宋旭鵬

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島 266111）

1 引言

碳纖維復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、低密度、耐疲勞和可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)良綜合性能，已成為輕量化車體設(shè)計(jì)制造的首選材料[1]。相對(duì)于傳統(tǒng)不銹鋼或鋁合金等金屬材料，碳纖維復(fù)合材料存在電導(dǎo)率低，結(jié)構(gòu)搭接連續(xù)性差等弱點(diǎn)，導(dǎo)致車輛屏蔽接地功能降低，進(jìn)而引起通信紊亂、控制失靈、設(shè)備故障等異常工作狀態(tài)，因此，需要針對(duì)碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用帶來的電磁兼容問題，構(gòu)建一套適合于復(fù)合材料軌道車輛的電磁兼容設(shè)計(jì)方法。

目前，關(guān)于碳纖維復(fù)合材料軌道車輛電磁兼容的研究大多集中在材料級(jí)屏蔽性能提升方面[2]，沒有從車輛結(jié)構(gòu)、電氣系統(tǒng)和運(yùn)營工況等方面對(duì)車內(nèi)磁通密度和對(duì)外電磁輻射等整車電磁兼容技術(shù)進(jìn)行綜合研究，本文將從軌道車輛系統(tǒng)層面，圍繞碳纖維復(fù)合材料電氣特性、電磁仿真和電搭接接地技術(shù)等方面對(duì)整車電磁兼容設(shè)計(jì)展開論述。

2 碳纖維復(fù)合材料電氣特性

碳纖維復(fù)合材料的電磁兼容設(shè)計(jì)應(yīng)立足于材料本身電氣特性參數(shù)的準(zhǔn)確性，根據(jù)式（1）所示的麥克斯韋方程組材料本征關(guān)系對(duì)碳纖維復(fù)合材料的電導(dǎo)率σ、介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ進(jìn)行分析。

式（1）中，J為電流密度；E為電場強(qiáng)度；D為電位移矢量；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；H為磁場強(qiáng)度。

碳纖維復(fù)合材料通常由多層碳纖維預(yù)浸料鋪層后固化而成，如圖1所示。纖維體積含量約50%～60%，采用這種鋪層方式制造的結(jié)構(gòu)件具有良好的可設(shè)計(jì)性，但隨之而來的是由于鋪層的各向異性導(dǎo)致材料電氣性能的各向異性，例如，碳纖維復(fù)合板材厚度方向電導(dǎo)率約1?～102S/m，比斷面方向電導(dǎo)率低2～3個(gè)數(shù)量級(jí)[3]，這是因?yàn)樘祭w維復(fù)合材料在纖維方向電連續(xù)，符合歐姆定律，但從微觀來看，在厚度方向上，纖維層與層之間填充極薄的樹脂薄層，其電導(dǎo)率由電子躍遷的隧道效應(yīng)決定。碳纖維復(fù)合材料不同維度上的電導(dǎo)率差異會(huì)影響屏蔽、靜電釋放和電搭接效果，因此，在進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以重視。

圖1 多層碳纖維復(fù)合材料斷面

與電導(dǎo)率的各向異性類似，碳纖維復(fù)合材料的介電特性同樣具有明顯的各向異性，與各向同性的金屬導(dǎo)體材料表現(xiàn)出完全不同的介電特性。對(duì)于金屬導(dǎo)體材料而言，低頻下其相對(duì)介電常數(shù)不大于10，然而，相關(guān)文獻(xiàn)直接采用金屬介電常數(shù)作為碳纖維復(fù)合材料介電常數(shù)，嚴(yán)格來講，這是不準(zhǔn)確的，雖然纖維方向特性可用金屬近似等效，但由于厚度方向上纖維表面樹脂薄層的存在，其介電性質(zhì)與金屬完全不同，而且與纖維體積含量密切相關(guān)，其理論值通常在103左右。目前，尚沒有關(guān)于碳纖維復(fù)合材料介電常數(shù)精密測量的報(bào)道，筆者建議有條件的科研單位有必要對(duì)碳纖維復(fù)合材料介電特性以及測量方法進(jìn)行深入研究。

對(duì)于純碳纖維復(fù)合材料，其相對(duì)磁導(dǎo)率為1，跟鋁合金或奧氏體不銹鋼基本一致，但復(fù)合材料電導(dǎo)率遠(yuǎn)低于金屬材料，在低頻或較高頻率下，材料反射系數(shù)較小，屏蔽效能仍與金屬材料有較大差距，因此，提升磁導(dǎo)率對(duì)于碳纖維復(fù)合材料改善屏蔽效能具有重要意義。目前，提高碳纖維復(fù)合材料磁導(dǎo)率的主要措施有：纖維表面鍍鎳、功能涂層或鋪敷金屬絲網(wǎng)。需要注意的是，在提高磁導(dǎo)率的同時(shí)，應(yīng)考慮制造成本經(jīng)濟(jì)性和工藝可實(shí)施性，且提升幅度不宜過大，避免功能涂層或高磁導(dǎo)率金屬絲網(wǎng)在強(qiáng)磁場區(qū)域發(fā)生磁飽和。

3 復(fù)合材料車輛電磁仿真技術(shù)

當(dāng)前，碳纖維復(fù)合材料電磁兼容研究熱點(diǎn)主要集中在材料屏蔽效能和仿真技術(shù)等領(lǐng)域，如材料表面功能改性、涂層配方[4]、快速建模技術(shù)[5-6]等。然而，在已知材料電氣特性參數(shù)的前提下，對(duì)于軌道車輛的電磁兼容工程設(shè)計(jì)而言，重點(diǎn)在于復(fù)合材料、連接結(jié)構(gòu)和整車的電磁建模和仿真，主要包括2個(gè)方面：①碳纖維復(fù)合材料薄層材料及部件連接結(jié)構(gòu)的電磁建模；②整車體電磁仿真及其耦合效應(yīng)。

3.1 復(fù)合材料建模

3.1.1 薄層模型

碳纖維復(fù)合材料通常為鋪層結(jié)構(gòu)，幾何上表示為由1個(gè)或多個(gè)層的材料組成的薄面，通過設(shè)置每個(gè)組成層的厚度、旋轉(zhuǎn)角度、材料特性來定義，薄層材料模型如圖2所示。該模型由二維的、無厚度的面組成，將面的實(shí)際厚度作為電參數(shù)（介電常數(shù)、磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率等），由不對(duì)稱分層夾層構(gòu)成的薄層材料只能附著在2?個(gè)不同面的實(shí)體上，必須通過在物體表面的任何一點(diǎn)上加一個(gè)局部坐標(biāo)來區(qū)分物體的各個(gè)面。

圖2 薄層材料模型

3.1.2 接縫模型

整車體由各類部件通過連接結(jié)構(gòu)裝配而成，連接結(jié)構(gòu)導(dǎo)致接縫存在，接縫模型如圖3所示。對(duì)于對(duì)接縫，需設(shè)置厚度和寬度；對(duì)于搭接縫，需要設(shè)置縫隙分段以及搭接寬度。如果縫隙有填充物，還需要設(shè)置填充物的電導(dǎo)率和介電常數(shù)的電氣特性參數(shù)。

圖3 接縫模型

3.1.3 穿孔模型

為提高復(fù)合材料的屏蔽效能，通常需要在鋪層中添加金屬絲網(wǎng)，穿孔材料模型如圖4所示，絲網(wǎng)精簡模型有3種基本穿孔形狀：菱形、圓形和矩形。

圖4 穿孔材料模型

3.2 復(fù)合材料整車仿真技術(shù)

車體材料由金屬材料更換為復(fù)合材料后影響車體內(nèi)部磁通密度、車體響應(yīng)特性及線纜的耦合效應(yīng)等指標(biāo)。

雷擊效應(yīng)工況能夠反映軌道車輛的屏蔽、線束耦合響應(yīng)及車體脈沖響應(yīng)等性能[7]，因此，本文選取典型雷擊工況來說明碳纖維復(fù)合材料軌道車輛的電磁仿真設(shè)計(jì)思路。雷電作為一種大電流的自然放電現(xiàn)象，瞬態(tài)電流幅值高達(dá)100～200?kA，脈沖頻譜寬度是0～10?MHz，頻率分量集中在100?kHz以下。復(fù)合材料車體遭受雷擊大電流時(shí)的表面電流分布如圖5所示，當(dāng)雷電流直接作用于非金屬復(fù)合材料車體時(shí)，在電流注入點(diǎn)以及金屬-非金屬材料搭接面產(chǎn)生局部高熱，發(fā)生燒蝕破壞而導(dǎo)致直接破壞效應(yīng)，同時(shí)，脈沖大電流激勵(lì)會(huì)引起碳纖維復(fù)合材料車體的暫態(tài)響應(yīng)，從脈沖響應(yīng)頻譜可以得到碳纖維復(fù)合材料車體某些特征頻率響應(yīng)特性，有助于分析整車對(duì)外電磁發(fā)射規(guī)律；另一方面，雷電流在泄放過程中，脈沖大電流會(huì)沿著車體-接地系統(tǒng)-線束路徑傳導(dǎo)至各類電氣電子設(shè)備上引起浪涌電流，同時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)脈沖電磁場也會(huì)通過前門/后門耦合到電氣電子設(shè)備上引起浪涌過電壓，從而造成嚴(yán)重干擾車內(nèi)通信系統(tǒng)的間接破壞效應(yīng)。

圖5 復(fù)合材料車體200 kA雷擊效應(yīng)仿真（單位：A/m）

4 復(fù)合材料車輛接地搭接設(shè)計(jì)

4.1 車體接地網(wǎng)設(shè)計(jì)

相對(duì)于金屬車體，碳纖維復(fù)合材料車體結(jié)構(gòu)自身不能作為電氣等電位面，因此，需要額外設(shè)置1套接地網(wǎng)系統(tǒng)用于設(shè)備保護(hù)和電磁兼容（EMC）接地。目前，在交通領(lǐng)域，復(fù)合材料飛機(jī)回流網(wǎng)采用類似接地網(wǎng)技術(shù)，但飛機(jī)運(yùn)營工況與軌道車輛差異明顯：飛機(jī)電氣系統(tǒng)工作均為靜態(tài)工況，功率容量較小，而地鐵牽引、制動(dòng)和惰性動(dòng)態(tài)運(yùn)行條件下，功率容量比飛機(jī)電氣系統(tǒng)大1個(gè)量級(jí)。此外，飛機(jī)電氣系統(tǒng)與外界無電氣耦合，而軌道車輛存在車-地-軌耦合工況，車內(nèi)和車外布置了各類強(qiáng)電弱電設(shè)備，特別是車下安裝大功率牽引逆變?cè)O(shè)備以及鋪設(shè)了電壓等級(jí)不同的各類線束，對(duì)外輻射干擾較大。因此，軌道車輛接地網(wǎng)設(shè)計(jì)既要考慮動(dòng)態(tài)工況下的車-軌道-地的耦合規(guī)律，也要注重保護(hù)接地和EMC接地的功能需求。某車體接地網(wǎng)拓?fù)鋱D如圖6所示，在設(shè)計(jì)上首先根據(jù)車-軌道-地耦合關(guān)系，分析車輛動(dòng)態(tài)運(yùn)行工況下車體接地網(wǎng)雜散電流和電壓分布規(guī)律，明確接地網(wǎng)耦合特性，然后根據(jù)整車保護(hù)接地和EMC接地功能需求，開展針對(duì)性地接地設(shè)計(jì)。

圖6 車體接地網(wǎng)拓?fù)鋱D

復(fù)合材料軌道車輛接地網(wǎng)接地基本策略如下：

（1）與接地網(wǎng)連接的金屬件應(yīng)盡量單點(diǎn)接地，減少多點(diǎn)接地，降低雜散電流或傳導(dǎo)干擾在金屬件上形成回流，降低差模輻射；

（2）所有接地點(diǎn)位應(yīng)盡量設(shè)置在低雜散電流位置上，在保證接地設(shè)備基準(zhǔn)電位基本一致的同時(shí)，可以降低短路工況或暫態(tài)過電壓脈沖干擾；

（3）碳纖維復(fù)合材料自身與各類金屬件存在電極電位差，應(yīng)采取絕緣隔離措施，避免接地網(wǎng)雜散電流加劇異質(zhì)材料界面電腐蝕。

4.2 復(fù)合材料電搭接設(shè)計(jì)

碳纖維復(fù)合材料車體電搭接的基本目的在于為軌道車輛構(gòu)件之間以及構(gòu)件、設(shè)備、附件與接地網(wǎng)之間提供穩(wěn)定的低阻抗電氣通路，從而防止它們之間產(chǎn)生電磁干擾，如果搭接效果不良，即使采用屏蔽效能優(yōu)異的復(fù)合材料，其效果也難以有效發(fā)揮。

按搭接材質(zhì)，復(fù)合材料車體搭接可分為：金屬-復(fù)合材料搭接（圖7），復(fù)合材料-復(fù)合材料搭接（圖8）以及金屬-金屬搭接（圖9）3類。參考復(fù)合材料飛機(jī)電搭接要求[8]，碳纖維軌道車輛與飛機(jī)電搭接設(shè)計(jì)的差異性主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：EMC搭接和等電位搭接。飛機(jī)高空飛行，不需要考慮對(duì)外電磁發(fā)射問題，而布置在軌道車輛車下的大功率牽引逆變?cè)O(shè)備和強(qiáng)電線束引起的對(duì)外電磁輻射會(huì)對(duì)周圍廣播通信設(shè)施產(chǎn)生干擾。考慮到飛行安全，飛機(jī)上所有復(fù)合材料蒙皮都鋪設(shè)銅網(wǎng)或表面鍍鋁用來防雷擊，由于銅網(wǎng)或金屬涂層的存在，復(fù)合材料部件搭接電阻很小，等電位搭接相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。而軌道車輛在頂層設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到制造成本和經(jīng)濟(jì)性，復(fù)合材料車體表面并不會(huì)全部采取屏蔽增強(qiáng)措施，部分區(qū)域仍然是純碳纖維復(fù)合材料，因此，搭接設(shè)計(jì)要權(quán)衡屏蔽、接地、靜電和雷擊大電流泄放等具體工況要求，在滿足整車電磁兼容技術(shù)要求的前提下，有選擇地實(shí)施搭接路線，這在一定程度上增加了電搭接設(shè)計(jì)難度。

圖7 金屬-復(fù)合材料搭接

圖8 復(fù)合材料-復(fù)合材料搭接

圖9 接地網(wǎng)金屬-金屬搭接

5 結(jié)論

軌道車輛輕量化發(fā)展以及碳纖維復(fù)合材料大量應(yīng)用必然給整車電磁兼容設(shè)計(jì)帶來新的問題。目前，全碳纖維復(fù)合材料軌道車輛的電磁兼容設(shè)計(jì)仍處于工程化初期階段，尚未進(jìn)行過全壽命周期的運(yùn)營考核驗(yàn)證，本文提出的設(shè)計(jì)方法和建議，對(duì)于碳纖維復(fù)合材料軌道車輛電磁兼容工程設(shè)計(jì)和實(shí)踐具有指導(dǎo)作用。