方炅任, 張亞楠, 趙川宇, 張云峰

(1 中車長春軌道客車股份有限公司， 長春 130062;2 北京市軌道交通建設管理有限公司， 北京 100068)

近年我國地鐵、城市軌道交通發(fā)展迅速，城市軌道交通運營主體在進行車輛產(chǎn)品招標時，明確提出了減重的技術要求。為滿足運力，各個城市要求減重以減少輪阻、風阻，提高運行速度，另一方面，車輛減重也能極大地減少城市能耗[1-2]。目前，在軌道車輛車身上常用的材料有鋁合金、不銹鋼和耐候鋼等傳統(tǒng)金屬材料。由于材料性能的限制，傳統(tǒng)金屬材料的輕量化比例有限。

碳纖維復合材料(以下簡稱：碳纖維材料)，由于其在強度、抗變形、抗磁化、耐高溫、耐腐蝕等方面的優(yōu)點，自20世紀90年代以來，逐漸被法國、日本、韓國等國家科研機構嘗試在軌道車輛上進行輕量化研究[3-4]。近年來，我國中車集團、西南交大等科研機構，也陸續(xù)開展了碳纖維材料在軌道車輛上的應用研究[5-7]。除了車身，頭罩由于其集安全、美觀及風阻等性能要求于一體，成為了國內(nèi)外機構優(yōu)先研究碳纖維材料應用的產(chǎn)品之一。日本石塚理[3]等人研制的新干線電車CFRP車頭，產(chǎn)品通過了載荷、氣密性及振動性等試驗；西南交大[5]研究了碳纖維材料在高鐵頭罩上的應用，結(jié)果表明，碳纖維材料頭罩產(chǎn)品可滿足30 kPa風壓、137 kN排障和振動強度試驗要求；唐山軌道客車有限公司[6]設計并計算了城軌車輛碳纖維材料頭罩的結(jié)構強度和固有頻率，均能滿足使用需求。

主要針對碳纖維材料的選擇、碳纖維材料成型工藝、碳纖維材料頭罩產(chǎn)品缺陷控制、碳纖維材料連接方式等方面進行了研究，并對設計完成的頭罩產(chǎn)品進行了22種工況條件下的仿真分析。

1 碳纖維材料的選擇

碳纖維材料由兩部分組成：樹脂基體和碳纖維絲，樹脂基體為碳纖維材料的粘接劑，它對碳纖維材料的機械性能、成型工藝及材料的成本有直接的關系，需根據(jù)使用環(huán)境、承受的載荷來確定基體材料。因車頭頭罩基本不參與載荷，頭罩可選擇乙烯基樹脂作為基體材料。此外，北京市域快軌車輛防火要求需滿足EN 45545-HL2標準，乙烯基樹脂為溴化、反應型樹脂，具有與碳纖維界面結(jié)合性好、耐熱性高、防火阻燃能力強等特點，因此，采用乙烯基樹脂作為基體材料也能夠滿足北京市域快軌車輛車輛防火要求。

頭罩產(chǎn)品選用厚度0.25 mm、200 g/m2的碳纖維雙軸布和厚度0.8 mm、800 g/m2碳纖維四軸布兩種材料進行設計，碳纖維具體機械性能如表1所示。根據(jù)碳纖維可設計性，對碳纖維材料分別進行0°、90°、-45°和45°鋪層設計，頭罩主結(jié)構區(qū)域蒙皮為4 mm，加厚區(qū)域為7.7 mm，同時滿足頭罩靜強度、沖擊載荷及產(chǎn)品輕量化要求。

車頭骨架，由于承載較大，則需要采用環(huán)氧樹脂作為基體材料。車頭骨架用碳纖維復合材料采用預浸料工藝成型，預浸料工藝采用樹脂基體，在嚴格控制的條件下浸漬連續(xù)纖維或織物，最終制成樹脂基體與增強體的組合物。項目所使用的無鹵高阻燃性快速固化環(huán)氧樹脂碳纖維預浸料，可實現(xiàn)5 min快速固化，性能優(yōu)于同阻燃級別的酚醛樹脂預浸料。此外，快速固化環(huán)氧樹脂與芯材粘接強度更大，可減少膠膜的使用，以達到減重和降成本的目的?？焖俟袒h(huán)氧樹脂具有以下特點。

表1 碳維纖的機械性能

①固化快;

②優(yōu)良的表面狀態(tài)及機械性能;

③加工工藝性好;

④制造周期短;

⑤能夠滿足鐵路客車EN 45545-HL3級別的阻燃標準，同時滿足軌道車輛TVOC及TB/T 3139等環(huán)保標準。

2 碳纖維頭罩及碳纖維骨架結(jié)構特點

為滿足車輛的輕量化需求，依據(jù)碳纖維材料比強度、比模量高等特點，頭罩產(chǎn)品采用4 mm厚真空導入工藝碳纖維材料，車頭骨架則采用主體4 mm厚的預浸料成型工藝碳纖維材料。車輛需滿足EN 12663標準中的強度要求，因此，車頭骨架受力較大的窗下載荷處，根據(jù)截面慣性矩理論，車頭骨架可被設計成腔型的結(jié)構，一方面，可滿足零件受力要求，另一方面，可實現(xiàn)零件的減重要求。此外，利用有限元對車頭骨架進行進一步結(jié)構優(yōu)化，盡可能減小骨架斷面，增加司機室空間并實現(xiàn)車輛輕量化。通過有限元分析和結(jié)構優(yōu)化相結(jié)合進行碳纖維材料車頭骨架設計，與傳統(tǒng)材料設計車頭骨架相比，可減重30%左右。

3 成型工藝

3.1 樹脂真空導入成型工藝

頭罩采用碳纖維樹脂真空導入工藝進行制造。首先將碳纖維在模具上鋪設，將真空輔助材料(如脫模布，導流網(wǎng)，真空袋等)置于上方，然后抽真空。碳纖維材料會在大氣壓力下被壓平，混合完畢的液體樹脂經(jīng)軟管被引入碳纖維材料片材中。待樹脂完全進入碳纖維片材后，停止液態(tài)樹脂導入，隨后在真空狀態(tài)下進行固化。采用真空導入工藝制備復合材料，可避免傳統(tǒng)濕法手糊工藝中出現(xiàn)的樹脂富余和性能不穩(wěn)定等問題，同時可消除孔隙和制件中的氣泡，使產(chǎn)品外觀質(zhì)量、強度更優(yōu)異。

3.2 碳纖維材料預浸料真空袋壓高溫固化成型工藝

車頭骨架采用預浸料真空袋壓高溫固化成型工藝進行制造。將產(chǎn)品密封在模具和真空袋之間，通過抽真空對產(chǎn)品進行加壓，并進行高溫固化，使產(chǎn)品更加密實、力學性能更好。具體工藝步驟為：將碳纖維預浸料鋪放置在模具上，然后鋪設真空輔助材料(如脫模布，真空袋等)，抽真空后，將產(chǎn)品放入烘箱內(nèi)進行高溫固化。采用此工藝形成的產(chǎn)品，性能均勻，可有效控制產(chǎn)品厚度和含膠量，減少產(chǎn)品中的氣泡，適用于成型復雜、大型制件。

4 碳纖維材料測試、缺陷分析及控制方法

根據(jù)鋪層設計優(yōu)化結(jié)果，采用不同成型工藝，制備了碳纖維復合材料。隨后，對制備的材料分別進行了力學性能測試及缺陷分析。采用真空導入成型工藝制備的頭罩材料測試結(jié)果表2～表3所示?？梢钥闯觯^罩材料未開孔時，抗拉強度為490 MPa，主要破壞位置位于材料中部，失效形式為邊緣分層；開孔后材料抗拉強度下降約19.6%，失效形式為橫向斷裂。這主要是由于碳纖材料材料開孔后，在孔邊緣產(chǎn)生應力集中，并且應力迅速沿90°面擴展的結(jié)果。材料在受壓載荷下，強度明顯低于受拉載荷，主要失效形式為軸向斷裂且失效的位置不確定，這主要是由于碳纖維復合材料中樹脂粘結(jié)劑材料填充不均勻?qū)е隆?/p>

表2 頭罩碳纖維復合材料拉伸強度測試結(jié)果

注：DGM(失效形式D(邊緣分層)，失效區(qū)域G(工作段)，失效位置M(中部)) LGM(失效形式L(橫向)，失效區(qū)域G(工作段)，失效位置M(中部))

表3 頭罩碳纖維復合材料壓縮、剪切強度測試結(jié)果

注：SGV(失效形式S(軸向劈裂)，失效區(qū)域G(工作段)，失效位置V(多種))

采用預浸料真空袋壓高溫固化成型工藝制備的骨架碳纖維復合材料，其測試結(jié)果如表4～表5所示?？梢钥闯霾捎么斯に嚦尚偷牟牧?，力學性能明顯優(yōu)于采用樹脂真空導入成型工藝制備的頭罩材料，其抗拉強度達910 MPa，開孔材料強度也高于頭罩材料。這主要是由于采用高溫固化成型過程中，粘結(jié)劑與碳纖維更好的界面結(jié)合，材料中孔隙率小于樹脂真空導入成型工藝制備的頭罩材料[8]，因此，力學性能顯著提高。真空袋壓高溫固化成型工藝制備的骨架碳纖維復合材料其主要失效形式為爆炸式斷裂，這主要是由于材料失效是以90°鋪層的基體拉伸失效和0°鋪層纖維拉伸失效起始[9]；隨載荷的增加纖維拉伸失效區(qū)域和基體拉伸失效區(qū)域不斷擴展，并逐漸發(fā)生拉伸分層失效和基體剪切失效；最終顯現(xiàn)出爆炸斷裂的形式。

表4 車頭骨架碳纖維復合材料拉伸強度測試結(jié)果

注：XGM(失效形式X(爆炸)，失效區(qū)域G(工作段)，失效位置M(中部))

LGM(失效形式L(橫向)，失效區(qū)域G(工作段)，失效位置M(中部))

表5 車頭骨架碳纖維復合材料壓縮、剪切強度測試結(jié)果

注：HAT(失效形式H(剪壞)，失效區(qū)域A(夾持端)，失效位置T(端部))

BGM(失效形式B(爆炸)，失效區(qū)域G(工作段)，失效位置M(中部))

復合材料的孔隙率會直接影響材料的機械性能。造成材料孔隙率高的主要原因為：由于存在較高含量的揮發(fā)物、殘留的部分小分子物質(zhì)，樹脂黏度大、流動性差等原因，樹脂與纖維的浸潤性較差，復合材料在拐角處，往往出現(xiàn)貧樹脂現(xiàn)象，不能填充較好。復合材料孔隙率增高，會嚴重降低復合材料的力學性能。降低復合材料孔隙率，首先要嚴格選材，按規(guī)范驗收纖維、樹脂、固化劑、脫模劑、膠衣等其他輔助材料，其次是控制生產(chǎn)過程中的樹脂與纖維的結(jié)合狀態(tài)，嚴格按照樹脂規(guī)定的溫度、適度、固化時間進行工藝控制，可制作樣件通過超聲波檢測，滿足要求后，再進行成品的制作。

根據(jù)以上分析，在進行設計產(chǎn)品時，應盡可能減小開孔面積，并在生產(chǎn)過程中嚴格控制孔隙率，確保產(chǎn)品滿足設計要求。

5 碳纖維的連接方式

碳纖維常用的連接方式有機械連接、膠接以及混合連接等。項目中采用的是混合連接，即機械連接與膠接混合設計。

(1)螺栓連接

螺栓連接主要是采用緊固件將兩個碳纖維料件連接在一起，可設計成有一定調(diào)節(jié)量的、可以重復拆解的連接方式。安裝過程中，出現(xiàn)變形以及因公差累計的超差等現(xiàn)象時，可根據(jù)裝配要求，選擇螺栓孔的方向。因為碳纖維復合材料塑性較差，會造成多排緊固件連接載荷分布不均勻的問題，因此，采用緊固件連接形式時，應盡可能選用不多于兩排的緊固件，緊固件盡可能選用平行排列，避免交錯排列，以提高強度[9]。

圖1為螺栓連接方案。為保證順利安裝，碳纖維零件上設計長圓孔進行調(diào)整，以滿足裝配需求。與車體結(jié)構進行連接時，采用8.8級的M20螺栓。

圖1 螺栓連接方案

(2)膠接

膠接是碳纖維復合材料常用的一種連接方式，通過粘結(jié)劑將兩個碳纖維零件連接在一起。膠接設計遵循的原則是：膠層需在最大強度方向受剪力，盡量避免膠層在法向受力，發(fā)生剝離失效。采用膠接，可避免因開孔而導致的應力集中及產(chǎn)生較好的氣密性，除與外部有接口處外，其余零件之間，均采用膠接方式進行連接，圖2為典型的膠接結(jié)構。

6 車頭碳纖維材料鋪層設計優(yōu)化及靜強度校核

由于車頭承受靜載荷較大，也有較高的減重需求，采用局部補強增厚措施對車頭蒙皮、車頭上部骨架、司機室前擋板以及立柱處進行鋪層局部補強。

(1)靜載荷工況強度校核

為進一步確認采用碳纖維設計的頭罩是否滿足車輛使用要求，利用HyperMesh軟件與Ansys 軟件，基于TB 1335-96 標準、BS EN 12663-1 2010 標準和IIW-1823-07/XIII-2151r4-07/ XV-1254r4-07標準，對給定的車頭總體數(shù)據(jù)結(jié)合鋁合金車體結(jié)構進行了車輛標準要求的22種工況條件下的靜強度分析。

圖2 典型膠接結(jié)構

(2)碳纖維司機室及鋁合金車體有限元模型

建立車體有限元模型時，凡是對車輛整體剛度及局部強度有貢獻的結(jié)構，都予以考慮。為了計算的準確性，碳纖維司機室模型構成以任意4節(jié)點薄殼單元為主，3節(jié)點薄殼單元為輔。碳纖維司機室及鋁合金車體有限元模型中單元總數(shù)為2 474 855，結(jié)點總數(shù)為2 210 578。

(3)靜強度失效分析

車頭強度判定標準：所有工況作用下，碳纖維司機室各部件的蔡-吳失效因子必須小于1。

根據(jù)車輛設計要求，對22種工況條件進行了分析。具體工況及結(jié)果如表6所示?？梢钥闯?，采用碳纖維材料設計的城市軌道車輛車頭，能夠滿足所有22種工況條件下的車輛設計要求，蔡-吳失效因子均小于1。在工況9(AW0+一位端部壓縮窗臺高度處300 kN)和工況15(車鉤復軌一位端抬起)條件下，司機室前端骨架立柱和立板處，設計安全系數(shù)相對較低。

工況9模擬車輛發(fā)生碰撞時的工況，要求在車鉤及防爬器完全吸能后，車頭結(jié)構仍能承受載荷，保護司機安全。圖3為工況9具體載荷邊界條件。圖4～圖7分別為工況9條件下，車頭蔡-吳失效因子云圖、第1主應變云圖、第3主應變云圖和剪切應變云圖?？梢钥闯觯诖斯r條件下，司機室前端擋板和前端骨架立柱處出現(xiàn)應力集中，從圖5、圖6放大圖中可以看出，前端擋板最大應變值為0.002 45，前端骨架立柱最大應變值為0.000 144。圖7顯示剪切應變云圖最大值為0.002 12，結(jié)合圖4蔡-吳失效因子為0.87<1，可得出結(jié)論：車頭設計滿足該工況要求。

表6 不同工況條件下車頭失效分析結(jié)果

圖3 計算工況9載荷邊界條件注：加載面積1 600×96 mm2，加載位置中心距地板上表面高度590 mm

圖4 工況9失效因子云圖

圖5 工況9第1主應變云圖

圖6 工況9第3主應變云圖

工況15模擬車輛一位端脫軌，車鉤座復軌工況。圖8為此工況條件下載荷邊界條件設置。圖9～圖12分別為工況15條件下，車頭蔡-吳失效因子云圖、第1主應變云圖、第3主應變云圖和剪切應變云圖?？梢钥闯?，在此工況條件下，司機室蒙皮燈角處出現(xiàn)應力集中。其中最大主應變?yōu)?.002 44，最大剪切應變值為0.003 83。此工況條件下，車頭蔡-吳失效因子為0.87<1，因此，車頭設計能夠滿足該工況要求。

圖7 工況9剪切應變云圖

圖8 計算工況15載荷邊界條件

圖9 工況15失效因子云圖

由于其余工況條件下，計算的蔡吳失效因子值均小于1，且最大應力、應變值均較小，能夠滿足設計要求，不進行贅述。通過以上分析可知，采用碳纖維材料設計和制造市域軌道車輛車頭頭罩、骨架，方案可行，能夠滿足車輛設計要求。

圖10 工況15第1主應變云圖

圖11 工況15第3主應變云圖

圖12 工況15剪切應變云圖

7 結(jié) 論

以市域軌道車輛車頭頭罩、骨架為載體，對車頭用碳纖維復合材料鋪層設計與優(yōu)化、材料成型工藝等方面進行了研究，并對設計完成的頭罩產(chǎn)品進行了仿真分析。研究及分析結(jié)果表明：

(1) 采用碳纖維復合材料設計制造城軌車輛車頭頭罩及骨架，方案可行，可實現(xiàn)減重30%。

(2) 采用樹脂真空導入成型工藝制備的碳纖維復合材料性能低于采用預浸料真空袋壓高溫固化成型工藝制備的復合材料，適合用于承載較小的車身覆蓋件，其主要失效形式為分層斷裂，在有螺栓孔的位置，主要失效形式為橫向斷裂；

(3) 采用預浸料真空袋壓高溫固化成型工藝制備的碳纖維復合材料，具有較好的力學性能，適用于承載較大的車身結(jié)構件，其主要失效形式為爆炸斷裂，在有螺栓孔的位置，主要失效形式為橫向斷裂。