碳纖維復(fù)合材料車體設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究

王晶+徐博雅+李天亮

摘 要：文章主要針對(duì)碳纖維復(fù)合材料車體，探討了材料性能和成型工藝。從防火要求、接地和電磁兼容要求、剛度要求、車體大部件之間連接方式幾方面與金屬車體進(jìn)行對(duì)比分析，提出解決辦法。并對(duì)復(fù)合材料車體在軌道交通領(lǐng)域的可行性進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料車體；輕量化；軌道交通；成型工藝

碳纖維復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比剛度高、耐腐蝕、抗疲勞、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、方便整體成型等特點(diǎn)，在航空、航天等領(lǐng)域已經(jīng)獲得成熟應(yīng)用。隨著高速鐵路的快速發(fā)展，對(duì)車體輕量化的需求也越來越明顯，應(yīng)用復(fù)合材料制造的車體，具備重量輕、強(qiáng)度高、剛性大等特性，在有效地較低車體重量的同時(shí)，也提高了車體運(yùn)行的平穩(wěn)性和穩(wěn)定性。

復(fù)合材料是一種各向異性的材料，在設(shè)計(jì)過程中具有很強(qiáng)的靈活性，設(shè)計(jì)人員可以從選材、成型工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面綜合考慮，充分發(fā)揮復(fù)合材料比強(qiáng)度、比模量高的特性，在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)，通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化計(jì)算，減少材料的使用，從而達(dá)到減重、降低成本的目的，為復(fù)合材料在軌道車輛領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能。

復(fù)合材料車體和金屬車體相比存在一些需要解決的問題：碳纖維復(fù)合材料成本比較高、工藝成型技術(shù)水平要求高；復(fù)合材料車體需要達(dá)到和金屬車體一樣的防火要求，泡沫、樹脂、預(yù)浸料要做防火處理；復(fù)合材料車體需要考慮車體接地和電氣設(shè)備接地問題；車體大部件之間的連接方式要考慮滿足車體強(qiáng)度、使用壽命、整體密封等要求；復(fù)合材料車體應(yīng)避免開孔，或者避免在碳纖維連續(xù)傳力的區(qū)域開孔；復(fù)合材料車體小件需要選擇合適的連接方式。

1 國(guó)內(nèi)外復(fù)合材料車體應(yīng)用概況

復(fù)合材料除廣泛用于航空航天領(lǐng)域外，在軌道車輛制造業(yè)也有一定的應(yīng)用。有些國(guó)家已將復(fù)合材料廣泛地應(yīng)用到軌道車輛上，如法國(guó)國(guó)營(yíng)鐵路公司（SNCF）使用復(fù)合材料設(shè)計(jì)出了TGV雙層掛車，對(duì)其耐火性、抗沖擊強(qiáng)度進(jìn)行了運(yùn)行試驗(yàn)，證實(shí)了復(fù)合材料車體制造工藝是有效的，實(shí)現(xiàn)了CFRP車體結(jié)構(gòu)的重大突破。韓國(guó)TTX碳纖維復(fù)合材料整體車身也于2010年投入運(yùn)營(yíng)。Schindler Waggon公司應(yīng)用玻纖或碳纖維纏繞制成的輕型承載結(jié)構(gòu)車體在聯(lián)邦鐵路線上進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)，運(yùn)行速度達(dá)到140km/h，也達(dá)到了滿意的效果。德國(guó)AEG和MBB與德國(guó)聯(lián)邦鐵路合作開發(fā)的世界上第一個(gè)復(fù)合材料轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，在運(yùn)營(yíng)了100多萬公里后未檢測(cè)出任何磨損及損壞，與原結(jié)構(gòu)相比不僅重量大大減少，同時(shí)也提高了運(yùn)行舒適度、降低了檢修成本。此外，復(fù)合材料在車廂內(nèi)飾件以及車頭前端領(lǐng)域的應(yīng)用也比較廣泛。

國(guó)內(nèi)復(fù)合材料在軌道交通中應(yīng)用還處于試驗(yàn)階段，主要應(yīng)用還受限于車頭前端和車廂內(nèi)飾件，復(fù)合材料在整車的應(yīng)用上還處于研究階段。

2 材料性能和成型工藝

碳纖維復(fù)合材料車體各部件主要采用碳纖維-芯層結(jié)構(gòu)（類似于三明治結(jié)構(gòu)），碳纖維-芯層結(jié)構(gòu)主要由兩層碳纖維蒙皮中間加入泡沫或蜂窩夾芯組成，碳纖維-芯層結(jié)構(gòu)不僅具有質(zhì)量輕、彎曲剛度和強(qiáng)度大，還具有耐疲勞性、隔音隔熱等優(yōu)點(diǎn)。在車體設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)車體結(jié)構(gòu)承載要求，在夾層內(nèi)部預(yù)埋縱、橫加強(qiáng)梁，或者在承載區(qū)域做局部加強(qiáng)，在不承力區(qū)域可以做適當(dāng)減薄處理。

復(fù)合材料成型工藝主要有手糊成型、噴射成型、拉擠成型、纏繞成型、真空熱壓罐成型及真空導(dǎo)入成型等成型工藝。手糊成型雖然工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格相對(duì)比較便宜，但是由于生產(chǎn)效率很低、質(zhì)量不穩(wěn)定等因素不適于生產(chǎn)結(jié)構(gòu)件。噴射成型為使用短切纖維和樹脂經(jīng)過噴槍混合后，壓縮空氣噴灑在模具上，然后經(jīng)過按壓固化成型，可用于制造過程中的過渡層。拉擠成型適合于生產(chǎn)各種截面形狀的型材，如工字型、槽型等截面型材。纏繞成型可用于制造圓柱體、球體、筒形等回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)。真空熱壓罐成型工藝，需要將預(yù)浸料在磨具中按照設(shè)計(jì)要求鋪好后，送入熱壓罐中加溫加壓固化成型。這種成型工藝方法生產(chǎn)的產(chǎn)品韌性好、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、尺寸精度較高、工藝穩(wěn)定性好，但是對(duì)溫度控制、設(shè)備成本、工藝水平等要求比較高，制造成本比較昂貴，所以此種成型工藝只適用于制造車體的一些承力件，比如底架邊梁、牽枕緩結(jié)構(gòu)。真空袋壓成型工藝的特點(diǎn)是既能獲得相較于手糊工藝的高強(qiáng)度重量比和尺寸精度，同時(shí)和熱壓罐成型工藝相比制造成本相對(duì)較低，所以此種方法適合于車體大部件的設(shè)計(jì)。

以車體底架為例，車體底架整體采用復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，選用熱壓罐成型工藝，成型步驟如下：模具準(zhǔn)備；底架上蒙皮鋪貼；底架上蒙皮固化成型；加入包裹膠膜的泡沫，同時(shí)可以加入預(yù)埋金屬件或復(fù)合材料預(yù)制件；泡沫與底架上蒙皮整體成型；在泡沫結(jié)構(gòu)上鋪貼底架下蒙皮；整體固化。

3 復(fù)合材料車體關(guān)鍵問題研究

3.1 防火要求

復(fù)合材料選用的材料，如預(yù)浸料、樹脂、粘接劑、泡沫，要滿足軌道車輛的防火要求，如果選用的樹脂、預(yù)浸料，不滿足防火要求，需要加入防火材料，滿足整體的防火要求。

3.2 接地和電磁兼容要求

金屬車體可以導(dǎo)電，所以只需要將車體上的接地設(shè)備先連接到車體上，通過車體連入轉(zhuǎn)向架輪對(duì)導(dǎo)入大地，復(fù)合材料車體為不良導(dǎo)體，需要對(duì)設(shè)備統(tǒng)一做接地處理，可以考慮在夾層內(nèi)部預(yù)埋銅板，然后在設(shè)備需要接地的位置通過螺栓連接到銅板，最后將整個(gè)銅板通過轉(zhuǎn)向架輪對(duì)導(dǎo)入大地。

電磁兼容要保證整車電磁兼容的要求，對(duì)于車下磁場(chǎng)較強(qiáng)部位，需要作隔磁處理。

3.3 剛度要求

由于碳纖維-芯層結(jié)構(gòu)為各項(xiàng)異性材料，車體剛度要保證在正常載荷和自然頻率下，車體變形不超過運(yùn)行條件所決定的極限值，需要在車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，選擇合適比重的芯層結(jié)構(gòu)，并在車體變形比較大的區(qū)域做局部加強(qiáng)。

3.4 車體大部件連接方式

碳纖維車體不能像金屬車體一樣通過焊接方式來連接車體大部件，需要考慮通過膠粘或者螺栓、鉚釘?shù)染o固件的方式進(jìn)行連接，在考慮連接強(qiáng)度的同時(shí)，還要重點(diǎn)考慮整車壽命要滿足設(shè)計(jì)要求，以及連接后整車的密封和防水要求。

3.5 開孔問題

復(fù)合材料車體在做系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免在承力區(qū)域開孔，否則可能導(dǎo)致碳纖維傳力的不連續(xù)。

3.6 車體小件連接方式

復(fù)合材料車體由于無法焊接，小件只能通過膠粘或者緊固件連接，小件材質(zhì)若為金屬材質(zhì)，還要在復(fù)合材料夾層中預(yù)埋金屬板，然后再通過緊固件進(jìn)行連接。

4 碳纖維復(fù)合材料車體在軌道車輛領(lǐng)域的可行性分析

碳纖維復(fù)合材料車體主要受幾方面的制約，主要包括：碳纖維材料成本比較高、成型工藝要求比較高、設(shè)計(jì)者需要具備一定的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、量產(chǎn)料件如何保證工藝穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量。

碳纖維復(fù)合材料車體的應(yīng)用還處于初級(jí)階段，針對(duì)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、工藝規(guī)范、材料標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品檢驗(yàn)和試驗(yàn)驗(yàn)證等工作還沒有建立或完善，需要大量的試驗(yàn)研究和試驗(yàn)驗(yàn)證工作。這些因素也阻礙了碳纖維復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域的發(fā)展。

碳纖維復(fù)合材料車體如果想要在軌道交通領(lǐng)域很好的應(yīng)用，就要在以下幾個(gè)方便做考慮，首先材料選擇上可以考慮在次承力結(jié)構(gòu)上采用玻纖和碳纖混雜設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮碳纖維材料強(qiáng)度高，玻纖價(jià)格便宜的優(yōu)勢(shì)，將減重和降低成本整體考慮；其次在設(shè)計(jì)過程中，考慮結(jié)構(gòu)優(yōu)化、系統(tǒng)集成，在提高復(fù)合材料隔聲隔音前提下，就可以考慮將車體結(jié)構(gòu)、內(nèi)裝結(jié)構(gòu)集成在一起，去除防寒和隔音材料，這樣就可以大幅度較少整車重量、降低成本；最后一定要優(yōu)化工藝成型技術(shù)，簡(jiǎn)化工藝過程、提升工藝穩(wěn)定性、提高生產(chǎn)效率。

5 結(jié)束語

隨著對(duì)碳纖維復(fù)合材料研究的深入，逐步解決碳纖維復(fù)合材料車體設(shè)計(jì)中存在的問題，碳纖維復(fù)合材料在軌道車輛車體上的應(yīng)用也會(huì)越來越廣泛。

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