周偉旭

(中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，130062，長(zhǎng)春//教授級(jí)高級(jí)工程師)

車體是軌道交通車輛重要的承載結(jié)構(gòu)，除必須滿足強(qiáng)度、剛度、模態(tài)及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等要求外，還必須滿足日益提高的結(jié)構(gòu)輕量化要求。碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用為車體減重增能提供了新的思路，對(duì)推動(dòng)軌道交通技術(shù)進(jìn)步具有劃時(shí)代意義。

1 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的技術(shù)需求

隨著我國(guó)軌道交通車輛裝備制造業(yè)的快速發(fā)展，軌道交通車輛裝備制造技術(shù)亦在逐步提升，因此對(duì)車輛安全性、舒適性、節(jié)能減排、綠色環(huán)保、運(yùn)營(yíng)速度和載客能力等方面提出了更高的要求。車體結(jié)構(gòu)是車輛的重要部件，其強(qiáng)度、剛度、疲勞壽命及耐腐蝕性直接關(guān)系到車輛的安全可靠性；車體的減振降噪性能與車輛乘坐舒適度密不可分；車體質(zhì)量約占整車質(zhì)量的25%～35%，車體輕量化是車輛輕量化的重點(diǎn)，是提高車輛運(yùn)營(yíng)速度、載客能力、節(jié)能減排的最直接、有效的途徑。高強(qiáng)輕質(zhì)環(huán)保材料的應(yīng)用為車體以上性能的提升提供了重要的解決方案。

目前，軌道交通車輛車體材料主要有鋁合金、不銹鋼和碳鋼，鋁合金車體存在應(yīng)力腐蝕、外表處理困難、焊接要求高、疲勞強(qiáng)度低等問(wèn)題；不銹鋼車體存在密封性差、局部屈曲、焊接變形等問(wèn)題；碳鋼車體存在易腐蝕、不利于輕量化、焊接變形大等問(wèn)題。傳統(tǒng)金屬材料應(yīng)對(duì)進(jìn)一步的挑戰(zhàn)顯得力不從心，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料因其優(yōu)異的特性受到廣泛關(guān)注,其中碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(CFRP)是目前最受青睞的一種。

2 CFRP的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

CFRP具有比重小、強(qiáng)度高、耐疲勞、耐腐蝕、抗蠕變、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)異特性，并且具有一材多能、一材多用的特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于航空、航天、輪船、汽車、風(fēng)電葉片、化工、機(jī)械、紡織、醫(yī)療器材以及文體用品等各個(gè)領(lǐng)域。對(duì)于軌道交通承載結(jié)構(gòu)，CFRP能從以下幾方面滿足車體技術(shù)提升的需求：

(1)實(shí)現(xiàn)車體結(jié)構(gòu)的輕量化。表1為CFRP與金屬材料的力學(xué)性能對(duì)比。由表1可以看出，CFRP具有密度小、比強(qiáng)度高、比模量高的力學(xué)特性，利用其輕質(zhì)、高強(qiáng)度的特點(diǎn)可大幅度降低結(jié)構(gòu)自重，從而提高車輛運(yùn)載能力，以及降低能源消耗。

表1 CFRP與金屬材料的力學(xué)性能對(duì)比表

(2)提高乘客乘坐舒適性。CFRP的阻尼是普通金屬的10～100倍，其高阻尼特性可有效降低結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，改善乘客的乘坐舒適性。表2為CFRP與金屬材料的導(dǎo)熱性能對(duì)比。由表2可以看出CFRP具有良好的隔熱性能，其不但可以提高車體的隔熱性能，還能減少車輛隔熱材料的使用量。CFRP還具有熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性較好、抗磁、絕緣、隔音等多種優(yōu)良性能，以上性能均能提高車輛舒適度。

表2 CFRP與金屬材料的導(dǎo)熱性能對(duì)比表

(3)提高車輛安全性。CFRP存在著不同的相與界面，這些不同的相與界面能夠有效阻止和改變裂紋擴(kuò)展方向；CFRP基體中擁有大量獨(dú)立的纖維，每平方厘米的纖維少則幾千根，多至上萬(wàn)根。從力學(xué)角度而言，CFRP屬于典型的靜不定體系。當(dāng)構(gòu)件超載并有少量纖維斷裂時(shí)，載荷會(huì)迅速重新分配在未破壞的纖維上，這樣在短期內(nèi)不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)構(gòu)件喪失承載能力，因此CFRP具有較高的疲勞強(qiáng)度極限。金屬材料的疲勞強(qiáng)度僅占拉伸強(qiáng)度的30%～50%；而復(fù)合材料，特別是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其疲勞強(qiáng)度是拉伸強(qiáng)度的70%～80%，甚至更高。CFRP的樹脂具有良好的耐腐蝕性能，與纖維結(jié)合后，具有良好的水密性、氣密性及耐大氣腐蝕性能，其使用壽命超過(guò)了不銹鋼材料，保障了CFRP制件有較長(zhǎng)的使用壽命。CFRP的比模量較高，因而具有較好的阻尼減振性能以及抗撞擊能力，其碰撞吸能能力達(dá)到了鋼的6～7倍、鋁的3～4倍，進(jìn)一步保證了結(jié)構(gòu)的安全性。

(4)提高產(chǎn)品的可設(shè)計(jì)性。CFRP性能多樣，其物理性能、化學(xué)性能、力學(xué)性能均可以通過(guò)合理選擇原材料的種類、配比、加工方法、纖維含量和鋪層方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于樹脂基體材料種類很多，其選材設(shè)計(jì)的自由度很大，這是傳統(tǒng)的各向同性材料(比如鋼、鋁)所不具備的。另外，CFRP可以實(shí)現(xiàn)一體化制造，其制品是由材料和結(jié)構(gòu)同時(shí)完成，即通過(guò)合理的模具設(shè)計(jì)，把不同厚度的零件、凸起部分、筋和棱等全部一體成型。整體成型同時(shí)還能提高結(jié)構(gòu)的完整性、氣密性和保溫性，以及提高車輛舒適度。

3 CFRP車體的應(yīng)用現(xiàn)狀

為了進(jìn)一步降低車體重量，提高車體性能，采用CFRP替代原有的鋁合金和鋼車體材料已成為各主機(jī)廠嘗試的方向。

20世紀(jì)90年代初，瑞士辛德勒車輛公司制造的以CFRP為主的整體式車體結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)，在運(yùn)行試驗(yàn)中跑出了140 km/h的速度。該車體結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、舒適度好和安全性高等特點(diǎn)，但由于纏繞工藝復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

圖1 瑞士辛德勒車體

2000年，法國(guó)國(guó)營(yíng)鐵路公司(SNCF)采用CFRP研制出雙層TGV型車體(見(jiàn)圖2)，其相對(duì)鋁合金車體減重約25%，并且通過(guò)線路運(yùn)行驗(yàn)證了CFRP 在強(qiáng)度、沖擊、防火、降噪、隔熱等性能方面的優(yōu)點(diǎn)和工業(yè)可行性。

圖2 法國(guó)TGV型車體

2007年，韓國(guó)鐵道科學(xué)研究院(KRRI)研制出運(yùn)行速度為180 km/h的TTX型擺式列車車體(見(jiàn)圖3)，其采用不銹鋼增強(qiáng)骨架，側(cè)墻和車頂采用鋁蜂窩夾芯、CFRP蒙皮構(gòu)成的三明治結(jié)構(gòu)，車體總質(zhì)量相對(duì)于不銹鋼結(jié)構(gòu)降低了28%，且車體強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、防火安全性、動(dòng)態(tài)特性等性能良好，并于2010年投入商業(yè)化運(yùn)營(yíng)。

圖3 韓國(guó)TTX擺式車體

中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱長(zhǎng)客股份公司)研制的世界首輛全碳纖維復(fù)合材料地鐵車輛車體(見(jiàn)圖4)，采用CFRP夾芯結(jié)構(gòu)，通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)、一體成型技術(shù)設(shè)計(jì)而成，最高運(yùn)行速度為100 km/h，較同類B型鋁合金地鐵車體減重35%。該車體滿足極限惡劣環(huán)境的使用要求，具有優(yōu)良的力學(xué)性能、環(huán)保性能和防火性能。

圖4 長(zhǎng)客股份公司研制的地鐵車輛車體

全碳纖維復(fù)合材料車體采用“靜力覆蓋疲勞”和“損傷無(wú)擴(kuò)展”的設(shè)計(jì)理念，其設(shè)計(jì)和驗(yàn)證過(guò)程均參照航空工業(yè)復(fù)合材料制件研發(fā)流程，并采用試樣、元件、細(xì)節(jié)件、組合件、全尺寸件等多層次的積木式設(shè)計(jì)驗(yàn)證過(guò)程設(shè)計(jì)而成。

車體的主體材料采用碳纖維預(yù)浸料和蜂窩芯材，局部結(jié)構(gòu)芯材采用泡沫芯材。為獲得材料力學(xué)性能，進(jìn)行了不同鋪層、不同溫度、不同濕度和不同工藝的6 000多個(gè)樣件的測(cè)試和十余項(xiàng)材料性能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，所選材料各項(xiàng)性能均滿足地鐵車體的使用要求。

全碳纖維復(fù)合材料車體為薄壁筒形整體承載結(jié)構(gòu)，主要尺寸如下：車體基本長(zhǎng)度為19 000 mm，車體寬度為2 800 mm，車體頂面距軌面高度為3 478 mm。

車體結(jié)合復(fù)合材料成型工藝的特點(diǎn)，按模塊化設(shè)計(jì)思路，將傳統(tǒng)金屬車體的車頂和兩側(cè)側(cè)墻進(jìn)行整合，整個(gè)車體分為U形車身、底架(含牽枕緩、邊梁和端梁)和端墻3個(gè)主要部件(見(jiàn)圖5)，充分發(fā)揮了復(fù)合材料可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、整體化程度高等優(yōu)勢(shì)。各大部件之間用抽釘或螺栓連接，并用密封膠密封。

圖5 全碳纖維復(fù)合材料車體結(jié)構(gòu)

考慮到生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)結(jié)合車體各部件的受力特點(diǎn)，車體主要選取低成本非熱壓罐成型工藝(OOA)，并且配合熱壓罐、拉擠和樹脂導(dǎo)入等工藝制造而成。

經(jīng)強(qiáng)度計(jì)算分析、典型件試驗(yàn)以及車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)，驗(yàn)證了復(fù)合材料車體承載結(jié)構(gòu)的可靠性，其滿足地鐵車體各項(xiàng)性能指標(biāo)要求。同時(shí)，車體各項(xiàng)性能得到較大提升：車體質(zhì)量較同類地鐵金屬車體減少約35%；車體抗疲勞和耐腐蝕性能得到提升，且使用壽命不低于30 a；車體隔熱性能優(yōu)異，能承擔(dān)車輛防寒材一半以上性能；車體隔聲性能優(yōu)異，達(dá)到車輛隔聲要求的70%以上；車體振動(dòng)的固有頻率較同類金屬車體提高18%以上；車體尺寸精度和外觀質(zhì)量?jī)?yōu)于傳統(tǒng)金屬車體。

4 對(duì)CFRP后續(xù)應(yīng)用的思考

全碳纖維復(fù)合材料、大尺寸車體承載結(jié)構(gòu)的成功研制，驗(yàn)證了復(fù)合材料在軌道交通承載結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的可行性。但是，復(fù)合材料在軌道車輛的應(yīng)用尚處于起步階段，仍受成本、材料、設(shè)計(jì)、工藝等限制，尤其是成本問(wèn)題，是制約其推廣應(yīng)用的強(qiáng)大壁壘。持續(xù)快速發(fā)展CFRP技術(shù)，推進(jìn)軌道交通復(fù)合材料車體的應(yīng)用須從以下幾方面推進(jìn)：

(1) 提高碳纖維生產(chǎn)能力和水平。目前，我國(guó)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展離世界先進(jìn)水平還有一定的差距，投入商用的CFRP大都來(lái)自國(guó)外。國(guó)內(nèi)應(yīng)加大相關(guān)產(chǎn)業(yè)的投資力度、更新技術(shù)水平、擴(kuò)大生產(chǎn)能力，使相關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量盡快趕超世界先進(jìn)水平。

(2) 深入開展CFRP基礎(chǔ)性研究。軌道車輛對(duì)材料的力學(xué)性能、環(huán)保性能、防火性能、抗沖擊性能、耐極端環(huán)境性能、耐老化性能、隔音隔熱性能、減振阻尼性能、電磁兼容性、生命周期環(huán)境友好性以及安全可靠性等都有特殊要求，開展?jié)M足軌道車輛應(yīng)用的材料性能研究，解決目前復(fù)合材料存在的防火、隔聲隔熱、抗沖擊性能局限性，可大大提高復(fù)合材料的應(yīng)用廣度。

(3) 從簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、集成設(shè)計(jì)、材料等三方面入手，深入開展復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)不但能降低成本，還能提高生產(chǎn)效率、滿足批量快速生產(chǎn)的需要。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，加強(qiáng)集成設(shè)計(jì)的理念，充分發(fā)揮復(fù)合材料可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、易于整體成型的特點(diǎn)，比如將底架與地板集成，將車頂與通風(fēng)道集成，以及將側(cè)墻與內(nèi)裝材料集成等。集成設(shè)計(jì)能從整車層面降低車體質(zhì)量，同時(shí)提高車體剛度，是復(fù)合材料車體研究的一個(gè)重點(diǎn)方向。復(fù)合材料品種多、方向性強(qiáng)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要來(lái)選擇材料，通過(guò)優(yōu)化層板中各鋪層的鋪設(shè)角、層數(shù)比(層板中具有相同鋪設(shè)角的鋪層數(shù)占總層敷的比例)和鋪疊順序，設(shè)計(jì)出具有不同強(qiáng)度以及彎、扭剛度要求的層合板，增加了設(shè)計(jì)的自由度，提高了結(jié)構(gòu)性價(jià)比。設(shè)計(jì)時(shí)還可以考慮多種材料混合使用，比如次承力結(jié)構(gòu)采用碳纖/玻纖混雜設(shè)計(jì)，主承力結(jié)構(gòu)如牽枕緩、邊梁等采用碳纖維材料，做到結(jié)構(gòu)和材料合理匹配，盡可能地降低原材料成本。

(4) 加強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成型工藝的優(yōu)化研究。目前，應(yīng)用于軌道車輛承載結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料中，CFRP是比較受關(guān)注的一類材料，但其制造成本高、生產(chǎn)周期長(zhǎng)，制約了該材料的推廣應(yīng)用。如果能將成型工藝和材料研究結(jié)合起來(lái)，在不降低產(chǎn)品性能的前提下，優(yōu)化出更適合軌道車輛結(jié)構(gòu)的低成本、高效率的成型工藝，在自動(dòng)鋪帶、集成自動(dòng)生產(chǎn)等方面實(shí)現(xiàn)更新?lián)Q代，滿足批量生產(chǎn)的需要，那么低成本、自動(dòng)化的生產(chǎn)工藝必將推動(dòng)復(fù)合材料在軌道交通行業(yè)的應(yīng)用。

(5) 逐步建立適用于軌道交通行業(yè)的復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)體系，包括設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、材料評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)算驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)、生產(chǎn)工藝標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)用維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)等，使復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用有據(jù)可依、規(guī)范化、系統(tǒng)化，從而促進(jìn)軌道交通行業(yè)的節(jié)能減排和綠色轉(zhuǎn)型升級(jí)。

5 結(jié)語(yǔ)

CFRP在軌道交通車輛車體上的推廣應(yīng)用是復(fù)合材料行業(yè)的一大機(jī)遇和挑戰(zhàn)，雖然目前受制造成本、成型工藝、生產(chǎn)效率等方面的制約，難以在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，但是全碳纖維復(fù)合材料地鐵車輛車體的成功研制經(jīng)驗(yàn)為后續(xù)軌道交通復(fù)合材料承載結(jié)構(gòu)的研究奠定了基礎(chǔ)。隨著新材料、新技術(shù)日新月異的進(jìn)步，相信在不久的將來(lái)，中國(guó)將迎來(lái)軌道交通車輛車體新材料應(yīng)用的又一次變革。