王明舉，李博，周偉旭，徐博雅，李天亮

(中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司 國(guó)家軌道客車(chē)工程研究中心，吉林 長(zhǎng)春 130062)*

隨著軌道交通運(yùn)輸行業(yè)對(duì)軌道客車(chē)的安全性、舒適性、綠色節(jié)能性提出了新的要求，碳纖維復(fù)合材料作為一種新型替代材料逐漸引起了世界各國(guó)的重視［1］.碳纖維復(fù)合材料可應(yīng)用在車(chē)輛工程、精密制造、航天航海等高科技領(lǐng)域，還可用在大型機(jī)械、醫(yī)療設(shè)備、生物工程等方面［2］.

現(xiàn)如今，金屬材料制造的傳統(tǒng)鋁合金車(chē)體存在應(yīng)力腐蝕、外表處理困難、焊接要求高、疲勞強(qiáng)度低的問(wèn)題;不銹鋼車(chē)體存在封閉性、局部屈曲、焊接變形等問(wèn)題;碳鋼車(chē)體存在易腐蝕、不利于輕量化、焊接變形大等問(wèn)題.顯然，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)、材料應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的技術(shù)方案顯得不夠豐富，技術(shù)難度大，無(wú)法滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)列車(chē)綜合性能的要求.隨著世界高速列車(chē)譜系的不斷完善，用戶(hù)對(duì)個(gè)性化訂制的需求逐步成熟，并呈現(xiàn)多樣性發(fā)展趨勢(shì)［3-5］.

新材料、新設(shè)計(jì)、新制造技術(shù)是軌道列車(chē)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］.車(chē)頂是車(chē)體結(jié)構(gòu)的重要組成部分，不但要承受或傳遞作用于車(chē)體本身的各種載荷外，還要承擔(dān)各大設(shè)備的生根、連接作用.為了充分利用碳纖維材料的優(yōu)良特性，重新設(shè)計(jì)了車(chē)頂?shù)耐庑纬叽?，?nèi)部鋪層結(jié)構(gòu)，在減重的同時(shí)達(dá)到了金屬制品同樣的性能.

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為保證整體的車(chē)輛承載能力，碳纖維復(fù)合材料車(chē)體各部件設(shè)計(jì)時(shí)主要采用碳纖維-芯層結(jié)構(gòu)(類(lèi)似于三明治結(jié)構(gòu))，碳纖維-芯層結(jié)構(gòu)主要由兩層碳纖維蒙皮中間加入泡沫或蜂窩夾芯組成［7］，如圖1所示.車(chē)頂主結(jié)構(gòu)由方向不同的碳纖維預(yù)浸料和結(jié)構(gòu)芯材構(gòu)成，不同方向碳纖維材料性能、芯材材料性能如表1所示.纖維的方向性應(yīng)被合理地使用以避免纖維中斷和端接，最大限度地利用纖維復(fù)合材料的方向性以及保持結(jié)構(gòu)中傳遞路徑的連續(xù)性［8-10］.利用不同的鋪層層數(shù)、鋪層方向?qū)崿F(xiàn)力的傳遞和分散.在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證過(guò)程中，鋪層方式及方法可以得到以下經(jīng)驗(yàn)值.為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和應(yīng)力計(jì)算，本文使用0°、+45°、-45°、135°、90°代表纖維的方向，本文設(shè)定0°是主承力方向，如圖2所示.

圖1 復(fù)合材料車(chē)頂外形結(jié)構(gòu)

表1 阻力系數(shù)對(duì)比

圖2 纖維方向

設(shè)計(jì)過(guò)程中同時(shí)考慮了裝配過(guò)程出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力，在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的時(shí)候多采用對(duì)稱(chēng)鋪層和平衡鋪層，避免了結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力影響整車(chē)性能.

總結(jié)設(shè)計(jì)過(guò)程，碳纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)需要遵守如下準(zhǔn)則:

(1)一般情況下，不同角度纖維所占比例為0°，最大 45°，其次 90°;

(2)為了對(duì)抗受力變形的影響，在4個(gè)不同方向上要有纖維;

(3)模塊化鋪層:為了減少層間微裂紋，應(yīng)該限制同一方向上的鋪層數(shù).

(4)局部結(jié)構(gòu)可以全部使用±45°的鋪層.

2 計(jì)算結(jié)果分析

車(chē)頂材料由金屬優(yōu)化為復(fù)合材料后，本文對(duì)相關(guān)部件進(jìn)行了有限元仿真計(jì)算.計(jì)算結(jié)果如表2所示.表中所比較數(shù)值為安全系數(shù)，安全系數(shù)為許用應(yīng)力與計(jì)算應(yīng)力的比值.

從表2可以看出，不同工況下碳纖維車(chē)體的安全系數(shù)要大于金屬車(chē)體.壓縮工況中碳纖維車(chē)體安全系數(shù)低于金屬車(chē)體，這說(shuō)明碳纖維復(fù)合材料的各向異性，即在垂向方向上受力較差.但是安全系數(shù)仍然大于1，滿(mǎn)足相關(guān)要求.

根據(jù)典型工況即1.3AW3工況，將車(chē)頂部件在金屬車(chē)體與碳纖維車(chē)體之間的受力情況進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示.

表2 安全系數(shù)對(duì)比

圖3 金屬車(chē)體受力分析

從整車(chē)受力圖中可以看出，金屬車(chē)體的受力最大點(diǎn)在底架承載縱梁處，在轉(zhuǎn)向架范圍內(nèi)的底架區(qū)域受力較大，碳纖維車(chē)體的受力最大點(diǎn)在客室底架座椅尖點(diǎn)處.本文可以看到底架座椅與地板交界處受力較大，窗口下沿受力較大，這些趨勢(shì)與鋼車(chē)也有相似之處.從整車(chē)趨勢(shì)上分析，鋼車(chē)頭車(chē)車(chē)頂靠近二位端主橫梁應(yīng)力較集中，中間車(chē)車(chē)頂邊梁與主橫梁交界處應(yīng)力較大，意味著在此工況下車(chē)頂鋼結(jié)構(gòu)受力不是十分均勻，有一定的優(yōu)化空間.碳纖維復(fù)合材料車(chē)頂對(duì)力的傳遞情況優(yōu)異，整個(gè)車(chē)頂受力較均勻且沒(méi)有應(yīng)力集中點(diǎn)，證明在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中沒(méi)有鋪層的急劇變化導(dǎo)致應(yīng)力集中點(diǎn)的出現(xiàn)，體現(xiàn)了車(chē)頂在設(shè)計(jì)過(guò)程中的成功之處，這也成功驗(yàn)證了碳纖維復(fù)合材料確實(shí)可以應(yīng)用在軌道車(chē)輛領(lǐng)域.

3 質(zhì)量評(píng)價(jià)

在碳纖維復(fù)合材料車(chē)體制件質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí)，運(yùn)用以下三種方法:

(1)接觸式脈沖反射法.采用接觸方式，根據(jù)超聲波在材料中傳播時(shí)遇到不連續(xù)性所產(chǎn)生的反射回波和材料底面產(chǎn)生的回波檢查缺陷并進(jìn)行評(píng)定;

(2)噴水式脈沖穿透法.采用噴水耦合的方式，根據(jù)超聲波穿透材料后的幅度變化檢查缺陷或評(píng)定材料材質(zhì);

(3)水浸式脈沖反射板法.采用水浸耦合方式，根據(jù)超聲波穿透材料后從反射板反射的回波幅度變化檢查缺陷評(píng)定材質(zhì).

缺陷判定方法如圖4所示.

圖4 缺陷尺寸定義

圖4 中陰影部分表示缺陷區(qū)域.y是橫向最大投影寬度;x是垂直于y方向的缺陷投影長(zhǎng)度.(x+y)=2z.分層缺陷分區(qū)等級(jí)如表3所示.

表3 分層缺陷分區(qū)等級(jí)比

等級(jí)A為關(guān)鍵主承載部件，在受力的關(guān)鍵部件中不允許缺陷的存在.這對(duì)于鋪層設(shè)計(jì)的合理性、生產(chǎn)輔助設(shè)備、操作者技能都提出了很高的要求.

等級(jí)B為重要主承載部件.在需要特別注意的承載部件區(qū)域范圍內(nèi)允許一定尺寸的缺陷.對(duì)于這種缺陷一般需要記錄存檔，并在后續(xù)的實(shí)際運(yùn)營(yíng)與車(chē)輛檢修時(shí)重點(diǎn)關(guān)注，關(guān)注缺陷是否存在擴(kuò)大的跡象.

等級(jí)C為一般主承載部件.在仿真分析和實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中受力不大的區(qū)域允許存在缺陷.一般在后續(xù)車(chē)輛運(yùn)營(yíng)過(guò)程中不做特殊關(guān)注.

4 結(jié)論

通過(guò)上述研究分析可以得出以下結(jié)論:

(1)為了防止裝配過(guò)程出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力，本文在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的時(shí)候爭(zhēng)取多采用對(duì)稱(chēng)鋪層和平衡鋪層.在設(shè)計(jì)內(nèi)部鋪層結(jié)構(gòu)時(shí)有一些設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，用來(lái)避免應(yīng)力集中及分層.這些準(zhǔn)則都是從實(shí)際試驗(yàn)中得到的;

(2)不同工況下碳纖維車(chē)體的安全系數(shù)要大于金屬車(chē)體.壓縮工況中碳纖維車(chē)體安全系數(shù)低一些，這說(shuō)明碳纖維復(fù)合材料的各向異性，即在垂向方向上受力較差.總體來(lái)說(shuō)，從列車(chē)減重、運(yùn)營(yíng)安全、乘客體驗(yàn)等方面碳纖維復(fù)合材料車(chē)體均具有一定的優(yōu)越性.碳纖維復(fù)合材料車(chē)頂對(duì)力的傳遞情況優(yōu)異，整個(gè)車(chē)頂受力較均勻且沒(méi)有應(yīng)力集中點(diǎn)，證明在鋪層設(shè)計(jì)中避開(kāi)鋪層激變，沿力的傳遞方向設(shè)計(jì)鋪層的方法是可行的;

(3)質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí)根據(jù)受力情況的不同區(qū)分ABC不同等級(jí)的缺陷.在后續(xù)列車(chē)運(yùn)營(yíng)檢修時(shí)密切關(guān)注這些缺陷看其是否發(fā)展擴(kuò)大.