造的動力學前端比傳統鋼結構輕30% ～35%.同時這種機車動力學前端具有很強的抗沖擊能力，能承受一個0.9 kg的立方體鋼塊以350 m/h的速度對其的沖擊，這種材料重量輕、強度高、阻燃性好，代表著未來車體制造的發展趨勢.

蒙皮材料使用HFW160P、HFW200T碳纖維織物、EW210玻璃纖維織物、PET泡沫芯材以及EL305液體阻燃樹脂.阻燃芳綸紙蜂窩與阻燃膠膜的制備如圖3和圖4所示.

圖3 碳纖維車頭蒙皮

圖4 碳纖維車頭分塊

400 km/h車頭部分為復合材料，復材與整體鋁合金底板/邊梁、后端框螺栓連接.結構形式采用整體蜂窩夾層、縱向筋/環向框加強的罩體結構.窗口處采用復合材料邊框結構嵌在整體夾層結構中.增強體采用碳纖維、玻璃纖維混搭的方式，局部采用芳綸纖維，樹脂選用阻燃樹脂.具體接口連接方案見圖5.

圖5 接口連接方案

由碳纖維復合材料編制成的碳纖維布具有碳纖維復合材料的全部優異性能，碳纖維復合材料車頭蒙皮的鋪層信息說明見表1.蒙皮從外表面向內表面的方向鋪層，車頭蒙皮鋪層均以車輛運行方向(X軸)為參考方向，蒙皮鋪層采用不同厚度的碳纖維雙軸布和碳纖維四軸布，碳纖維雙軸布是由碳纖維束在經、緯兩個方向上編制而成，能夠承受雙向的拉力;碳纖維四軸布是由碳纖維束在經、緯、正45°及負45°四個方向上編制而成，能夠承受四個方向的拉力，二者都具有力學性能好、不受原結構形狀限制及能很好的貼合復雜形狀構建的表面的特點，適合應用在具有流線曲面造型的車頭蒙皮上，并且能夠保證蒙皮具有良好的力學性能.

表1 車頭蒙皮鋪層信息說明

碳纖維復合材料車頭骨架的鋪層信息說明見表2.骨架鋪層角以骨架長度方向為參考方向，由于骨架與蒙皮相比，結構規則，沒有明顯的曲線造型，在保證強度的前提下，考慮到成本因素，骨架鋪層主要采用不同厚度的RC410雙軸布和UC300單軸布，其中UC300單軸布按照90°與0°方向布置，其結構相當于延經、緯編制的雙軸布，也能夠避免單向布只在一個方向上受力的缺點，保證骨架鋪層具有較高的力學性能.

表2 車頭骨架鋪層信息說明

2.2 碳纖維車頭強度分析

2.2.1 有限元模型

碳纖維車頭模型構成以任意四節點薄殼單元為主，三節點薄殼單元為輔，薄殼單元采用shell181，車頭蒙皮鋪層以車輛運行方向為參考方向，以5層為主，局部鋪層為16層(含一層粘膠);骨架鋪層以骨架長度方向為參考方向，以10層為主，局部采用21層(含一層粘膠);對幾何模型進行網格劃分，模型中共25 278個節點和24847個單元.

2.2.2 載荷施加及側向應力分析

(1)靜載荷.對車頭前窗下結構施加30 t的面壓力載荷.如圖6可見，最大位移值為9.62 mm，位于車頭與車體接縫處的窗口附近.

圖6 有限元模型靜壓位移分布圖

(2)疲勞載荷.車頭前端部承受列車以440km/h速度雙向運行且壓力為7 850 Pa時產生的空氣動力學壓力和湍流.即車頭前端承受循環載荷(疲勞):施加的1.0E+7次的±7 850 Pa載荷.車頭前窗和側窗開口在氣動載荷作用下，最遠點之間的擋風玻璃開口的法向最大變形不應超過2mm，并且不對稱值不應該超過±1.5 mm.應力云圖如圖7所示.

圖7 車頭結構應力云圖

計算出車頭內和車頭外載荷的最小層壓邊界.在固體層壓板區域，采用容許量為8%的孔隙率，計算了層壓板的安全系數.表3和表4描述了在孔隙率為8%的情況下，使用容許量的安全系數.

表3 車頭蒙皮側應力容許安全系數

表4 骨架側應力容許安全系數

3 結論

通過上述研究分析可以得出以下結論:

(1)通過有限元分析，可以看出復合材料制成的車頭蒙皮與車頭骨架，具有良好的力學性能，在車體受力時，應力分布均勻，沒有應力過分集中的部位，證明碳纖維復合材料制成的車體結構具有可靠的強度，在實際運行中，能夠有效的保障司乘人員的安全;

(2)為了保證碳纖維復合材料制成的車體具有良好的力學性能，碳纖維布在鋪設的時候應該采用多向鋪層的方式，避免采用單一方向鋪層而出現車體僅在該方向上能夠承受較大的力，在受其他方向的力時很容易被破壞的問題;

(3)碳纖維復合材料應用在軌道客車結構上，能夠憑借其具有的多項優異性能，在保證車體結構強度的前提下，能夠提高車輛輕量化水平，解決傳統金屬車體的耐腐蝕性差、焊接變形、表面處理困難等問題.