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        高速磁浮列車復(fù)材橫梁組成結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

        2020-12-18 04:15:07劉鵬袁雨青虞大聯(lián)孫玉璽薛健康
        現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè) 2020年36期
        關(guān)鍵詞:碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計

        劉鵬 袁雨青 虞大聯(lián) 孫玉璽 薛健康

        摘?要:高速磁浮列車橫梁組成首次采用碳纖維復(fù)合材料設(shè)計,以期在降低橫梁組成結(jié)構(gòu)重量的同時,提高橫梁組成的整體性能。本文研究了復(fù)材橫梁組成的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、仿真驗(yàn)證及制造工藝,同時闡述了研發(fā)過程中產(chǎn)生的關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)。復(fù)材橫梁組成滿足時速600公里高速磁浮列車的運(yùn)營載荷要求。

        關(guān)鍵詞:高速磁浮;橫梁組成;碳纖維復(fù)合材料;結(jié)構(gòu)設(shè)計

        中圖分類號:TB?????文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A??????doi:10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.36.067

        0?引言

        高速磁浮列車橫梁組成作為磁浮車輛的主要承力構(gòu)件之一,結(jié)構(gòu)承載形式、載荷工況都比較復(fù)雜。目前國內(nèi)外磁懸浮走行機(jī)構(gòu)橫梁組成全部采用鋁合金材質(zhì),橫梁為擠壓鋁型材,橫梁連接件為鋁合金鑄件,各零件之間通過鉚接工藝組裝。為滿足時速600km的載荷要求,有必要研制新的復(fù)合材料橫梁組成。碳纖維復(fù)合材料具有比強(qiáng)度比模量高、可設(shè)計性強(qiáng)、疲勞性能好等優(yōu)勢,在航空航天、軌道交通領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

        高速磁浮列車橫梁組成首次采用碳纖維復(fù)合材料設(shè)計,結(jié)合復(fù)合材料成型工藝特點(diǎn),充分發(fā)揮復(fù)合材料自身優(yōu)勢,以期在降低橫梁組成結(jié)構(gòu)重量的同時,提高橫梁組成的力學(xué)性能、疲勞可靠性。本文詳細(xì)介紹了復(fù)材橫梁組成的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、鋪層設(shè)計、仿真認(rèn)證以及制造工藝等內(nèi)容,突出了設(shè)計過程中的關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)。

        1?結(jié)構(gòu)設(shè)計Structure Design

        橫梁組成安裝于高速磁浮列車夾層內(nèi),用于安裝縱梁組成、搖枕、空簧安裝梁、托臂等部件,并和托臂一起通過電磁鐵為列車提供懸浮力、導(dǎo)向力和制動/牽引力。根據(jù)橫梁組成的結(jié)構(gòu)尺寸要求,橫梁組成長3350mm、寬1000mm、高250mm,由兩根橫梁和兩件搖枕支架組成,如圖1所示。

        1.1?復(fù)合材料橫梁Composite Crossbeam

        復(fù)合材料橫梁為矩形外框加筋結(jié)構(gòu),在外框內(nèi)部布置斜筋,并按載荷情況在斜筋局部區(qū)域增加鋪層以滿足橫梁組成各載荷工況要求。

        根據(jù)橫梁組成受力特點(diǎn),復(fù)合材料橫梁為主要承力構(gòu)件,為保證其承載能力與內(nèi)部質(zhì)量,橫梁矩形外框與斜筋均采用熱壓罐工藝成型。斜筋與外框分別單獨(dú)成型后,采用AW106/HV953結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行膠接,并在端部和中部受力復(fù)雜部位增加鉚釘連接防止脫粘,同時為了保證膠接質(zhì)量和精度,將斜筋1和斜筋2分別等分成2部分后再進(jìn)行膠接裝配,復(fù)合材料橫梁結(jié)構(gòu)如圖2所示。

        1.2?鋪層設(shè)計Laminate Design

        復(fù)合材料橫梁外框整體厚度7mm,采用碳纖維織物預(yù)浸料EM119/HFW200T/42鋪貼成型,0°/±45°/90°鋪層的比例為25/50/25,具體鋪層方案為[(±45)/(0,90)/(±45)/(0,90)]4S,鋪層示意如圖3所示。

        復(fù)合材料橫梁斜筋整體厚度3mm,采用碳纖維織物預(yù)浸料EM119/HFW200T/42和單向預(yù)浸料EM119/HFW150U-A12/40混合鋪層,并在局部區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng),端部厚度為3.5mm,搖枕支架之間區(qū)域局部厚度為4mm,詳細(xì)鋪層信息如表1所示。

        1.3?接口設(shè)計

        橫梁組成與各零部件的接口通過設(shè)置螺栓座的形式實(shí)現(xiàn),為了保證復(fù)合材料橫梁具有良好的受力狀態(tài),首先將螺栓座與金屬內(nèi)襯鉚接為一個整體,然后與橫梁鉚接裝配。其中,托臂安裝位置受力較大、載荷復(fù)雜,為提高橫梁的局部剛度和承載能力,在橫梁端部增加U型連接件,如圖4所示。

        2?仿真驗(yàn)證

        2.1?有限元計算模型

        懸浮架橫梁組成有限元計算模型采用MSC Patran/Nastran軟件建立。橫梁組成、縱梁、托臂、空簧支架及縱橫梁連接座主要采用殼單元(CQUAD4和CTRIA3)模擬,搖枕支架和螺栓座等采用實(shí)體單元模擬(CHEXA、CPENTA和CTETRA),鉚釘和螺栓采用緊固件單元(CFAST及CBUSH)模擬。

        2.2?材料許用值

        橫梁組成采用損傷容限設(shè)計,進(jìn)行大的型面上的強(qiáng)度校核時所采用的設(shè)計許用值(應(yīng)變)如表2所示。

        2.3?仿真分析結(jié)果

        橫梁組成中復(fù)材部分各靜強(qiáng)度計算工況下的最小安全系數(shù)為1.04,出現(xiàn)在工況S5BA1下橫梁外框與縱梁連接處,如圖5所示。橫梁組成靜強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。

        橫梁組成中復(fù)材部分各疲勞工況下的最小安全系數(shù)為1.21,出現(xiàn)在工況A12A1下橫梁端部斜筋截止位置,如圖6所示,橫梁組成疲勞強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。

        3?關(guān)鍵技術(shù)

        (1)利用復(fù)合材料的低密度、比強(qiáng)度比模量高等特性進(jìn)行設(shè)計實(shí)現(xiàn)減重目標(biāo)。充分利用復(fù)合材料鋪層的可設(shè)計性,通過合理地選取鋪層角度、鋪層比和鋪層順序,實(shí)現(xiàn)以最小的重量達(dá)到使用要求。另外,復(fù)合材料橫梁組成提高了整個結(jié)構(gòu)的耐久性和疲勞性能,增加結(jié)構(gòu)的使用壽命。單件復(fù)合材料橫梁組成整體減重28.87%,實(shí)現(xiàn)了新一代高速磁浮列車的輕量化要求。

        (2)本文獨(dú)創(chuàng)性采用陽模鋪貼,陰模固化的制備工藝。陽模鋪貼保證鋪貼壓實(shí),鋪層不斷開;陰模固化保證外表面質(zhì)量;采用碳纖維均壓板加airpad柔性均壓板保證內(nèi)部質(zhì)量。

        (3)針對國內(nèi)尚無適用于軌道交通大型承力制件的成熟防火阻燃碳纖維材料體系,本設(shè)計以已有環(huán)氧樹脂體系材料為基礎(chǔ),進(jìn)行配方改良與工藝試驗(yàn),最終開發(fā)滿足軌道交通領(lǐng)域要求的高阻燃系列軌道交通專用材料體系,可滿足EN45545中HL2要求。

        4?結(jié)論

        高速磁浮列車碳纖維復(fù)合材料懸浮架橫梁組成,采用新型碳纖維復(fù)合材料替代傳統(tǒng)鋁合金結(jié)構(gòu),較原金屬結(jié)構(gòu)減重達(dá)30%,各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均達(dá)設(shè)計要求。本研究具有里程碑意義,是碳纖維復(fù)合材料制品作為磁浮列車的主承力結(jié)構(gòu)的首次嘗試,為碳纖制品在軌道交通領(lǐng)域批量生產(chǎn)起到良好的示范作用。

        參考文獻(xiàn)

        [1]劉鵬,袁雨青,張佳衛(wèi),等.高速磁浮列車復(fù)合材料橫梁纖維褶皺問題研究[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè),2020,(9).

        [2]王建軍,田愛琴,段浩偉.高速列車用A7N01P-T4鋁合金板材可焊性研究[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè),2017,(13).

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