碳纖維復合材料車體承載部件的設計

顧春雷

摘 ?要：隨著國內軌道交通行業的快速發展，人們對于軌道車輛輕量化的要求逐漸提高，碳纖維復合材料成為了車體承載部件設計應用的下一個研究方向。本文就碳纖維復合材料在車體承載部件中的設計進行探討。

關鍵詞：碳纖維;復合材料;車體承載部件

軌道交通行業在其發展的過程中，對于材料的應用有很多特殊要求，不僅需要材料具備較高的安全性、耐腐蝕性、隔音性、環保性，還需要車體結構輕量化，其他的強度、剛度、防噪聲、防火等方面的性能也要具備[1]。當前國內大部分的軌道交通車輛使用的材料主要是鋁合金等，但是由于這些材料依然存在或多或少的優勢和不足，所以探討碳纖維復合材料的設計應用具有重要現實指導意義。

一、碳纖維復合材料車體承載部件的結構設計

在實際的應用過程中，主要采用碳纖維-芯層結構，能夠有效的保證整體的車輛承載能力。碳纖維-芯層結構由兩層碳纖維蒙皮中間加入泡沫或蜂窩夾芯組成，車頂的主結構由方向不一樣的碳纖維預浸料和結構芯材構成，不同方向的碳纖維材料性能和芯材材料性能不一樣，具體數據如表1所示[2]。

在實際的應用過程中，為了能夠有效的避免纖維中斷，必須要合理的利用纖維的方向性，以能夠最大程度的利用碳纖維復合材料的方向性，進而保持結構中傳遞路徑的連續性。充分的借助鋪層層數和方向，將力進行合理的傳遞和分散。在結構設計的過程中，為了能夠簡化設計和應力計算，可以選取具有代表性的0°、+45°、-45°、135°、90°代表纖維的方向。本文假設0°是主承力方向，如圖1所示。

在設計的過程中，還必須要充分考慮裝配過程中出現的內應力，并采用對稱鋪層和平衡鋪層兩種交替方式，以此避免結構不對稱造成的內應力，進而給整個車性能造成負面影響。

碳纖維復合材料的結構設計應遵循幾個準則：其一是不同角度纖維所占的比例為0°，最大45°，其次90°;其二是在四個不同的方向上都必須要安裝纖維，這樣能夠對抗受力變形;其三是限制同一個方向上的鋪層數，這樣能夠有效的降低層間微裂紋的發生;其四是局部結構可以全部使用+45°的鋪層[3]。

二、計算結果分析

本文對車體相關部件展開了有限元仿真計算，具體如表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。

如上述表中可以得知，在不同工況背景下，除了壓縮工況，碳纖維的車體安全系數都要高于金屬車體。充分說明了碳纖維復合材料的各向異性，也就是說碳纖維復合材料在垂直方向上的受力較差，但是安全系數依然大于1。

三、質量評價

本文主要采取了三種評價方法：其一是接觸式脈沖反射法。通過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;其二是噴水式脈沖穿透法。主要是采用噴水耦合的方式，依據超聲波穿透材料后的幅度變化來評定材料材質;其三是水浸式脈沖反射板法。主要是采用了水晶耦合水浸耦合的方法，超聲波在穿透了材料之后，又從反射板反射的回波幅度變化檢查缺陷評定材質[4]。具體的評定方法如圖2所示。

圖2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。

等級A為關鍵主承載部件，該部件并不允許缺陷的存在，因為這屬于受力的關鍵部分，因此必須要合理利用鋪層設計，正確操作相關設備步驟。等級B為重要主承載部件，在該部件中允許一定范圍內的缺陷，但是工作人員必須要將此類缺陷記錄存檔，并及時檢修維護，在后續的運營過程中重點關注，觀察缺陷是否擴大。等級C為一般主承載部件，受力不大的區域允許存在一定的缺陷，工作人員在后續的操作過程中不需要特別關注。

結論：

（1）采用對稱鋪層和平衡鋪層兩種方法，有效的避免了內應力集中影響。

（2）除了壓縮工況，其余不同工況下碳纖維車體的安全系數要大于金屬車體，充分說明了碳纖維復合材料的各向異性。

（3）質量評價時根據受力情況的不同區分A/B/C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。

參考文獻

[1] 唐波.碳纖維復合材料在軌道交通車輛上的應用[J].科技經濟導刊，2021，29（11）：97-98.

[2] 魏阜倫，衣海嬌.碳纖維復合材料在軌道車輛應用展望[J].現代城市軌道交通，2021（02）：90-93.

[3] 許鵬，許睿.高速動車組碳纖維材料車頭連接結構及強度分析[J].大連交通大學學報，2020，41（04）：5-8.

[4] 張憶寧. 動車組碳纖維增強復合材料設備艙強度研究[D].北京交通大學，2020.