軌道交通車輛用復合材料設計及應用標準現狀思考

武舒然

（北京軌道交通技術裝備集團有限公司，北京 100071）

軌道交通裝備的發展追求更輕量化、更低全壽命周期成本等要求，復合材料是未來軌道交通車輛設計使用的最佳選擇之一。隨著人們對于復合材料的研究越來越深入，纖維增強體（如碳纖維、玄武巖纖維和竹纖維等）更多地被發掘出來，功能性（防火、導電等）的樹脂基體也被開發出來，先進的生產制造工藝（RTM、VARI、預浸料真空袋壓OOA和3D編織等）也應運而生[1]。先進復合材料作為結構材料和功能材料在軌道交通行業中得到越來越廣泛的應用。

復合材料具有較高的比剛度和比強度，有更高的性能可設計性，同時擁有優異的疲勞性能、耐腐蝕性能，能夠實現結構/功能一體化，因此得到廣泛應用。軌道交通車輛中應用到復合材料最多的有傳統玻璃鋼制品、預浸料制品和蜂窩復合三明治結構等。高鐵/高速磁浮車輛的整車范圍內應用廣泛（碳纖維、紙蜂窩復合結構和中空織物等），尤其車頭、設備艙、裙板及內飾件等部位。

雖然復合材料甚至碳纖維材料應用越來越多，但由于歷史相對較短，當前軌道交通行業使用的復合材料在技術標準上并不夠完備，還無法完全滿足復合材料開發應用需要，因此建立軌道交通車輛用復合材料測試和試驗標準，搭建數據庫具有重要意義（圖1）。

圖1 車輛用復合材料示意圖

1 復合材料結構設計及應用

復合材料設計流程復雜，需要經過總體方案設計階段、研發打樣設計階段及詳細設計階段，通過理論研究與試驗驗證綜合判定方案可行性，如圖2所示。在研發設計階段，材料選型是很重要的部分，涉及材料許用值和結構設計值。同時，要建立材料規范、工藝規范，最小程度降低工藝變量對材料的影響，作為材料鑒定的重要部分。一個產品的全設計過程需要經過反復驗證。

在軌道交通行業中，同樣是按照圖2流程進行設計。在目前的應用案例中，通常是結合運行環境，根據部件特點，選擇合適的復合材料及層壓板設計結構。現應用最為廣泛的復合材料為玻璃纖維復合制品，若是考慮到輕量化或者其他功能需求，則考慮用碳纖維預浸料制品或者功能性材料，實現重量與成本的綜合設計。結合仿真驗證及試驗驗證，過程中發現缺陷再進行結構優化。

圖2 復合材料結構設計流程

金屬材料有足夠的材料試驗數據，相關標準和設計值可以直接從材料手冊中查到，但復合材料的材料性能表征極為復雜。由于復合材料結構缺乏成熟的分析方法和足夠的設計與使用經驗，為保證其結構完整性，復合材料比金屬結構更依賴于試樣、元件、組合件和全尺寸部件等多個層次的設計驗證試驗方法來保證，即圖3中的積木式驗證方法。對于全尺寸部件的結構試驗，按照實際的綜合環境效應往往不可實現，因此最終驗證缺乏可信度，但經過恰當組織的積木式驗證，可以保證復合材料結構的強度驗證在總體上是完整的[2]。

圖3 復合材料積木式驗證示意圖

材料許用值是在一定的載荷類型與環境條件下，由單層級（試樣）試驗數據，按規定要求統計分析后確定的具有一定置信度和可靠度的材料性能表征值，是對材料體系力學性能的表征，是設計選材的主要依據。只有按照材料標準采購和現工藝規范制造材料，所確定的許用值數據才是認證機構可接受的。在設計時應注意并非材料性能越高越好，在一定范圍內的數值才有足夠的參考價值。

結構設計值在通常情況下是根據所設計具體結構的完整性要求（通常為強度、剛度、耐久性和損傷容限，包括滿足使用條件下損傷無擴展要求），在代表結構特征的大量元件試驗結果（設計許用值）基礎上，結合設計師的設計和使用經驗來確定的，并通過組合件（加筋板、接頭等）進行驗證。試驗檢測并非越多越好，根據主要影響因素，關注樣品的破壞模式，獲得需求的材料組合即可。增強纖維主要影響產品纖維方向的強度，浸潤劑及膠粘劑主要影響界面性能，樹脂主要影響熱性能、層間性能、材料的韌性及某些化學性能。

國外用于軌道交通裝備上的復合材料多為碳纖維或玻璃纖維增強復合材料，逐步從非承載結構擴展到主承載結構，典型案例包括日本新干線N700系、日本川崎重工開發的“efWING”轉向架和韓國TTX擺式特快列車等，應用相對成熟，減重效果良好。國內對軌道交通裝備復合材料的研發工作起步雖晚但進展迅速，應用越來越廣泛。標準動車組的發展向世界展示了中國速度，成為中國對外的一張名片，在車輛中大量應用了輕量化復合材料，也實現了車輛的減重。

隨著我國軌道交通行業車輛設計速度逐步提升，多耦合作用復雜性突出服役環境的復雜多變、重量—強度/剛度—載荷等矛盾突出、安全—防火等性能要求和節能環保等要求，材料性能要求更加苛刻，碳纖維CFRP復合材料成為提供解決方案的重要材料。碳纖維復合材料密度低，比強度和比模量高，還具有耐腐蝕、耐高溫、耐摩擦、抗疲勞、電及熱導性高、熱及濕膨脹系數低、X光穿透性高和非磁體但有電磁屏蔽效應等特點。中車長客的光谷量子號，2018年在武漢東湖線投入運營，世界首輛碳纖維地鐵車體，減重25%（理論可達35%）；中車四方的CETROVO（下一代地鐵），亮相2018年柏林國際軌道交通技術展，全車碳纖維，車體減重30%，如圖4所示。除此之外，碳纖維材料在車輛外部裙板及設備艙等部件也有研究應用。

圖4 碳纖維車體及轉向架

現階段軌道交通車輛的設計流程依托于結構仿真，在結構造型、材料鋪層設計之后，進行強度分析，并通過不斷修改迭代，得到可靠方案。但基本的結構設計還是依托于金屬結構，復合材料特性未得到充分發揮，對于設計師來講也缺乏詳細的參考標準。

2 復合材料標準現狀

任何材料的研發和應用與標準化的支撐是密不可分的。目前標準化組織和標準體系包括國際標準化組織（ISO）、歐洲標準化委員會（CEN）、國家標準（GB）、美國試驗和材料協會（ASTM）及其他標準（歐洲宇航標準、企業標準等）。

2.1 國外標準現狀

高性能纖維增強復合材料誕生于60年代初，由于設計的需求，提出了復合材料力學性能的測試要求。由于對復合材料的特性和破壞機理認識很少，當時這些標準的制訂主要參照相應的金屬力學性能標準。迄今為止，復合材料力學性能表征方法的研究有了突飛猛進的進展，也結合復合材料飛機構件的使用經驗，對相關測試標準經多次修訂和增添，得到廣泛認可后成為美國材料試驗學會（ASTM）標準。

2.2 國內標準現狀

國內復合材料應用發展較為迅速，但相關標準還不夠成熟。我國各類別材料標準的分布情況[3]見表1，其中國內關于復合材料的標準非常少。

表1 國內現有標準情況

國內復合材料力學性能的測試標準可以分別從國家標準（GB體系）、國家軍用標準（GJB體系）和航空工業行業標準（HB體系）中發現適用的標準。我國最早開展復合材料研究，是用于飛機結構。由于設計的需求，在1980年初期開始提出復合材料力學性能測試要求，并制訂了首批測試標準。當時雖然也開展了一些標準試驗方法的研究，但基本上是對當時ASTM標準的消化理解和國產化。截至本世紀初，相關標準還處于落后階段，無法滿足新材料和新型號的研制需求。

與ASTM相比，國內標準一般只針對單項復合材料的檢測，而不適用于多向或織物復合材料；國內標準只適用于實驗室的標準環境條件下的試驗，對非實驗室條件下的試驗方法有待完善；國內標準中缺乏對于破壞模式的要求。以上種種問題均反映了國內復合材料設計標準的匱乏。

通過基本的力學性能測試，能夠獲取材料規范制定、強度分析與結構設計所需的基本性能數據。通過采用與結構設計鋪層相同或等效的層壓板各類力學性能試驗（無缺口拉伸試驗、無缺口壓縮試驗、開孔拉伸試驗和開孔壓縮試驗等），獲取后續結構驗證、結構設計與強度校核所需的拉伸設計許用值、壓縮設計許用值和剪切設計許用值等。所以針對復合材料相關標準的制定是設計基礎，具有非常重要的意義。

復合材料設計值的確定涉及多種典型鋪層和多種結構特性（如開孔、充填孔、擠壓和沖擊后壓縮等），材料性能又與制造商的工藝有關，而此部分涉及專利特性，不易為其他研究單位獲得，因此綜合來講，建立復合材料數據庫這樣龐大的工作開展起來非常困難且難以普及[4]。

2.3 軌道交通行業標準應用

目前，全國纖維增強塑料標準化委員會（SAC/TC39）歸口制訂/頒布了一系列復合材料力學性能測試的國家標準（GB/T 28891、GB/T 3354和GB/T 3355等），達到了國際先進水平。由于復合材料的復雜特性，不同行業的設計準則不同，航空、風電等行業的特有設計準則并不完全適用于其他行業。軌道交通行業標準比較局限，沒有針對軌道交通行業的專用標準，層合板標準一般是按照GB/T 1446纖維增強塑料系列測試方法，即按照一般復合材料的設計基準來評判，且一般針對于較為規則的材料鋪層結構。碳纖維材料和其他復合材料相同，也還沒有形成軌道交通行業標準。

目前軌道交通車輛的內飾件、車頭及車外設備等部件均有復合材料應用的身影，但針對金屬結構來講，復合材料的應用設計經驗仍相對缺乏，大多數情況下復合材料設計師還是會依據經驗沿用金屬結構進行設計[5]，且經常將復合材料與金屬結構配合使用，設計經過仿真計算沒有問題，但經常會由于考慮安全造成設計冗余，無法較好地發揮出復合材料多元化設計及輕量化設計的優勢。

因此，在積累經驗的基礎上，需綜合軌道交通部件自身的特點，結合軟件仿真及組件試驗驗證，積累基礎數據，建立數據庫，通過大量嘗試逐漸摸索出適合本行業的結構件復合材料設計準則。

3 結束語

復合材料具有優異特性，隨著工藝水平的不斷提高，應用前景更加廣闊，但復合材料設計過程較為復雜，需要基礎力學測試標準和工藝規范的支撐，需要經過大量試驗驗證。軌道交通行業的復合材料應用案例相對較少，相關數據積累相對較少，行業內亟需建立起復合材料相關標準，積累起完備數據庫，更好地指導車輛輕量化結構設計。