碳纖維復合材料車體承載部件的設計

王明舉，李博，周偉旭，徐博雅，李天亮

(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)*

隨著軌道交通運輸行業對軌道客車的安全性、舒適性、綠色節能性提出了新的要求，碳纖維復合材料作為一種新型替代材料逐漸引起了世界各國的重視［1］.碳纖維復合材料可應用在車輛工程、精密制造、航天航海等高科技領域，還可用在大型機械、醫療設備、生物工程等方面［2］.

現如今，金屬材料制造的傳統鋁合金車體存在應力腐蝕、外表處理困難、焊接要求高、疲勞強度低的問題;不銹鋼車體存在封閉性、局部屈曲、焊接變形等問題;碳鋼車體存在易腐蝕、不利于輕量化、焊接變形大等問題.顯然，傳統結構、材料應對挑戰的技術方案顯得不夠豐富，技術難度大，無法滿足用戶對列車綜合性能的要求.隨著世界高速列車譜系的不斷完善，用戶對個性化訂制的需求逐步成熟，并呈現多樣性發展趨勢［3-5］.

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］.車頂是車體結構的重要組成部分，不但要承受或傳遞作用于車體本身的各種載荷外，還要承擔各大設備的生根、連接作用.為了充分利用碳纖維材料的優良特性，重新設計了車頂的外形尺寸，內部鋪層結構，在減重的同時達到了金屬制品同樣的性能.

1 結構設計

為保證整體的車輛承載能力，碳纖維復合材料車體各部件設計時主要采用碳纖維-芯層結構(類似于三明治結構)，碳纖維-芯層結構主要由兩層碳纖維蒙皮中間加入泡沫或蜂窩夾芯組成［7］，如圖1所示.車頂主結構由方向不同的碳纖維預浸料和結構芯材構成，不同方向碳纖維材料性能、芯材材料性能如表1所示.纖維的方向性應被合理地使用以避免纖維中斷和端接，最大限度地利用纖維復合材料的方向性以及保持結構中傳遞路徑的連續性［8-10］.利用不同的鋪層層數、鋪層方向實現力的傳遞和分散.在結構設計和驗證過程中，鋪層方式及方法可以得到以下經驗值.為了簡化設計和應力計算，本文使用0°、+45°、-45°、135°、90°代表纖維的方向，本文設定0°是主承力方向，如圖2所示.

圖1 復合材料車頂外形結構

表1 阻力系數對比

圖2 纖維方向

設計過程中同時考慮了裝配過程出現內應力，在設計結構的時候多采用對稱鋪層和平衡鋪層，避免了結構不對稱產生的內應力影響整車性能.

總結設計過程，碳纖維復合結構需要遵守如下準則:

(1)一般情況下，不同角度纖維所占比例為0°，最大 45°，其次 90°;

(2)為了對抗受力變形的影響，在4個不同方向上要有纖維;

(3)模塊化鋪層:為了減少層間微裂紋，應該限制同一方向上的鋪層數.

(4)局部結構可以全部使用±45°的鋪層.

2 計算結果分析

車頂材料由金屬優化為復合材料后，本文對相關部件進行了有限元仿真計算.計算結果如表2所示.表中所比較數值為安全系數，安全系數為許用應力與計算應力的比值.

從表2可以看出，不同工況下碳纖維車體的安全系數要大于金屬車體.壓縮工況中碳纖維車體安全系數低于金屬車體，這說明碳纖維復合材料的各向異性，即在垂向方向上受力較差.但是安全系數仍然大于1，滿足相關要求.

根據典型工況即1.3AW3工況，將車頂部件在金屬車體與碳纖維車體之間的受力情況進行對比，如圖3所示.

表2 安全系數對比

圖3 金屬車體受力分析

從整車受力圖中可以看出，金屬車體的受力最大點在底架承載縱梁處，在轉向架范圍內的底架區域受力較大，碳纖維車體的受力最大點在客室底架座椅尖點處.本文可以看到底架座椅與地板交界處受力較大，窗口下沿受力較大，這些趨勢與鋼車也有相似之處.從整車趨勢上分析，鋼車頭車車頂靠近二位端主橫梁應力較集中，中間車車頂邊梁與主橫梁交界處應力較大，意味著在此工況下車頂鋼結構受力不是十分均勻，有一定的優化空間.碳纖維復合材料車頂對力的傳遞情況優異，整個車頂受力較均勻且沒有應力集中點，證明在整個設計過程中沒有鋪層的急劇變化導致應力集中點的出現，體現了車頂在設計過程中的成功之處，這也成功驗證了碳纖維復合材料確實可以應用在軌道車輛領域.

3 質量評價

在碳纖維復合材料車體制件質量評價時，運用以下三種方法:

(1)接觸式脈沖反射法.采用接觸方式，根據超聲波在材料中傳播時遇到不連續性所產生的反射回波和材料底面產生的回波檢查缺陷并進行評定;

(2)噴水式脈沖穿透法.采用噴水耦合的方式，根據超聲波穿透材料后的幅度變化檢查缺陷或評定材料材質;

(3)水浸式脈沖反射板法.采用水浸耦合方式，根據超聲波穿透材料后從反射板反射的回波幅度變化檢查缺陷評定材質.

缺陷判定方法如圖4所示.

圖4 缺陷尺寸定義

圖4 中陰影部分表示缺陷區域.y是橫向最大投影寬度;x是垂直于y方向的缺陷投影長度.(x+y)=2z.分層缺陷分區等級如表3所示.

表3 分層缺陷分區等級比

等級A為關鍵主承載部件，在受力的關鍵部件中不允許缺陷的存在.這對于鋪層設計的合理性、生產輔助設備、操作者技能都提出了很高的要求.

等級B為重要主承載部件.在需要特別注意的承載部件區域范圍內允許一定尺寸的缺陷.對于這種缺陷一般需要記錄存檔，并在后續的實際運營與車輛檢修時重點關注，關注缺陷是否存在擴大的跡象.

等級C為一般主承載部件.在仿真分析和實際試驗過程中受力不大的區域允許存在缺陷.一般在后續車輛運營過程中不做特殊關注.

4 結論

通過上述研究分析可以得出以下結論:

(1)為了防止裝配過程出現內應力，本文在設計結構的時候爭取多采用對稱鋪層和平衡鋪層.在設計內部鋪層結構時有一些設計準則，用來避免應力集中及分層.這些準則都是從實際試驗中得到的;

(2)不同工況下碳纖維車體的安全系數要大于金屬車體.壓縮工況中碳纖維車體安全系數低一些，這說明碳纖維復合材料的各向異性，即在垂向方向上受力較差.總體來說，從列車減重、運營安全、乘客體驗等方面碳纖維復合材料車體均具有一定的優越性.碳纖維復合材料車頂對力的傳遞情況優異，整個車頂受力較均勻且沒有應力集中點，證明在鋪層設計中避開鋪層激變，沿力的傳遞方向設計鋪層的方法是可行的;

(3)質量評價時根據受力情況的不同區分ABC不同等級的缺陷.在后續列車運營檢修時密切關注這些缺陷看其是否發展擴大.