復(fù)合材料在地鐵列車吸能防爬裝置上的應(yīng)用

何佳捷,由天宇

(1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司,山東 青島 266111;2.中南大學(xué) 軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410083)

2019年啟動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)地鐵列車統(tǒng)型[1],對(duì)地鐵列車的各項(xiàng)性能尤其是安全性能提出了更高的要求,而地鐵列車受人為操作失誤、設(shè)備故障、技術(shù)漏洞等影響,碰撞時(shí)有發(fā)生[2-4],因此地鐵列車吸能防爬結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。目前我國(guó)地鐵列車主要采用由防爬齒、導(dǎo)管及內(nèi)充耗能元件所組成的裝置設(shè)計(jì)方案[5],主要材料均采用鋁合金材料,但隨著列車輕量化需求的日益提升,尋求各金屬結(jié)構(gòu)的替代材料成為一種緊迫的需求,而纖維增強(qiáng)復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬材料是實(shí)現(xiàn)列車輕量化的重要方法[6-9]。

復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、易于整體成型和可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)異特性,通常復(fù)合材料是由增強(qiáng)相、基體相及其相結(jié)合的界面相一起構(gòu)成的多相體系,其中增強(qiáng)相在復(fù)合材料中主要起承載作用,提供復(fù)合材料的強(qiáng)度和剛度,基體相則固定和支持增強(qiáng)相,保護(hù)增強(qiáng)相、傳遞增強(qiáng)相間的載荷等。因此,復(fù)合材料保持了原組分的主要特點(diǎn),同時(shí)又具備了原組分所沒有的新性能,具有很強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性。因此地鐵列車復(fù)合材料吸能結(jié)構(gòu)具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文緊扣列車輕量化及安全性的需求,設(shè)計(jì)了4種復(fù)合材料列車吸能防爬裝置方案,并對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行了校核,同時(shí)將其與傳統(tǒng)金屬材料吸能防爬裝置的吸能特性進(jìn)行了對(duì)比,分析了復(fù)合材料在吸能防爬裝置上應(yīng)用的可行性。

1 方案設(shè)計(jì)

圖1為標(biāo)準(zhǔn)化地鐵列車的復(fù)合吸能防爬裝置示意圖,該裝置由前部防爬齒及內(nèi)導(dǎo)管、后部導(dǎo)向管以及內(nèi)部蜂窩吸能原件組成,在此基礎(chǔ)上,防爬齒部分沿用鋁合金材料,內(nèi)導(dǎo)管及后部導(dǎo)向管采用碳纖維復(fù)合材料制作,其中內(nèi)導(dǎo)管與防爬齒一體化成型,即碳纖維預(yù)浸料在防爬齒上進(jìn)行鋪放并一起固化成型,內(nèi)導(dǎo)管內(nèi)部根據(jù)隔板的不同布置形式共有4種方案,如圖2所示,4種方案的外輪廓尺寸及防爬齒尺寸、導(dǎo)管厚度與圖1所示的防爬裝置相同。

圖1 復(fù)合防爬吸能裝置外形尺寸輪廓圖

圖2 復(fù)合材料吸能防爬裝置的4種方案

4種防爬裝置均在內(nèi)導(dǎo)管末端填充蜂窩,其中方案圖2(a)內(nèi)部無隔板,方案圖2(b)內(nèi)部有一個(gè)隔板,法向?yàn)閥軸且經(jīng)過內(nèi)導(dǎo)管形心,方案圖2(c)內(nèi)部有兩個(gè)平行排列的隔板,法向?yàn)閥軸且將內(nèi)導(dǎo)管內(nèi)部空間三等分,方案圖2(d)內(nèi)部有兩個(gè)十字形隔板,法向分別為x軸、y軸且都經(jīng)過內(nèi)導(dǎo)管形心。

4種復(fù)合材料吸能防爬裝置與同樣外輪廓尺寸的金屬吸能防爬裝置的質(zhì)量對(duì)比如表1所示,可見復(fù)合材料吸能防爬裝置的質(zhì)量明顯小于鋁合金材質(zhì)的,約為鋁合金材質(zhì)質(zhì)量的67%。

表1 復(fù)合防爬吸能裝置質(zhì)量分布 kg

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

2.1 有限元模型

根據(jù)圖1中端部防爬吸能裝置的幾何尺寸,圖3給出了相應(yīng)的全尺寸有限元網(wǎng)格模型。其中圖3(a)～(d)用于圖2中4種方案的靜強(qiáng)度計(jì)算,因蜂窩在靜強(qiáng)度計(jì)算中影響可以忽略不記,因此圖3(a)～(d)所建有限元模型不含蜂窩,圖3(e)～(f)用于沖擊吸能的計(jì)算,其中圖3(e)為圖2(a)基礎(chǔ)上增加2個(gè)隔板后的模型,圖3(f)為圖1尺寸的鋁合金材料吸能防爬裝置模型,用于對(duì)比分析。本文在通用有限元軟件求解環(huán)境下構(gòu)建防爬吸能結(jié)構(gòu)的有限元模型,考慮到壓縮過程中結(jié)構(gòu)的大變形及復(fù)雜接觸狀態(tài),防爬齒采用六面體實(shí)體單元?jiǎng)澐?內(nèi)導(dǎo)管、后部導(dǎo)管及內(nèi)充蜂窩耗能元件采用四邊形殼單元?jiǎng)澐?可在保證計(jì)算精度的同時(shí)節(jié)約計(jì)算成本[10-11]。在各部件之間設(shè)置了通用接觸,其動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)取為0.2[10-11]。進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算時(shí),將內(nèi)導(dǎo)管末端與后導(dǎo)管前端綁定,并在防爬齒處分別施加沿垂向及橫向的大小均為150 kN的載荷。為模擬碰撞載荷,通過在防爬齒端設(shè)置一剛性平板并對(duì)其施加速度場(chǎng)邊界條件,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化地鐵企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求[1],速度設(shè)定為36 km/h。

圖3 復(fù)合材料防爬吸能裝置的有限元模型

圖4為內(nèi)導(dǎo)管的復(fù)合材料鋪層示意圖,內(nèi)導(dǎo)管壁厚15 mm,鋪層為[0/90]50,其中單層鋪層厚度為0.15 mm,后部導(dǎo)管采用同樣的方式進(jìn)行鋪放。

圖4 復(fù)合材料鋪層示意圖

碳纖維復(fù)合材料增強(qiáng)相為T700,連續(xù)相為環(huán)氧樹脂TDE-85,其材料參數(shù)如表2所示。防爬齒部分選用鋁合金材料,牌號(hào)為5052,內(nèi)填充蜂窩鋁合金牌號(hào)為3003,同時(shí)蜂窩耗能元件考慮了加工過程中造成的部分鋁箔雙倍壁厚效應(yīng)。鋁合金材料參數(shù)如表3所示,由于鋁合金材料的應(yīng)變率效應(yīng)較低,有限元模型中忽略了材料的應(yīng)變率效應(yīng)[10-11]。

表2 復(fù)合材料單層板(T700)基本力學(xué)性能參數(shù)

表3 鋁合金參數(shù)

2.2 靜強(qiáng)度分析

2.2.1 橫向150 kN載荷強(qiáng)度分析

對(duì)S1-S4 4種方案的防爬裝置的防爬齒端部分別施加150 kN橫向載荷后的強(qiáng)度分析結(jié)果如圖5所示,可見4種方案防爬裝置在橫向載荷作用下的TSAIW值(根據(jù)蔡—吳張量理論得到的強(qiáng)度表征值)均小于1,滿足強(qiáng)度要求。TSAIW值最大為0.65,出現(xiàn)在圖5(c)方案S3,且4種方案TSAIW值最大值均出現(xiàn)在內(nèi)導(dǎo)管與后導(dǎo)管的連接處。

圖5 4種方案在橫向載荷下的TSAIW值云圖

2.2.2 垂向150 kN載荷強(qiáng)度分析

對(duì)4種方案的防爬裝置的防爬齒端部分別施加150 kN垂向載荷后的強(qiáng)度分析結(jié)果如圖6所示,可見4種方案防爬裝置在橫向載荷作用下的TSAIW值均小于1,滿足強(qiáng)度要求。TSAIW值最大為0.76,出現(xiàn)在圖6(a)方案S1,且4種方案TSAIW值最大值均出現(xiàn)在內(nèi)導(dǎo)管與后導(dǎo)管的連接處。

圖6 4種方案在垂向載荷下的TSAIW值云圖

2.3 復(fù)合材料與金屬材料防爬裝置撞擊工況對(duì)比分析

復(fù)合材料吸能防爬裝置方案S1與鋁合金吸能防爬裝置在36 km/h撞擊工況的變形模式對(duì)比如圖7所示,可見,鋁合金吸能防爬裝置和復(fù)合材料吸能防爬裝置的蜂窩壓縮區(qū)域都主要集中在內(nèi)導(dǎo)管的末端。鋁合金吸能防爬裝置內(nèi)導(dǎo)管的末端截面發(fā)生突變,因此蜂窩在此處橫向擴(kuò)張,發(fā)生交疊變形,變形區(qū)域較大,而復(fù)合材料吸能防爬裝置的蜂窩放置在內(nèi)導(dǎo)管末端擋板的后面,截面無突變,且增加了隔板,使得蜂窩變形區(qū)域相對(duì)集中在內(nèi)導(dǎo)管末端附近,變形區(qū)域相對(duì)較小,蜂窩發(fā)生一定程度的屈曲,工程上可以通過增加誘導(dǎo)機(jī)構(gòu),進(jìn)一步改善蜂窩的變形模式。

圖7 防爬吸能裝置的壓縮變形過程

圖8(a)為鋁合金與復(fù)合材料吸能防爬裝置的載荷對(duì)比,可見,由于復(fù)合材料吸能防爬裝置填充的蜂窩橫截面較大,因此復(fù)合材料吸能防爬裝置在撞擊過程中的平臺(tái)載荷明顯高于鋁合金材質(zhì)。以兩條載荷-位移曲線中先達(dá)到蜂窩密實(shí)段的位移為準(zhǔn),將兩條載荷-位移曲線以該位移為準(zhǔn)進(jìn)行截?cái)?將截?cái)嗪蟮牡妮d荷-位移曲線分別積分得到能量-位移曲線,分別除以2種吸能結(jié)構(gòu)的質(zhì)量,得到圖8(b)所示的比吸能-位移曲線,可見復(fù)合材料吸能防爬裝置的比吸能相比鋁合金材質(zhì)顯著增大,截?cái)辔灰铺幍匿X合金吸能結(jié)構(gòu)比吸能為1 502.24 J/kg,復(fù)合材料吸能結(jié)構(gòu)的比吸能為4 897.40 J/kg,是鋁合金材質(zhì)的3.26倍,因此選用復(fù)合材料制造吸能防爬裝置滿足輕量化的需求,具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

圖8 鋁合金與復(fù)合材料吸能防爬裝置對(duì)比

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了4種復(fù)合材料的吸能防爬裝置,并對(duì)其進(jìn)行了橫向及垂向分別作用150 kN載荷的靜強(qiáng)度分析,靜強(qiáng)度分析結(jié)果顯示4種吸能防爬裝置均滿足強(qiáng)度要求,對(duì)方案S1的復(fù)合材料吸能防爬裝置與同輪廓尺寸的標(biāo)準(zhǔn)化地鐵采用的鋁合金材質(zhì)吸能防爬裝置進(jìn)行36 km/h的撞擊工況對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料吸能防爬裝置的蜂窩變形區(qū)域相對(duì)鋁合金材質(zhì)會(huì)更加集中在內(nèi)導(dǎo)管末端,復(fù)合材料的吸能防爬裝置的平臺(tái)載荷及比吸能均明顯高于鋁合金材質(zhì)的,其截?cái)辔灰铺幍谋任苁卿X合金材質(zhì)的3.26倍,滿足吸能要求的同時(shí)質(zhì)量更輕,更符合軌道列車輕量化的要求。