100%低地板輕軌車的碳纖維及鋁合金材料混合車體減重方案

劉鴻宇 劉 宇 張慶剛

(中車唐山機車車輛有限公司,064099,唐山∥第一作者,工程師)

《交通強國建設綱要》等一系列國家政策及建設規劃均提出了節能環保、智能化、輕量化、及先進材料等理念。高效、綠色、智能是軌道交通未來的發展趨勢,對軌道交通車輛的輕量化提出了更高要求。

車體減重是車輛輕量化的重要手段。車體減重可從結構減重和材料減重兩方面著手。然而,受強度、剛度及制造工藝等條件限制,單純的結構減重收效甚微。碳纖維材料的比強度、比模量遠高于金屬材料[1]。軌道交通車體采用碳纖維部件,不僅能滿足力學性能要求的基礎上,而且減重效果也十分明顯。法國的 TGV(高速列車)采用了碳纖維夾層結構,與全焊接鋁合金車體結構相比可減重達25%[2]。此外,碳纖維材料采用模具成型,可制成復雜部件,大幅減少零件數量,提升可靠性及可維護性,降低產品全壽命周期成本;碳纖維復合材料還具有良好的隔熱、減振及阻尼性能,且耐候性能極佳,是取代金屬部件的理想材料。可見,碳纖維材料非常適合應用于軌道交通車體。

本文從材料減重方面考慮,結合車輛對車體頂層指標要求,以某100%低地板輕軌車全焊接鋁合金車體(以下簡稱“全鋁合金車體”)方案為基礎,提出一種應用于100%低地板輕軌車的碳纖維及鋁合金材料混合車體(以下簡稱“混合車體”)技術方案,進而分析車體減重效果。

1 全鋁合金車體方案

1.1 車體結構

全鋁合金車體為薄壁筒形整體承載結構,由大斷面擠壓鋁合金型材焊接而成。車體由底架、側墻、端墻、車頂及車輪罩等組成。各大部件采用焊接連接;底架十字枕梁上方的車輪罩,與車體采用粘接連接[3]。全鋁合金車體總體結構如圖1所示。

圖1 全鋁合金車體總體結構示意圖

1.2 車體材料

對于全鋁合金車體采用的鋁合金型材,強度滿足EN 755-2:2016《鋁及鋁合金擠壓桿材,管材及型材 第2部分:機械性能》要求,熱處理滿足DIN EN 515:2017《鋁和鋁合金.鍛制品.回火狀態標識符號》要求。板材采用EN AW-6082-T6 鋁板及EN AW-5083-H111 鋁板,且滿足EN 485-2:2016《鋁和鋁合金 片材、帶材和板材 第2部分: 機械特性》標準要求。

1.3 車體受力特性

車體靜強度應滿足EN 12663-1:2010《鐵路設施-鐵路車輛車身的結構要求第 1 部分:機車和客運車輛(以及貨車的替代方法)》中P-Ⅳ級車輛的要求;車體耐碰撞能力應滿足EN 15227:2011《軌道交通.鐵路車輛車身的防撞性要求》C-Ⅳ級車輛要求;車體疲勞應滿足不低于30年使用壽命的要求。全鋁合金車體在縱向(x向)及垂向(y向)載荷作用下整體應力云圖如圖2所示。

圖2 全焊接鋁合金車體的應力云圖

由圖2 可見:在縱向及垂向載荷的組合作用下,車體底架應力水平明顯偏高;應力較大的區域有十字枕梁、底架端部鉸接安裝座、下門角等區域;側墻窗角在垂向載荷作用下,出現了局部應力集中;車頂及端墻的應力水平較低。由于低地板輕軌車設備幾乎全部安裝在車頂,因此車頂、側墻及端墻必須有足夠的剛度,防止失穩。

2 混合車體方案

2.1 車體結構方案

借鑒于全鋁合金車體的應力分布情況可知,采用混合車體時,應力較大的車體底架有必要仍采用鋁合金材質,而應力水平較低的側墻、車頂、端墻及車輪罩可采用碳纖維+PVC(聚氯乙烯)泡沫復合材料(以下簡稱“碳纖維復合材料”)。混合車體的總體結構如圖3所示。其中,車輪罩與底架仍采用粘接結構,碳纖維側墻、端墻與鋁合金底架采用鉚接結構。碳纖維側墻、端墻與鋁合金底架鉚接的細部構造如圖4所示。

圖3 混合車體的總體結構示意圖

圖4 碳纖維側墻、端墻與鋁合金底架鉚接的細部構造示意圖

側墻、端墻、車頂及車輪罩等部件主體結構的碳纖維復合材料為碳纖維鋪層+PVC泡沫,其薄弱區域預埋了碳纖維加強筋。碳纖維加強筋分布如圖5所示。碳纖維加強筋斷面為矩形,由碳纖維蒙皮+PVC泡沫組成。加強筋連接接頭采用 T 形接頭。碳纖維加強筋斷面及 T 形接頭如圖6所示。

圖5 碳纖維加強筋分布示意圖

a) 加強筋斷面

車頂內外及側墻設置了 C 形槽,用于電氣設備及門機構的安裝。C 形槽與預埋在夾層板內的不銹鋼件鉚接。C 形槽連接處構造如圖7所示。

圖7 C 形槽連接處構造示意圖

2.2 碳纖維部件材料及規格

車頂、側墻、端墻及車輪罩等部位不同部件的碳纖維復合材料規格如表1所示。經計算,采用碳纖維復合材料部件后,車體質量比全焊接鋁合金車體質量減輕15%以上,減重效果明顯。

表1 各部位不同部件的碳纖維復合材料規格

2.3 碳纖維鋪層方案及PVC泡沫力學性能

碳纖維的力學性能同纖維類型、纖維方向及纖維體積分數等密切相關。單向板和層合板的力學性能呈明顯的各向異性。按不同鋪層比例選取20層的層合板(總厚度均為2.5 mm,碳纖維牌號為 T300),采用同種預浸料處理后進行力學性能測試。不同鋪層比例的碳纖維層合板力學性能測試結果如表2所示。

表2 不同鋪層比例的碳纖維層合板力學性能測試結果

結合表2 進一步分析可知,0°鋪層有利于抵御縱向的載荷,90°鋪層有利于抵御橫向載荷,45°鋪層有利于抵御剪切載荷。根據碳纖維部件受力及應變情況,各部位不同部件的碳纖維鋪層比例如表3所示。

表3 各部位不同部件的碳纖維鋪層比例

各部件所用的 PVC 泡沫均為為阻燃 PVC 泡沫,且滿足 DIN 5510系列標準要求。PVC 泡沫的密度為 80.0 kg/m3,壓縮強度為 0.9 MPa,拉伸強度為 1.9 MPa,彈性模量為 70.0 MPa,剪切強度為 0.8 MPa,剪切模量為 27.0 MPa,斷裂伸長率為 3.0%。

2.4 碳纖維部件強度的校核

采用Hypermesh仿真軟件建模,并使用Hyperview軟件分析計算結果,對碳纖維部件強度進行校核。根據與車體底架的連接方式,對碳纖維側墻及端墻底部施加鉸支約束,對側墻底部施加繞x方向的轉動約束。根據車輛設備布置圖,在車頂均勻布置 8 個質量單元,每個單元的質量為400 kg。車頂質量單元分布及約束如圖8所示。

注:Rot x=0表示不能繞x軸轉動。

根據 EN 12663-1:2010《鐵路設施-鐵路車輛車身的結構要求第 1 部分:機車和客運車輛(以及貨車的替代方法)》的P-Ⅳ級車輛要求,分別在6種不同的工況下對車體進行靜強度計算。靜強度計算工況如表4所示,計算得到各工況下的車體變形及應力情況如表5 所示。

表4 靜強度計算工況

表5 各工況下的車體變形及應力情況

對于碳纖維復合材料的面內應力分量,基于Tsai-Wu 強度準則,計算面內應力強度因子SF,即:

(1)

式中:

σ——面內剪切強度;

σx、σy——分別為沿纖維徑向及緯向的應力;

τxy——剪切應力。

若SF>1,即認為碳纖維復合材料已進入破壞狀態。

以工況6為例,車體整體變形云圖和SF分布云圖如圖9和圖10所示。由圖9可見,車頂、及側門窗立柱變形較大。由圖10可見,車體SF均未大于1,說明車體未破壞。其他工況變形特點類似。

圖9 車體整體變形云圖

圖10 SF分布云圖

各工況計算結果如表5所示。由表5可見,SF均小于0.300,說明安全系數較大,碳纖維部件滿足強度要求。

2.5 實際應用的注意事項

碳纖維復合材料在實際應用中還有注意事項:

1) 碳纖維復合材料在力學性能方面表現出明顯的各向異性[4],其鋪層層間許用應力較低。因此,在進行部件設計時,必須以部件受力情況為輸入,制定合理的鋪層方案。

2) 碳纖維復合材料與預埋的金屬件熱膨脹系數不一致。因此,預埋金屬件的尺寸不能太大。

3) 碳纖維復合材料質量穩定性較金屬材料差,故需輔以超聲波探傷,并加大安全系數。

4) 碳纖維復合材料導電性比金屬差。為滿足車輛的接地需求,車體需預埋金屬以建立接地回路。

3 結語

針對100%低地板輕軌車輕量化設計,本文提出使用碳纖維和鋁合金材料混合車體替代原全焊接鋁合金車體,確定了車體各部位碳纖維部件的材料及規格,碳纖維牌號選擇T300。經計算,采用采用碳纖維復合材料部件后,車體質量比全焊接鋁合金車體質量減輕15%以上,減重效果明顯。對車體進行靜強度仿真計算,并基于Tsai-Wu 強度準則計算面內應力強度因子。仿真計算結果表明,碳纖維和鋁合金混合材料車體滿足強度要求。說明采用碳纖維和鋁合金材料混合車體兼顧了輕量化設計要求和強度要求。