湯 騰，周 洲，鄒敏佳，呂文麗，劉文松，王明星

(株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司， 湖南株洲 412000)

隨著我國(guó)軌道交通跨越式發(fā)展與工程應(yīng)用材料研究的不斷進(jìn)步，采用輕質(zhì)材料，尤其是綜合性能優(yōu)異的復(fù)合材料來(lái)實(shí)現(xiàn)列車輕量化是軌道交通工具輕量化發(fā)展的必然[1-2]，其趨勢(shì)可以歸納為：復(fù)合材料由非承力件(車廂內(nèi)輔助件，如內(nèi)飾框架、天花板等)向一般承力件(地板、門窗框架、座椅等)和主承力件(車體、司機(jī)室、轉(zhuǎn)向架等)發(fā)展；結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的應(yīng)用向結(jié)構(gòu)、功能復(fù)合材料同時(shí)應(yīng)用發(fā)展。主承力件質(zhì)量一般占整車質(zhì)量的40%～70%，因此通過(guò)復(fù)合材料取代傳統(tǒng)材料來(lái)實(shí)現(xiàn)車輛輕量化的關(guān)鍵在于主承力件的復(fù)合材料輕量化[3-9]。

垂向連桿是機(jī)車轉(zhuǎn)向架懸掛部件中重要的組成部分，主要功能是連接車體(構(gòu)架)和扭桿彈簧裝置，傳遞車體側(cè)滾力矩。作為一種轉(zhuǎn)向架上的主承載構(gòu)件，傳統(tǒng)垂向連桿多采用合金鋼材料(如42CrMo、Q355等)[10]，為了研究該承載構(gòu)件進(jìn)行復(fù)合材料輕量化的可行性，筆者針對(duì)某型城軌平臺(tái)用合金鋼(Q355NE)垂向連桿，在接口和最大外形尺寸與原型產(chǎn)品保持一致的基礎(chǔ)上，采用碳纖維材料預(yù)埋金屬嵌套的結(jié)構(gòu)，利用有限元與真空熱壓罐成型技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)該垂向連桿的輕量化研發(fā)，并進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

新產(chǎn)品需匹配原合金鋼垂向連桿的接口與強(qiáng)度要求，因此，需要對(duì)碳纖維桿體幾何結(jié)構(gòu)和連接部分進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。該連桿的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 垂向連桿的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

垂向連桿總成設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

(a) 整體結(jié)構(gòu)

1—碳纖維連桿桿體；2—金屬嵌套；3—金屬關(guān)節(jié)軸承；4—彈性擋圈。

金屬關(guān)節(jié)軸承安裝在連桿的兩端，用于連接車體(構(gòu)架)和扭桿彈簧裝置。金屬關(guān)節(jié)軸承通過(guò)粘接的方式安裝于嵌套內(nèi)孔，并在軸向增加彈性擋圈進(jìn)行限位。

為了解決碳纖維材料與金屬關(guān)節(jié)軸承外套的剛性接觸問(wèn)題，考慮到保持現(xiàn)有產(chǎn)品的裝車和維護(hù)方式來(lái)保證碳纖維材料與金屬關(guān)節(jié)軸承外套的互換性，在碳纖維材料中預(yù)埋金屬嵌套的結(jié)構(gòu)以提供金屬關(guān)節(jié)軸承的安裝接口。為了提高碳纖維桿體部分與金屬嵌套的結(jié)合強(qiáng)度，應(yīng)盡量提高結(jié)合面的面積和表面粗糙度，因此將該嵌套外表面設(shè)計(jì)成齒形(見(jiàn)圖1(c))，并保留較深的周向加工紋路，表面采用磷化處理。該金屬嵌套設(shè)計(jì)成品質(zhì)量約0.51 kg。

碳纖維復(fù)合材料基體的設(shè)計(jì)主要考慮成品包裹金屬嵌套后的外形和尺寸要與原型連桿保持一致?；w高度為40 mm，中間部分層寬度為30 mm，與金屬嵌套配合處端部外圓直徑為117 mm(此處最小截面厚度為25 mm)，端部外圓與中間桿體結(jié)合處設(shè)計(jì)為圓弧過(guò)渡(R150 mm)。材料密度按1.5 g/mm3計(jì)算，該部分設(shè)計(jì)質(zhì)量約1.48 kg。

1.3 材料選擇

考慮到垂向連桿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和承載工況，以及碳纖維材料的各向異性，碳纖維采用±45°雙軸布預(yù)浸料，力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表2。其中，1方向?yàn)槔w維1縱向，2方向?yàn)槔w維2縱向，3方向?yàn)檫B桿高度方向，即在沿連桿高度方向鋪設(shè)纖維布(見(jiàn)圖2)，利于碳纖維力學(xué)性能發(fā)揮及后續(xù)成型加壓。選用7901DN/WP-7021環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料，含膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為38%，編制方式為“2/2斜紋”，面密度為640 g/m2。

表2 碳纖維材料力學(xué)性能參數(shù)

圖2 網(wǎng)格模型、邊界條件與加載設(shè)置

金屬嵌套材料與原型連桿一致，采用Q355NE，彈性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3；屈服強(qiáng)度σs=355 MPa。

2 有限元分析

2.1 載荷及邊界條件

采用HyperMesh軟件劃分網(wǎng)格，有限元分析運(yùn)用ABAQUS 6.11軟件進(jìn)行計(jì)算。

垂向連桿網(wǎng)格模型、邊界條件與加載設(shè)置見(jiàn)圖2。其中，碳纖維采用實(shí)體單元，金屬與碳纖維部分采用共節(jié)點(diǎn)處理，共計(jì)290 992個(gè)C3D8R單元。一端金屬嵌套內(nèi)孔固定，加載點(diǎn)選另一端金屬嵌套內(nèi)孔中心參考點(diǎn)1，該參考點(diǎn)與該端金屬嵌套內(nèi)孔表面采用耦合接觸。在參考點(diǎn)1，沿桿體施加拉壓載荷±20.9 kN。

2.2 結(jié)果分析

采用ABAQUS 6.11軟件計(jì)算垂向連桿在±20.9 kN工況下的應(yīng)力分布情況，結(jié)果見(jiàn)圖3和表3。其中，S11、S22分別為纖維1、2方向(沿纖維縱向)的應(yīng)力；S33為3方向(即桿體厚度方向)的應(yīng)力；S12、S13分別為垂直于1方向的法向平面對(duì)2、3方向的剪切應(yīng)力；S23為垂直于2方向的法向平面對(duì)3方向的剪切應(yīng)力。碳纖維部分沿纖維方向最大應(yīng)力為25.75 MPa(拉應(yīng)力)，最大剪切應(yīng)力為14.62 MPa，比較材料本身的理論強(qiáng)度，靜態(tài)安全系數(shù)約為3.76；金屬部分最大Mises應(yīng)力為181.30 MPa，靜態(tài)安全系數(shù)約為1.96；可以滿足靜強(qiáng)度要求。垂向連桿中間斷面沿纖維方向最大應(yīng)力為20.49 MPa。

圖3 ±20.9 kN下的應(yīng)力分布

3 垂向連桿制造與試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)垂向連桿的受力情況和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選用真空熱壓罐成型工藝，采用三層式模具結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖4)。其中，底部模塊主要用于固定金屬嵌套，保證成品的安裝尺寸；中間模塊作為碳纖維預(yù)浸料成型

表3 垂向連桿仿真分析結(jié)果

型腔；頂部模塊主要用于厚度方向加壓和固定整個(gè)模具。模具材料采用導(dǎo)熱性能良好的鋁合金。

1—底部模塊；2—中間模塊；3—頂部模塊。

固化工藝為：室溫升溫至85 ℃(升溫時(shí)間40 min)，同時(shí)加壓至0.6 MPa，保溫保壓30 min；升溫至130 ℃(升溫時(shí)間50 min)，保溫保壓120 min。降溫速率控制不超過(guò)2 K/min。

最終成品實(shí)際質(zhì)量為2.4 kg，與原型合金鋼產(chǎn)品相比，減重率達(dá)72.7%。

對(duì)垂向連桿產(chǎn)品進(jìn)行靜強(qiáng)度、應(yīng)變和疲勞測(cè)試。采用某型城軌轉(zhuǎn)向架平臺(tái)扭桿產(chǎn)品作為工裝，將垂向連桿安裝于加載機(jī)臺(tái)與扭桿轉(zhuǎn)臂接口之間，模擬實(shí)際裝車情況(見(jiàn)圖5)。

圖5 測(cè)試情況

靜態(tài)加載曲線見(jiàn)圖6, 加卸載速度15 kN/min。經(jīng)過(guò)測(cè)試，產(chǎn)品整體無(wú)異常，安裝尺寸無(wú)明顯變化。

圖6 靜態(tài)加載曲線

在垂向連桿表面布置應(yīng)變片，測(cè)試靜態(tài)加載過(guò)程中的應(yīng)變值。試驗(yàn)測(cè)得桿體中間位置沿纖維主方向最大應(yīng)變?yōu)?85.411×10-6，計(jì)算應(yīng)力值為22.25 MPa，對(duì)比有限元分析結(jié)果，相對(duì)誤差約為7.9%。

按某型城軌平臺(tái)抗側(cè)滾扭桿剛度測(cè)試要求，根據(jù)剛度測(cè)試加載曲線(見(jiàn)圖7)，測(cè)得扭桿整體剛度為1.52 MN·m/rad, 滿足要求(1.59(1±10%)MN·m/rad)。采用碳纖維垂向連桿替換原型合金鋼連桿對(duì)扭桿整體剛度幾乎無(wú)影響。

圖7 剛度測(cè)試加載曲線

動(dòng)態(tài)加載按疲勞載荷譜(見(jiàn)圖8)加載，頻率為1 Hz，共計(jì)200萬(wàn)次。

圖8 疲勞載荷譜

試驗(yàn)后，觀察產(chǎn)品表面狀況，整體無(wú)異常，嵌套與碳纖維基體結(jié)合牢固，無(wú)相對(duì)位移；測(cè)量安裝及外形尺寸符合要求。綜上可以判斷，該垂向連桿產(chǎn)品可以滿足某型城軌平臺(tái)試驗(yàn)及壽命要求。

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 采用ABAQUS6.11軟件對(duì)碳纖維垂向連桿進(jìn)行有限元應(yīng)力分析，碳纖維部分纖維方向最大應(yīng)力為25.75 MPa，最大剪切應(yīng)力為14.62 MPa，靜態(tài)安全系數(shù)約為3.76；金屬部分最大Mises應(yīng)力為181.30 MPa，靜態(tài)安全系數(shù)約為1.96；理論上可以滿足靜強(qiáng)度要求。

(2) 通過(guò)應(yīng)變測(cè)試，得到碳纖維垂向連桿中間斷面沿纖維方向的應(yīng)力為22.25 MPa，對(duì)比有限元分析獲得最大應(yīng)力(20.49 MPa)，相對(duì)誤差約為7.9%，表明有限元法能較好地指導(dǎo)碳纖維垂向連桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

(3) 采用碳纖維預(yù)埋金屬嵌套的結(jié)構(gòu)形式，解決了車體端、構(gòu)架端的接口問(wèn)題，可以實(shí)現(xiàn)與原型產(chǎn)品的機(jī)械互換，最終減重率超過(guò)70 %，達(dá)到了產(chǎn)品輕量化的目標(biāo)。

(4) 產(chǎn)品通過(guò)了整體剛度、靜態(tài)和200萬(wàn)次全壽命疲勞測(cè)試，說(shuō)明采用碳纖維垂向連桿對(duì)扭桿整體剛度功能無(wú)影響，且能夠滿足使用壽命要求。