許鵬，許睿

(中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心，吉林 長春 130062)*

在復(fù)合材料發(fā)展的進(jìn)程中，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn).自玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料問世以來，碳纖維、陶瓷纖維以及硼纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料相繼研制成功，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的性能不斷得到改進(jìn)，復(fù)合材料領(lǐng)域呈現(xiàn)出一派勃勃生機(jī).

由于具有優(yōu)異的各項(xiàng)性能，碳纖維復(fù)合材料不僅可以應(yīng)用在大型機(jī)械、醫(yī)療設(shè)備、生物工程等方面，還可應(yīng)用在車輛工程、精密制造、航天航海等高科技領(lǐng)域［1］.

高速鐵路時(shí)代，傳統(tǒng)金屬材料制造的車體部件存在應(yīng)力腐蝕、外表處理困難、焊接要求高、疲勞強(qiáng)度低、局部屈曲、焊接變形、不利于輕量化等問題［2-4］.為提高輕量化水平，高速列車在部件和設(shè)備上開始大量應(yīng)用了復(fù)合材料，在保證部件安全性能提高的同時(shí)，也達(dá)到了減重的效果［5］.

碳纖維材料具有比強(qiáng)度和比剛度高、耐腐蝕、抗疲勞、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、易于整體成型等特點(diǎn).采用碳纖維材料的車體不僅輕量化程度明顯，而且能提高乘坐舒適度，降低運(yùn)用成本和維護(hù)成本.目前，碳纖維等新型復(fù)合材料及其工藝成型技術(shù)已日趨成熟，越來越多的應(yīng)用到軌道客車產(chǎn)品中.

1 碳纖維復(fù)合材料

1.1 碳纖維材料組成

新材料、新設(shè)計(jì)、新制造技術(shù)是軌道列車輕量化的主要途徑，具體體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、采用復(fù)合材料、采用輕金屬材料［6］.碳纖維車頭材料是以PET泡沫作為芯材，兩側(cè)由碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料包夾的三明治結(jié)構(gòu)，如圖1所示［7］.其中，兩側(cè)的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是由通過預(yù)浸成型工藝，經(jīng)加熱熔融的樹脂預(yù)浸漬碳纖維制成的預(yù)浸料加熱固化而成，具有碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的良好力學(xué)性能，主要起到承載作用.PET泡沫芯材具有良好的隔聲性、隔熱性及剛度.碳纖維車頭是在模具中先鋪放預(yù)浸料，然后鋪放芯材，再鋪放預(yù)浸料，最終經(jīng)過加熱固化成型的［8-10］.

圖1 碳纖維材料特性

1.2 碳纖維材料特性

碳纖維車頭材料由碳纖維、樹脂基體及芯材構(gòu)成，兼具三者的優(yōu)異性能，其特性主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)輕量化、舒適度高、降低維護(hù)成本和提高產(chǎn)品靈活性等方面，如圖2所示.

在碳纖維車頭材料中:碳纖維具有耐高溫、耐摩擦、耐腐蝕及重量輕等特性，但其表面活性基團(tuán)少，表現(xiàn)為化學(xué)惰性強(qiáng)，所以在與樹脂基體復(fù)合前，通過改性處理增加了碳纖維表面活性基團(tuán)的數(shù)量，增強(qiáng)了碳纖維的界面黏合力;選用的樹脂基體具有良好的加工性能、力學(xué)性能及粘結(jié)性能，通過預(yù)浸漬的方式，本就具備良好粘接性能的樹脂，能夠?qū)⒔?jīng)過改性的碳纖維牢固的粘接在一起;最終所得到的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料體系中，纖維與樹脂的界面黏合力較強(qiáng)，宏觀表現(xiàn)為各項(xiàng)優(yōu)異的性能.碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3 500 MPa以上，是鋼的7～9倍，抗拉彈性模量為23 000～43 000 MPa，亦高于鋼，疲勞強(qiáng)度約為鋼的2.5倍、鋁的3.3倍，除了力學(xué)性能外，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料還具有良好的耐熱性、耐腐蝕性及耐磨性等優(yōu)異性能.

圖2 碳纖維材料性能

PET泡沫芯材具有重量輕、隔聲性能好、隔熱性能好及剛度好等優(yōu)點(diǎn)，在保證輕量化的前提下，在碳纖維車頭材料中還能起到一定的支撐作用，將兩側(cè)的纖維增強(qiáng)表皮連接在一起，構(gòu)成牢靠穩(wěn)固的體系.

2 碳纖維車頭結(jié)構(gòu)

2.1 碳纖維車頭結(jié)構(gòu)

在列車高速行駛的時(shí)候動(dòng)力學(xué)前端所受到的阻力很大，約占列車運(yùn)行總阻力的50%.因此優(yōu)化軌道列車動(dòng)力學(xué)前端的結(jié)構(gòu)可以降低能耗，提高列車運(yùn)行的穩(wěn)定性.碳纖維復(fù)合材料制造的軌道列車動(dòng)力學(xué)前端可以承受很大的正負(fù)壓，強(qiáng)度和剛度都可以滿足列車的運(yùn)行要求.英國使用碳纖維復(fù)合材料制造的動(dòng)力學(xué)前端比傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)輕30% ～35%.同時(shí)這種機(jī)車動(dòng)力學(xué)前端具有很強(qiáng)的抗沖擊能力，能承受一個(gè)0.9 kg的立方體鋼塊以350 m/h的速度對(duì)其的沖擊，這種材料重量輕、強(qiáng)度高、阻燃性好，代表著未來車體制造的發(fā)展趨勢.

蒙皮材料使用HFW160P、HFW200T碳纖維織物、EW210玻璃纖維織物、PET泡沫芯材以及EL305液體阻燃樹脂.阻燃芳綸紙蜂窩與阻燃膠膜的制備如圖3和圖4所示.

圖3 碳纖維車頭蒙皮

圖4 碳纖維車頭分塊

400 km/h車頭部分為復(fù)合材料，復(fù)材與整體鋁合金底板/邊梁、后端框螺栓連接.結(jié)構(gòu)形式采用整體蜂窩夾層、縱向筋/環(huán)向框加強(qiáng)的罩體結(jié)構(gòu).窗口處采用復(fù)合材料邊框結(jié)構(gòu)嵌在整體夾層結(jié)構(gòu)中.增強(qiáng)體采用碳纖維、玻璃纖維混搭的方式，局部采用芳綸纖維，樹脂選用阻燃樹脂.具體接口連接方案見圖5.

圖5 接口連接方案

由碳纖維復(fù)合材料編制成的碳纖維布具有碳纖維復(fù)合材料的全部優(yōu)異性能，碳纖維復(fù)合材料車頭蒙皮的鋪層信息說明見表1.蒙皮從外表面向內(nèi)表面的方向鋪層，車頭蒙皮鋪層均以車輛運(yùn)行方向(X軸)為參考方向，蒙皮鋪層采用不同厚度的碳纖維雙軸布和碳纖維四軸布，碳纖維雙軸布是由碳纖維束在經(jīng)、緯兩個(gè)方向上編制而成，能夠承受雙向的拉力;碳纖維四軸布是由碳纖維束在經(jīng)、緯、正45°及負(fù)45°四個(gè)方向上編制而成，能夠承受四個(gè)方向的拉力，二者都具有力學(xué)性能好、不受原結(jié)構(gòu)形狀限制及能很好的貼合復(fù)雜形狀構(gòu)建的表面的特點(diǎn)，適合應(yīng)用在具有流線曲面造型的車頭蒙皮上，并且能夠保證蒙皮具有良好的力學(xué)性能.

表1 車頭蒙皮鋪層信息說明

碳纖維復(fù)合材料車頭骨架的鋪層信息說明見表2.骨架鋪層角以骨架長度方向?yàn)閰⒖挤较?，由于骨架與蒙皮相比，結(jié)構(gòu)規(guī)則，沒有明顯的曲線造型，在保證強(qiáng)度的前提下，考慮到成本因素，骨架鋪層主要采用不同厚度的RC410雙軸布和UC300單軸布，其中UC300單軸布按照90°與0°方向布置，其結(jié)構(gòu)相當(dāng)于延經(jīng)、緯編制的雙軸布，也能夠避免單向布只在一個(gè)方向上受力的缺點(diǎn)，保證骨架鋪層具有較高的力學(xué)性能.

表2 車頭骨架鋪層信息說明

2.2 碳纖維車頭強(qiáng)度分析

2.2.1 有限元模型

碳纖維車頭模型構(gòu)成以任意四節(jié)點(diǎn)薄殼單元為主，三節(jié)點(diǎn)薄殼單元為輔，薄殼單元采用shell181，車頭蒙皮鋪層以車輛運(yùn)行方向?yàn)閰⒖挤较颍?層為主，局部鋪層為16層(含一層粘膠);骨架鋪層以骨架長度方向?yàn)閰⒖挤较颍?0層為主，局部采用21層(含一層粘膠);對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型中共25 278個(gè)節(jié)點(diǎn)和24847個(gè)單元.

2.2.2 載荷施加及側(cè)向應(yīng)力分析

(1)靜載荷.對(duì)車頭前窗下結(jié)構(gòu)施加30 t的面壓力載荷.如圖6可見，最大位移值為9.62 mm，位于車頭與車體接縫處的窗口附近.

圖6 有限元模型靜壓位移分布圖

(2)疲勞載荷.車頭前端部承受列車以440km/h速度雙向運(yùn)行且壓力為7 850 Pa時(shí)產(chǎn)生的空氣動(dòng)力學(xué)壓力和湍流.即車頭前端承受循環(huán)載荷(疲勞):施加的1.0E+7次的±7 850 Pa載荷.車頭前窗和側(cè)窗開口在氣動(dòng)載荷作用下，最遠(yuǎn)點(diǎn)之間的擋風(fēng)玻璃開口的法向最大變形不應(yīng)超過2mm，并且不對(duì)稱值不應(yīng)該超過±1.5 mm.應(yīng)力云圖如圖7所示.

圖7 車頭結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

計(jì)算出車頭內(nèi)和車頭外載荷的最小層壓邊界.在固體層壓板區(qū)域，采用容許量為8%的孔隙率，計(jì)算了層壓板的安全系數(shù).表3和表4描述了在孔隙率為8%的情況下，使用容許量的安全系數(shù).

表3 車頭蒙皮側(cè)應(yīng)力容許安全系數(shù)

表4 骨架側(cè)應(yīng)力容許安全系數(shù)

3 結(jié)論

通過上述研究分析可以得出以下結(jié)論:

(1)通過有限元分析，可以看出復(fù)合材料制成的車頭蒙皮與車頭骨架，具有良好的力學(xué)性能，在車體受力時(shí)，應(yīng)力分布均勻，沒有應(yīng)力過分集中的部位，證明碳纖維復(fù)合材料制成的車體結(jié)構(gòu)具有可靠的強(qiáng)度，在實(shí)際運(yùn)行中，能夠有效的保障司乘人員的安全;

(2)為了保證碳纖維復(fù)合材料制成的車體具有良好的力學(xué)性能，碳纖維布在鋪設(shè)的時(shí)候應(yīng)該采用多向鋪層的方式，避免采用單一方向鋪層而出現(xiàn)車體僅在該方向上能夠承受較大的力，在受其他方向的力時(shí)很容易被破壞的問題;

(3)碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用在軌道客車結(jié)構(gòu)上，能夠憑借其具有的多項(xiàng)優(yōu)異性能，在保證車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，能夠提高車輛輕量化水平，解決傳統(tǒng)金屬車體的耐腐蝕性差、焊接變形、表面處理困難等問題.