武舒然

（北京軌道交通技術(shù)裝備集團有限公司，北京 100071）

軌道交通裝備的發(fā)展追求更輕量化、更低全壽命周期成本等要求，復(fù)合材料是未來軌道交通車輛設(shè)計使用的最佳選擇之一。隨著人們對于復(fù)合材料的研究越來越深入，纖維增強體（如碳纖維、玄武巖纖維和竹纖維等）更多地被發(fā)掘出來，功能性（防火、導(dǎo)電等）的樹脂基體也被開發(fā)出來，先進的生產(chǎn)制造工藝（RTM、VARI、預(yù)浸料真空袋壓OOA和3D編織等）也應(yīng)運而生[1]。先進復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)材料和功能材料在軌道交通行業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

復(fù)合材料具有較高的比剛度和比強度，有更高的性能可設(shè)計性，同時擁有優(yōu)異的疲勞性能、耐腐蝕性能，能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)/功能一體化，因此得到廣泛應(yīng)用。軌道交通車輛中應(yīng)用到復(fù)合材料最多的有傳統(tǒng)玻璃鋼制品、預(yù)浸料制品和蜂窩復(fù)合三明治結(jié)構(gòu)等。高鐵/高速磁浮車輛的整車范圍內(nèi)應(yīng)用廣泛（碳纖維、紙蜂窩復(fù)合結(jié)構(gòu)和中空織物等），尤其車頭、設(shè)備艙、裙板及內(nèi)飾件等部位。

雖然復(fù)合材料甚至碳纖維材料應(yīng)用越來越多，但由于歷史相對較短，當(dāng)前軌道交通行業(yè)使用的復(fù)合材料在技術(shù)標準上并不夠完備，還無法完全滿足復(fù)合材料開發(fā)應(yīng)用需要，因此建立軌道交通車輛用復(fù)合材料測試和試驗標準，搭建數(shù)據(jù)庫具有重要意義（圖1）。

圖1 車輛用復(fù)合材料示意圖

1 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計及應(yīng)用

復(fù)合材料設(shè)計流程復(fù)雜，需要經(jīng)過總體方案設(shè)計階段、研發(fā)打樣設(shè)計階段及詳細設(shè)計階段，通過理論研究與試驗驗證綜合判定方案可行性，如圖2所示。在研發(fā)設(shè)計階段，材料選型是很重要的部分，涉及材料許用值和結(jié)構(gòu)設(shè)計值。同時，要建立材料規(guī)范、工藝規(guī)范，最小程度降低工藝變量對材料的影響，作為材料鑒定的重要部分。一個產(chǎn)品的全設(shè)計過程需要經(jīng)過反復(fù)驗證。

在軌道交通行業(yè)中，同樣是按照圖2流程進行設(shè)計。在目前的應(yīng)用案例中，通常是結(jié)合運行環(huán)境，根據(jù)部件特點，選擇合適的復(fù)合材料及層壓板設(shè)計結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)應(yīng)用最為廣泛的復(fù)合材料為玻璃纖維復(fù)合制品，若是考慮到輕量化或者其他功能需求，則考慮用碳纖維預(yù)浸料制品或者功能性材料，實現(xiàn)重量與成本的綜合設(shè)計。結(jié)合仿真驗證及試驗驗證，過程中發(fā)現(xiàn)缺陷再進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖2 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計流程

金屬材料有足夠的材料試驗數(shù)據(jù)，相關(guān)標準和設(shè)計值可以直接從材料手冊中查到，但復(fù)合材料的材料性能表征極為復(fù)雜。由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)缺乏成熟的分析方法和足夠的設(shè)計與使用經(jīng)驗，為保證其結(jié)構(gòu)完整性，復(fù)合材料比金屬結(jié)構(gòu)更依賴于試樣、元件、組合件和全尺寸部件等多個層次的設(shè)計驗證試驗方法來保證，即圖3中的積木式驗證方法。對于全尺寸部件的結(jié)構(gòu)試驗，按照實際的綜合環(huán)境效應(yīng)往往不可實現(xiàn)，因此最終驗證缺乏可信度，但經(jīng)過恰當(dāng)組織的積木式驗證，可以保證復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的強度驗證在總體上是完整的[2]。

圖3 復(fù)合材料積木式驗證示意圖

材料許用值是在一定的載荷類型與環(huán)境條件下，由單層級（試樣）試驗數(shù)據(jù)，按規(guī)定要求統(tǒng)計分析后確定的具有一定置信度和可靠度的材料性能表征值，是對材料體系力學(xué)性能的表征，是設(shè)計選材的主要依據(jù)。只有按照材料標準采購和現(xiàn)工藝規(guī)范制造材料，所確定的許用值數(shù)據(jù)才是認證機構(gòu)可接受的。在設(shè)計時應(yīng)注意并非材料性能越高越好，在一定范圍內(nèi)的數(shù)值才有足夠的參考價值。

結(jié)構(gòu)設(shè)計值在通常情況下是根據(jù)所設(shè)計具體結(jié)構(gòu)的完整性要求（通常為強度、剛度、耐久性和損傷容限，包括滿足使用條件下?lián)p傷無擴展要求），在代表結(jié)構(gòu)特征的大量元件試驗結(jié)果（設(shè)計許用值）基礎(chǔ)上，結(jié)合設(shè)計師的設(shè)計和使用經(jīng)驗來確定的，并通過組合件（加筋板、接頭等）進行驗證。試驗檢測并非越多越好，根據(jù)主要影響因素，關(guān)注樣品的破壞模式，獲得需求的材料組合即可。增強纖維主要影響產(chǎn)品纖維方向的強度，浸潤劑及膠粘劑主要影響界面性能，樹脂主要影響熱性能、層間性能、材料的韌性及某些化學(xué)性能。

國外用于軌道交通裝備上的復(fù)合材料多為碳纖維或玻璃纖維增強復(fù)合材料，逐步從非承載結(jié)構(gòu)擴展到主承載結(jié)構(gòu)，典型案例包括日本新干線N700系、日本川崎重工開發(fā)的“efWING”轉(zhuǎn)向架和韓國TTX擺式特快列車等，應(yīng)用相對成熟，減重效果良好。國內(nèi)對軌道交通裝備復(fù)合材料的研發(fā)工作起步雖晚但進展迅速，應(yīng)用越來越廣泛。標準動車組的發(fā)展向世界展示了中國速度，成為中國對外的一張名片，在車輛中大量應(yīng)用了輕量化復(fù)合材料，也實現(xiàn)了車輛的減重。

隨著我國軌道交通行業(yè)車輛設(shè)計速度逐步提升，多耦合作用復(fù)雜性突出服役環(huán)境的復(fù)雜多變、重量—強度/剛度—載荷等矛盾突出、安全—防火等性能要求和節(jié)能環(huán)保等要求，材料性能要求更加苛刻，碳纖維CFRP復(fù)合材料成為提供解決方案的重要材料。碳纖維復(fù)合材料密度低，比強度和比模量高，還具有耐腐蝕、耐高溫、耐摩擦、抗疲勞、電及熱導(dǎo)性高、熱及濕膨脹系數(shù)低、X光穿透性高和非磁體但有電磁屏蔽效應(yīng)等特點。中車長客的光谷量子號，2018年在武漢東湖線投入運營，世界首輛碳纖維地鐵車體，減重25%（理論可達35%）；中車四方的CETROVO（下一代地鐵），亮相2018年柏林國際軌道交通技術(shù)展，全車碳纖維，車體減重30%，如圖4所示。除此之外，碳纖維材料在車輛外部裙板及設(shè)備艙等部件也有研究應(yīng)用。

圖4 碳纖維車體及轉(zhuǎn)向架

現(xiàn)階段軌道交通車輛的設(shè)計流程依托于結(jié)構(gòu)仿真，在結(jié)構(gòu)造型、材料鋪層設(shè)計之后，進行強度分析，并通過不斷修改迭代，得到可靠方案。但基本的結(jié)構(gòu)設(shè)計還是依托于金屬結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料特性未得到充分發(fā)揮，對于設(shè)計師來講也缺乏詳細的參考標準。

2 復(fù)合材料標準現(xiàn)狀

任何材料的研發(fā)和應(yīng)用與標準化的支撐是密不可分的。目前標準化組織和標準體系包括國際標準化組織（ISO）、歐洲標準化委員會（CEN）、國家標準（GB）、美國試驗和材料協(xié)會（ASTM）及其他標準（歐洲宇航標準、企業(yè)標準等）。

2.1 國外標準現(xiàn)狀

高性能纖維增強復(fù)合材料誕生于60年代初，由于設(shè)計的需求，提出了復(fù)合材料力學(xué)性能的測試要求。由于對復(fù)合材料的特性和破壞機理認識很少，當(dāng)時這些標準的制訂主要參照相應(yīng)的金屬力學(xué)性能標準。迄今為止，復(fù)合材料力學(xué)性能表征方法的研究有了突飛猛進的進展，也結(jié)合復(fù)合材料飛機構(gòu)件的使用經(jīng)驗，對相關(guān)測試標準經(jīng)多次修訂和增添，得到廣泛認可后成為美國材料試驗學(xué)會（ASTM）標準。

2.2 國內(nèi)標準現(xiàn)狀

國內(nèi)復(fù)合材料應(yīng)用發(fā)展較為迅速，但相關(guān)標準還不夠成熟。我國各類別材料標準的分布情況[3]見表1，其中國內(nèi)關(guān)于復(fù)合材料的標準非常少。

表1 國內(nèi)現(xiàn)有標準情況

國內(nèi)復(fù)合材料力學(xué)性能的測試標準可以分別從國家標準（GB體系）、國家軍用標準（GJB體系）和航空工業(yè)行業(yè)標準（HB體系）中發(fā)現(xiàn)適用的標準。我國最早開展復(fù)合材料研究，是用于飛機結(jié)構(gòu)。由于設(shè)計的需求，在1980年初期開始提出復(fù)合材料力學(xué)性能測試要求，并制訂了首批測試標準。當(dāng)時雖然也開展了一些標準試驗方法的研究，但基本上是對當(dāng)時ASTM標準的消化理解和國產(chǎn)化。截至本世紀初，相關(guān)標準還處于落后階段，無法滿足新材料和新型號的研制需求。

與ASTM相比，國內(nèi)標準一般只針對單項復(fù)合材料的檢測，而不適用于多向或織物復(fù)合材料；國內(nèi)標準只適用于實驗室的標準環(huán)境條件下的試驗，對非實驗室條件下的試驗方法有待完善；國內(nèi)標準中缺乏對于破壞模式的要求。以上種種問題均反映了國內(nèi)復(fù)合材料設(shè)計標準的匱乏。

通過基本的力學(xué)性能測試，能夠獲取材料規(guī)范制定、強度分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計所需的基本性能數(shù)據(jù)。通過采用與結(jié)構(gòu)設(shè)計鋪層相同或等效的層壓板各類力學(xué)性能試驗（無缺口拉伸試驗、無缺口壓縮試驗、開孔拉伸試驗和開孔壓縮試驗等），獲取后續(xù)結(jié)構(gòu)驗證、結(jié)構(gòu)設(shè)計與強度校核所需的拉伸設(shè)計許用值、壓縮設(shè)計許用值和剪切設(shè)計許用值等。所以針對復(fù)合材料相關(guān)標準的制定是設(shè)計基礎(chǔ)，具有非常重要的意義。

復(fù)合材料設(shè)計值的確定涉及多種典型鋪層和多種結(jié)構(gòu)特性（如開孔、充填孔、擠壓和沖擊后壓縮等），材料性能又與制造商的工藝有關(guān)，而此部分涉及專利特性，不易為其他研究單位獲得，因此綜合來講，建立復(fù)合材料數(shù)據(jù)庫這樣龐大的工作開展起來非常困難且難以普及[4]。

2.3 軌道交通行業(yè)標準應(yīng)用

目前，全國纖維增強塑料標準化委員會（SAC/TC39）歸口制訂/頒布了一系列復(fù)合材料力學(xué)性能測試的國家標準（GB/T 28891、GB/T 3354和GB/T 3355等），達到了國際先進水平。由于復(fù)合材料的復(fù)雜特性，不同行業(yè)的設(shè)計準則不同，航空、風(fēng)電等行業(yè)的特有設(shè)計準則并不完全適用于其他行業(yè)。軌道交通行業(yè)標準比較局限，沒有針對軌道交通行業(yè)的專用標準，層合板標準一般是按照GB/T 1446纖維增強塑料系列測試方法，即按照一般復(fù)合材料的設(shè)計基準來評判，且一般針對于較為規(guī)則的材料鋪層結(jié)構(gòu)。碳纖維材料和其他復(fù)合材料相同，也還沒有形成軌道交通行業(yè)標準。

目前軌道交通車輛的內(nèi)飾件、車頭及車外設(shè)備等部件均有復(fù)合材料應(yīng)用的身影，但針對金屬結(jié)構(gòu)來講，復(fù)合材料的應(yīng)用設(shè)計經(jīng)驗仍相對缺乏，大多數(shù)情況下復(fù)合材料設(shè)計師還是會依據(jù)經(jīng)驗沿用金屬結(jié)構(gòu)進行設(shè)計[5]，且經(jīng)常將復(fù)合材料與金屬結(jié)構(gòu)配合使用，設(shè)計經(jīng)過仿真計算沒有問題，但經(jīng)常會由于考慮安全造成設(shè)計冗余，無法較好地發(fā)揮出復(fù)合材料多元化設(shè)計及輕量化設(shè)計的優(yōu)勢。

因此，在積累經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，需綜合軌道交通部件自身的特點，結(jié)合軟件仿真及組件試驗驗證，積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫，通過大量嘗試逐漸摸索出適合本行業(yè)的結(jié)構(gòu)件復(fù)合材料設(shè)計準則。

3 結(jié)束語

復(fù)合材料具有優(yōu)異特性，隨著工藝水平的不斷提高，應(yīng)用前景更加廣闊，但復(fù)合材料設(shè)計過程較為復(fù)雜，需要基礎(chǔ)力學(xué)測試標準和工藝規(guī)范的支撐，需要經(jīng)過大量試驗驗證。軌道交通行業(yè)的復(fù)合材料應(yīng)用案例相對較少，相關(guān)數(shù)據(jù)積累相對較少，行業(yè)內(nèi)亟需建立起復(fù)合材料相關(guān)標準，積累起完備數(shù)據(jù)庫，更好地指導(dǎo)車輛輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計。