非對稱碳—玻璃混合纖維復合材料地鐵司機室頭罩設計

馮學斌， 李 曉， 曾竟成， 鄔志華， 楊孚標， 彭超義

(1 株洲時代新材料科技股份有限公司, 湖南株洲 412007;2 國防科學技術(shù)大學, 湖南長沙 410073 )

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非對稱碳—玻璃混合纖維復合材料地鐵司機室頭罩設計

馮學斌1， 李 曉1， 曾竟成2， 鄔志華2， 楊孚標2， 彭超義2

(1 株洲時代新材料科技股份有限公司, 湖南株洲 412007;2 國防科學技術(shù)大學, 湖南長沙 410073 )

發(fā)揮復合材料結(jié)構(gòu)性能可設計性優(yōu)勢，采用碳—玻璃混合纖維復合材料設計了一種地鐵車輛司機室頭罩新型結(jié)構(gòu)。該司機室頭罩主承力結(jié)構(gòu)部分由自承載復合材料泡沫夾芯結(jié)構(gòu)構(gòu)成，夾芯結(jié)構(gòu)的上面板為玻璃纖維增強不飽和聚酯樹脂基復合材料，下面板為碳纖維和玻璃纖維混合復合材料，為非對稱復合材料結(jié)構(gòu)設計。設計表明，該頭罩在滿足司機室強度設計要求的前提下，顯著地減輕了司機室的結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

地鐵； 碳-?；旌侠w維復合材料； 頭罩； 結(jié)構(gòu)設計

隨著國家加大對鐵路行業(yè)的投資,中國鐵路、城軌邁入快速發(fā)展時期。鐵路的發(fā)展帶動車輛制造業(yè)高速發(fā)展。車輛結(jié)構(gòu)的輕量化是現(xiàn)代車輛制造技術(shù)所追求的目標，因為車輛輕量化才能減小材料消耗與制造成本，同時車輛運行耗能也與車輛輕量化成反比。復合材料具有質(zhì)量輕、強度高、耐腐蝕、易于設計、加工、改型等特點，能很好的適應車輛輕量化的要求，在現(xiàn)代車輛制造中被廣泛的應用[1]。其中碳纖維復合材料作為一種新型高技術(shù)材料，一直以其質(zhì)量輕、強度高而更加備受關(guān)注。同時其良好的阻尼性、高疲勞性能等獨特優(yōu)異性能使其在車輛制造的應用會越來越多[2]。但是，因碳纖維復合材料成本過高，不利于持續(xù)提升碳纖維復合材料在軌道交通行業(yè)的應用，以長沙地鐵2號線用車輛司機室頭罩結(jié)構(gòu)作為研究對象，探索碳—玻璃纖維復合材料在結(jié)構(gòu)中的應用。

1 碳—玻璃混合纖維復合材料層合板性能參數(shù)

在現(xiàn)有復合材料層合板的使用中，多采用純玻璃纖維、碳—玻璃混合或全部碳纖維這3種形式的結(jié)構(gòu)。3種形式的層合板因鋪層組合方式與制造工藝的不同，性能也會有較大的差異。為了給司機室頭罩復合材料鋪層結(jié)構(gòu)設計提供材料性能設計參數(shù)，制備了3種方案復合材料層合板樣件并對其性能進行了測試分析和比較。用于性能測試的3種板材厚度基本相同，但鋪層組成形式不同。方案1與方案2是玻璃纖維與碳纖維混合鋪層的層合板結(jié)構(gòu)，但鋪層次序不一樣；方案3是純碳—玻璃混合纖維板材結(jié)構(gòu)。3種板材的性能參數(shù)比較見表1。

表1 復合材料層合板樣塊力學性能數(shù)據(jù)比較表

根據(jù)表1不同層合板性能數(shù)據(jù)比較研究，并綜合成本考慮，地鐵司機室頭罩主體結(jié)構(gòu)采用碳—玻璃混合鋪層方式進行設計。

2 碳—玻璃混合纖維復合材料司機室頭罩結(jié)構(gòu)設計

城市軌道交通車輛帶有司機室的一般都是頭車，并且是一端帶有司機室。這樣帶有司機室的一端就比另一端長，質(zhì)量較重，不利于車輛的質(zhì)量平衡設計，所以司機室設計必須考慮輕量化要求[3]。

以長沙地鐵2號線司機室頭罩為對象，設計司機室頭罩結(jié)構(gòu)整體尺寸為2 806 mm×2 550 mm×1 640 mm。根據(jù)頭罩不同區(qū)域承載功能，共劃分為4個區(qū)域、分別為部件1、司機室頭罩主體部分；部件2、司機室頭罩主體與前窗風擋玻璃連接的區(qū)域；部件3、前窗風擋玻璃；部件4、裝配頭罩燈位置區(qū)域。見圖1。

傳統(tǒng)司機室一般都采用金屬結(jié)構(gòu)，但金屬結(jié)構(gòu)有很多缺點。目前大多采用純玻璃鋼，但玻璃鋼外殼都比較厚，質(zhì)量也較重，不利于平衡設計。

碳纖維材料相比玻璃鋼材料具有更高的模量、更輕的質(zhì)量。因此設計時，在司機室頭罩主體部分的關(guān)鍵區(qū)域部件1采用碳—玻璃混合泡沫夾芯結(jié)構(gòu)復合材料。其中碳纖維材料共用2層，玻璃纖維材料8層，中間層夾芯泡沫厚度25 mm，共11層復合材料結(jié)構(gòu)。部件2區(qū)域，材料從外至內(nèi)依次為鋼化玻璃、西卡膠和玻璃鋼復合材料層合板；部件3區(qū)域材料為鋼化玻璃；部件4區(qū)域材料為玻璃鋼復合材料層合板。制造成型后的司機室頭罩見圖2。

圖1 司機室頭罩結(jié)構(gòu)區(qū)域劃分圖

圖2 司機室頭罩產(chǎn)品圖

3 碳—玻璃混合地鐵車輛頭罩結(jié)構(gòu)性能分析

為驗證設計碳—玻璃混合復合材料地鐵司機室頭罩結(jié)構(gòu)設計方案的合理性，利用有限元分析方法對設計的結(jié)構(gòu)進行了仿真分析驗證。并根據(jù)復合材料設計強度準則來驗證設計結(jié)構(gòu)承載后變形與應力是否滿足材料體系要求。

3.1 地鐵司機室頭罩有限元模型

3.2 載荷與邊界條件

圖3 司機室頭罩有限元模型圖

計算校核司機室頭罩的結(jié)構(gòu)強度性能時，考慮了最惡劣的載荷組合工況，綜合考慮了氣動載荷與沖擊載荷相互疊加的作用。氣動載荷作用于整個司機室頭罩，方向為由外指向內(nèi)。

3.3 有限元結(jié)構(gòu)性能校核計算分析結(jié)果

利用Ansys軟件求解器對設計結(jié)構(gòu)進行有限元計算分析， 通過計算求解，分別得到司機室頭罩4個不同位置區(qū)域在氣動載荷和沖擊工況耦合作用下的結(jié)構(gòu)應變分布云圖，分別提取了4個部件區(qū)域的應變云圖見圖4～圖7所示。

圖4 部件1等效應變分布云圖

圖5 部件2等效應變分布云圖

圖6 部件3等效應變分布云圖

圖7 部件4等效應變分布云圖

本文設計司機室頭罩主體結(jié)構(gòu)部分采用了碳—玻璃混合纖維復合材料層合板結(jié)構(gòu)。提取了關(guān)鍵層碳纖維最外層X與Y方向的應變分布云圖見圖8與圖9。

圖8 碳纖維最外層纖維1方向應變云圖

圖9 碳纖維最外層纖維2方向應變云圖

因碳—玻璃混合纖維復合材料只用在司機室頭罩關(guān)鍵組件部分部件1位置區(qū)域，故只讀取了部件1區(qū)域各層的最大應變用于評估結(jié)構(gòu)的可靠性，各層應變見表2。

表2 司機室頭罩部件1區(qū)域各層各方向的最大應變值 %

從表2應變結(jié)果可以看出，玻璃鋼復合材料面板的X方向最大拉伸應變εxt為0.059 0 %，位于第10層；X方向最大壓縮應變εxc為0.087 0 %，位于第1層。Y方向最大拉伸應變εyt為0.093 9 %，位于第10層；Y方向最大壓縮應變εyc為0.087 4 %，位于第8層。

碳纖維增強復合材料層合板的X方向最大拉伸應變εxt為0.059 6 %；X方向最大壓縮應變εxc為0.036 0 %；Y方向最大拉伸應變εyt為0.080 6 %；Y方向最大壓縮應變εyc為0.063 7 %。

根據(jù)復合材料強度判別準則最大應變準則，把各層的最大應變值與所用復合材料的拉伸與壓縮許用應力值進行比較，各層的應變值都沒有超過材料的許用應變值，表明設計頭罩結(jié)構(gòu)強度安全可靠，碳—玻璃混合纖維復合材料層合板不會失效。

4 結(jié) 論

在多種材料方案中，經(jīng)測試分析比較后選用碳—玻璃混合纖維與夾芯材料設計地鐵司機室頭罩結(jié)構(gòu)。采用有限元計算方法校核評估了設計司機室頭罩的結(jié)構(gòu)性能，證明所設計的地鐵司機室頭罩結(jié)構(gòu)安全可靠,結(jié)構(gòu)質(zhì)量明顯降低。表明了碳—玻璃混合纖維復合材料結(jié)構(gòu)方案可行，在車輛同類結(jié)構(gòu)中具有很好的應用前景。

[1] 孫春方. 復合材料在現(xiàn)代軌道車輛制造中的應用[J].城市軌道交通研究，2004,(7):16-19.

[2] 陳建詳，王瓊琦. 復合材料管與接頭膠接構(gòu)件的強度與疲勞性能研究[J].玻璃鋼/復合材料，2012,(1):27-32.

[3] 王永剛. 城市軌道交通車輛輕量化司機室結(jié)構(gòu)研究[J]. 鐵道機車與動車，2013,(11):12-15.

Design of Subway Driver Chamber Hood Made of Asymmetric Carbon-glass Fiber Mixed Composite Material

FENGXuebin1，LIXiao1,ZENGJingcheng2,WUZhihua2,YANGFubiao2,PENGChaoyi2

(1 Zhuzhou Times New Materials Technology Co., Ltd., Zhuzhou 412007 Hunan, China; 2 National University of Defense Technology, Changsha 410073 Hunan, China)

In this paper, a new driver chamber hood structure which is made of carbon/glass fiber mixed composite material is designed, by taking advantage of the structure performance designability of composite material. The main bearing structure of this driver chamber hood structure is made of self-host foam-sandwich-structure composite material. The top panel of this sandwich structure is made of glass fiber reinforced unsaturated polyester resin matrix composites, and the bottom panel of this sandwich structure is made of carbon/glass fiber mixed composite material, so that this sandwich structure is an asymmetric structure. This hood can reduce the weight of driver chamber distinctly while satisfying the strength design requirement of driver chamber.

subway; carbon/glass fiber mixed composite material; hood; structural design

1008-7842 (2015) 03-0096-04

??)男，高級工程師(

2014-12-27)

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.24