方炅任, 張亞楠, 趙川宇, 張?jiān)品?/p>

(1 中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司， 長(zhǎng)春 130062;2 北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司， 北京 100068)

近年我國(guó)地鐵、城市軌道交通發(fā)展迅速，城市軌道交通運(yùn)營(yíng)主體在進(jìn)行車輛產(chǎn)品招標(biāo)時(shí)，明確提出了減重的技術(shù)要求。為滿足運(yùn)力，各個(gè)城市要求減重以減少輪阻、風(fēng)阻，提高運(yùn)行速度，另一方面，車輛減重也能極大地減少城市能耗[1-2]。目前，在軌道車輛車身上常用的材料有鋁合金、不銹鋼和耐候鋼等傳統(tǒng)金屬材料。由于材料性能的限制，傳統(tǒng)金屬材料的輕量化比例有限。

碳纖維復(fù)合材料(以下簡(jiǎn)稱：碳纖維材料)，由于其在強(qiáng)度、抗變形、抗磁化、耐高溫、耐腐蝕等方面的優(yōu)點(diǎn)，自20世紀(jì)90年代以來(lái)，逐漸被法國(guó)、日本、韓國(guó)等國(guó)家科研機(jī)構(gòu)嘗試在軌道車輛上進(jìn)行輕量化研究[3-4]。近年來(lái)，我國(guó)中車集團(tuán)、西南交大等科研機(jī)構(gòu)，也陸續(xù)開(kāi)展了碳纖維材料在軌道車輛上的應(yīng)用研究[5-7]。除了車身，頭罩由于其集安全、美觀及風(fēng)阻等性能要求于一體，成為了國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)優(yōu)先研究碳纖維材料應(yīng)用的產(chǎn)品之一。日本石塚理[3]等人研制的新干線電車CFRP車頭，產(chǎn)品通過(guò)了載荷、氣密性及振動(dòng)性等試驗(yàn)；西南交大[5]研究了碳纖維材料在高鐵頭罩上的應(yīng)用，結(jié)果表明，碳纖維材料頭罩產(chǎn)品可滿足30 kPa風(fēng)壓、137 kN排障和振動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)要求；唐山軌道客車有限公司[6]設(shè)計(jì)并計(jì)算了城軌車輛碳纖維材料頭罩的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和固有頻率，均能滿足使用需求。

主要針對(duì)碳纖維材料的選擇、碳纖維材料成型工藝、碳纖維材料頭罩產(chǎn)品缺陷控制、碳纖維材料連接方式等方面進(jìn)行了研究，并對(duì)設(shè)計(jì)完成的頭罩產(chǎn)品進(jìn)行了22種工況條件下的仿真分析。

1 碳纖維材料的選擇

碳纖維材料由兩部分組成：樹(shù)脂基體和碳纖維絲，樹(shù)脂基體為碳纖維材料的粘接劑，它對(duì)碳纖維材料的機(jī)械性能、成型工藝及材料的成本有直接的關(guān)系，需根據(jù)使用環(huán)境、承受的載荷來(lái)確定基體材料。因車頭頭罩基本不參與載荷，頭罩可選擇乙烯基樹(shù)脂作為基體材料。此外，北京市域快軌車輛防火要求需滿足EN 45545-HL2標(biāo)準(zhǔn)，乙烯基樹(shù)脂為溴化、反應(yīng)型樹(shù)脂，具有與碳纖維界面結(jié)合性好、耐熱性高、防火阻燃能力強(qiáng)等特點(diǎn)，因此，采用乙烯基樹(shù)脂作為基體材料也能夠滿足北京市域快軌車輛車輛防火要求。

頭罩產(chǎn)品選用厚度0.25 mm、200 g/m2的碳纖維雙軸布和厚度0.8 mm、800 g/m2碳纖維四軸布兩種材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，碳纖維具體機(jī)械性能如表1所示。根據(jù)碳纖維可設(shè)計(jì)性，對(duì)碳纖維材料分別進(jìn)行0°、90°、-45°和45°鋪層設(shè)計(jì)，頭罩主結(jié)構(gòu)區(qū)域蒙皮為4 mm，加厚區(qū)域?yàn)?.7 mm，同時(shí)滿足頭罩靜強(qiáng)度、沖擊載荷及產(chǎn)品輕量化要求。

車頭骨架，由于承載較大，則需要采用環(huán)氧樹(shù)脂作為基體材料。車頭骨架用碳纖維復(fù)合材料采用預(yù)浸料工藝成型，預(yù)浸料工藝采用樹(shù)脂基體，在嚴(yán)格控制的條件下浸漬連續(xù)纖維或織物，最終制成樹(shù)脂基體與增強(qiáng)體的組合物。項(xiàng)目所使用的無(wú)鹵高阻燃性快速固化環(huán)氧樹(shù)脂碳纖維預(yù)浸料，可實(shí)現(xiàn)5 min快速固化，性能優(yōu)于同阻燃級(jí)別的酚醛樹(shù)脂預(yù)浸料。此外，快速固化環(huán)氧樹(shù)脂與芯材粘接強(qiáng)度更大，可減少膠膜的使用，以達(dá)到減重和降成本的目的?？焖俟袒h(huán)氧樹(shù)脂具有以下特點(diǎn)。

表1 碳維纖的機(jī)械性能

①固化快;

②優(yōu)良的表面狀態(tài)及機(jī)械性能;

③加工工藝性好;

④制造周期短;

⑤能夠滿足鐵路客車EN 45545-HL3級(jí)別的阻燃標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)滿足軌道車輛TVOC及TB/T 3139等環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

2 碳纖維頭罩及碳纖維骨架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

為滿足車輛的輕量化需求，依據(jù)碳纖維材料比強(qiáng)度、比模量高等特點(diǎn)，頭罩產(chǎn)品采用4 mm厚真空導(dǎo)入工藝碳纖維材料，車頭骨架則采用主體4 mm厚的預(yù)浸料成型工藝碳纖維材料。車輛需滿足EN 12663標(biāo)準(zhǔn)中的強(qiáng)度要求，因此，車頭骨架受力較大的窗下載荷處，根據(jù)截面慣性矩理論，車頭骨架可被設(shè)計(jì)成腔型的結(jié)構(gòu)，一方面，可滿足零件受力要求，另一方面，可實(shí)現(xiàn)零件的減重要求。此外，利用有限元對(duì)車頭骨架進(jìn)行進(jìn)一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化，盡可能減小骨架斷面，增加司機(jī)室空間并實(shí)現(xiàn)車輛輕量化。通過(guò)有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化相結(jié)合進(jìn)行碳纖維材料車頭骨架設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)材料設(shè)計(jì)車頭骨架相比，可減重30%左右。

3 成型工藝

3.1 樹(shù)脂真空導(dǎo)入成型工藝

頭罩采用碳纖維樹(shù)脂真空導(dǎo)入工藝進(jìn)行制造。首先將碳纖維在模具上鋪設(shè)，將真空輔助材料(如脫模布，導(dǎo)流網(wǎng)，真空袋等)置于上方，然后抽真空。碳纖維材料會(huì)在大氣壓力下被壓平，混合完畢的液體樹(shù)脂經(jīng)軟管被引入碳纖維材料片材中。待樹(shù)脂完全進(jìn)入碳纖維片材后，停止液態(tài)樹(shù)脂導(dǎo)入，隨后在真空狀態(tài)下進(jìn)行固化。采用真空導(dǎo)入工藝制備復(fù)合材料，可避免傳統(tǒng)濕法手糊工藝中出現(xiàn)的樹(shù)脂富余和性能不穩(wěn)定等問(wèn)題，同時(shí)可消除孔隙和制件中的氣泡，使產(chǎn)品外觀質(zhì)量、強(qiáng)度更優(yōu)異。

3.2 碳纖維材料預(yù)浸料真空袋壓高溫固化成型工藝

車頭骨架采用預(yù)浸料真空袋壓高溫固化成型工藝進(jìn)行制造。將產(chǎn)品密封在模具和真空袋之間，通過(guò)抽真空對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行加壓，并進(jìn)行高溫固化，使產(chǎn)品更加密實(shí)、力學(xué)性能更好。具體工藝步驟為：將碳纖維預(yù)浸料鋪放置在模具上，然后鋪設(shè)真空輔助材料(如脫模布，真空袋等)，抽真空后，將產(chǎn)品放入烘箱內(nèi)進(jìn)行高溫固化。采用此工藝形成的產(chǎn)品，性能均勻，可有效控制產(chǎn)品厚度和含膠量，減少產(chǎn)品中的氣泡，適用于成型復(fù)雜、大型制件。

4 碳纖維材料測(cè)試、缺陷分析及控制方法

根據(jù)鋪層設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果，采用不同成型工藝，制備了碳纖維復(fù)合材料。隨后，對(duì)制備的材料分別進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試及缺陷分析。采用真空導(dǎo)入成型工藝制備的頭罩材料測(cè)試結(jié)果表2～表3所示?？梢钥闯?，頭罩材料未開(kāi)孔時(shí)，抗拉強(qiáng)度為490 MPa，主要破壞位置位于材料中部，失效形式為邊緣分層；開(kāi)孔后材料抗拉強(qiáng)度下降約19.6%，失效形式為橫向斷裂。這主要是由于碳纖材料材料開(kāi)孔后，在孔邊緣產(chǎn)生應(yīng)力集中，并且應(yīng)力迅速沿90°面擴(kuò)展的結(jié)果。材料在受壓載荷下，強(qiáng)度明顯低于受拉載荷，主要失效形式為軸向斷裂且失效的位置不確定，這主要是由于碳纖維復(fù)合材料中樹(shù)脂粘結(jié)劑材料填充不均勻?qū)е隆?/p>

表2 頭罩碳纖維復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

注：DGM(失效形式D(邊緣分層)，失效區(qū)域G(工作段)，失效位置M(中部)) LGM(失效形式L(橫向)，失效區(qū)域G(工作段)，失效位置M(中部))

表3 頭罩碳纖維復(fù)合材料壓縮、剪切強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

注：SGV(失效形式S(軸向劈裂)，失效區(qū)域G(工作段)，失效位置V(多種))

采用預(yù)浸料真空袋壓高溫固化成型工藝制備的骨架碳纖維復(fù)合材料，其測(cè)試結(jié)果如表4～表5所示?？梢钥闯霾捎么斯に嚦尚偷牟牧?，力學(xué)性能明顯優(yōu)于采用樹(shù)脂真空導(dǎo)入成型工藝制備的頭罩材料，其抗拉強(qiáng)度達(dá)910 MPa，開(kāi)孔材料強(qiáng)度也高于頭罩材料。這主要是由于采用高溫固化成型過(guò)程中，粘結(jié)劑與碳纖維更好的界面結(jié)合，材料中孔隙率小于樹(shù)脂真空導(dǎo)入成型工藝制備的頭罩材料[8]，因此，力學(xué)性能顯著提高。真空袋壓高溫固化成型工藝制備的骨架碳纖維復(fù)合材料其主要失效形式為爆炸式斷裂，這主要是由于材料失效是以90°鋪層的基體拉伸失效和0°鋪層纖維拉伸失效起始[9]；隨載荷的增加纖維拉伸失效區(qū)域和基體拉伸失效區(qū)域不斷擴(kuò)展，并逐漸發(fā)生拉伸分層失效和基體剪切失效；最終顯現(xiàn)出爆炸斷裂的形式。

表4 車頭骨架碳纖維復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

注：XGM(失效形式X(爆炸)，失效區(qū)域G(工作段)，失效位置M(中部))

LGM(失效形式L(橫向)，失效區(qū)域G(工作段)，失效位置M(中部))

表5 車頭骨架碳纖維復(fù)合材料壓縮、剪切強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

注：HAT(失效形式H(剪壞)，失效區(qū)域A(夾持端)，失效位置T(端部))

BGM(失效形式B(爆炸)，失效區(qū)域G(工作段)，失效位置M(中部))

復(fù)合材料的孔隙率會(huì)直接影響材料的機(jī)械性能。造成材料孔隙率高的主要原因?yàn)椋河捎诖嬖谳^高含量的揮發(fā)物、殘留的部分小分子物質(zhì)，樹(shù)脂黏度大、流動(dòng)性差等原因，樹(shù)脂與纖維的浸潤(rùn)性較差，復(fù)合材料在拐角處，往往出現(xiàn)貧樹(shù)脂現(xiàn)象，不能填充較好。復(fù)合材料孔隙率增高，會(huì)嚴(yán)重降低復(fù)合材料的力學(xué)性能。降低復(fù)合材料孔隙率，首先要嚴(yán)格選材，按規(guī)范驗(yàn)收纖維、樹(shù)脂、固化劑、脫模劑、膠衣等其他輔助材料，其次是控制生產(chǎn)過(guò)程中的樹(shù)脂與纖維的結(jié)合狀態(tài)，嚴(yán)格按照樹(shù)脂規(guī)定的溫度、適度、固化時(shí)間進(jìn)行工藝控制，可制作樣件通過(guò)超聲波檢測(cè)，滿足要求后，再進(jìn)行成品的制作。

根據(jù)以上分析，在進(jìn)行設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)盡可能減小開(kāi)孔面積，并在生產(chǎn)過(guò)程中嚴(yán)格控制孔隙率，確保產(chǎn)品滿足設(shè)計(jì)要求。

5 碳纖維的連接方式

碳纖維常用的連接方式有機(jī)械連接、膠接以及混合連接等。項(xiàng)目中采用的是混合連接，即機(jī)械連接與膠接混合設(shè)計(jì)。

(1)螺栓連接

螺栓連接主要是采用緊固件將兩個(gè)碳纖維料件連接在一起，可設(shè)計(jì)成有一定調(diào)節(jié)量的、可以重復(fù)拆解的連接方式。安裝過(guò)程中，出現(xiàn)變形以及因公差累計(jì)的超差等現(xiàn)象時(shí)，可根據(jù)裝配要求，選擇螺栓孔的方向。因?yàn)樘祭w維復(fù)合材料塑性較差，會(huì)造成多排緊固件連接載荷分布不均勻的問(wèn)題，因此，采用緊固件連接形式時(shí)，應(yīng)盡可能選用不多于兩排的緊固件，緊固件盡可能選用平行排列，避免交錯(cuò)排列，以提高強(qiáng)度[9]。

圖1為螺栓連接方案。為保證順利安裝，碳纖維零件上設(shè)計(jì)長(zhǎng)圓孔進(jìn)行調(diào)整，以滿足裝配需求。與車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接時(shí)，采用8.8級(jí)的M20螺栓。

圖1 螺栓連接方案

(2)膠接

膠接是碳纖維復(fù)合材料常用的一種連接方式，通過(guò)粘結(jié)劑將兩個(gè)碳纖維零件連接在一起。膠接設(shè)計(jì)遵循的原則是：膠層需在最大強(qiáng)度方向受剪力，盡量避免膠層在法向受力，發(fā)生剝離失效。采用膠接，可避免因開(kāi)孔而導(dǎo)致的應(yīng)力集中及產(chǎn)生較好的氣密性，除與外部有接口處外，其余零件之間，均采用膠接方式進(jìn)行連接，圖2為典型的膠接結(jié)構(gòu)。

6 車頭碳纖維材料鋪層設(shè)計(jì)優(yōu)化及靜強(qiáng)度校核

由于車頭承受靜載荷較大，也有較高的減重需求，采用局部補(bǔ)強(qiáng)增厚措施對(duì)車頭蒙皮、車頭上部骨架、司機(jī)室前擋板以及立柱處進(jìn)行鋪層局部補(bǔ)強(qiáng)。

(1)靜載荷工況強(qiáng)度校核

為進(jìn)一步確認(rèn)采用碳纖維設(shè)計(jì)的頭罩是否滿足車輛使用要求，利用HyperMesh軟件與Ansys 軟件，基于TB 1335-96 標(biāo)準(zhǔn)、BS EN 12663-1 2010 標(biāo)準(zhǔn)和IIW-1823-07/XIII-2151r4-07/ XV-1254r4-07標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)給定的車頭總體數(shù)據(jù)結(jié)合鋁合金車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了車輛標(biāo)準(zhǔn)要求的22種工況條件下的靜強(qiáng)度分析。

圖2 典型膠接結(jié)構(gòu)

(2)碳纖維司機(jī)室及鋁合金車體有限元模型

建立車體有限元模型時(shí)，凡是對(duì)車輛整體剛度及局部強(qiáng)度有貢獻(xiàn)的結(jié)構(gòu)，都予以考慮。為了計(jì)算的準(zhǔn)確性，碳纖維司機(jī)室模型構(gòu)成以任意4節(jié)點(diǎn)薄殼單元為主，3節(jié)點(diǎn)薄殼單元為輔。碳纖維司機(jī)室及鋁合金車體有限元模型中單元總數(shù)為2 474 855，結(jié)點(diǎn)總數(shù)為2 210 578。

(3)靜強(qiáng)度失效分析

車頭強(qiáng)度判定標(biāo)準(zhǔn)：所有工況作用下，碳纖維司機(jī)室各部件的蔡-吳失效因子必須小于1。

根據(jù)車輛設(shè)計(jì)要求，對(duì)22種工況條件進(jìn)行了分析。具體工況及結(jié)果如表6所示?？梢钥闯?，采用碳纖維材料設(shè)計(jì)的城市軌道車輛車頭，能夠滿足所有22種工況條件下的車輛設(shè)計(jì)要求，蔡-吳失效因子均小于1。在工況9(AW0+一位端部壓縮窗臺(tái)高度處300 kN)和工況15(車鉤復(fù)軌一位端抬起)條件下，司機(jī)室前端骨架立柱和立板處，設(shè)計(jì)安全系數(shù)相對(duì)較低。

工況9模擬車輛發(fā)生碰撞時(shí)的工況，要求在車鉤及防爬器完全吸能后，車頭結(jié)構(gòu)仍能承受載荷，保護(hù)司機(jī)安全。圖3為工況9具體載荷邊界條件。圖4～圖7分別為工況9條件下，車頭蔡-吳失效因子云圖、第1主應(yīng)變?cè)茍D、第3主應(yīng)變?cè)茍D和剪切應(yīng)變?cè)茍D?？梢钥闯?，在此工況條件下，司機(jī)室前端擋板和前端骨架立柱處出現(xiàn)應(yīng)力集中，從圖5、圖6放大圖中可以看出，前端擋板最大應(yīng)變值為0.002 45，前端骨架立柱最大應(yīng)變值為0.000 144。圖7顯示剪切應(yīng)變?cè)茍D最大值為0.002 12，結(jié)合圖4蔡-吳失效因子為0.87<1，可得出結(jié)論：車頭設(shè)計(jì)滿足該工況要求。

表6 不同工況條件下車頭失效分析結(jié)果

圖3 計(jì)算工況9載荷邊界條件注：加載面積1 600×96 mm2，加載位置中心距地板上表面高度590 mm

圖4 工況9失效因子云圖

圖5 工況9第1主應(yīng)變?cè)茍D

圖6 工況9第3主應(yīng)變?cè)茍D

工況15模擬車輛一位端脫軌，車鉤座復(fù)軌工況。圖8為此工況條件下載荷邊界條件設(shè)置。圖9～圖12分別為工況15條件下，車頭蔡-吳失效因子云圖、第1主應(yīng)變?cè)茍D、第3主應(yīng)變?cè)茍D和剪切應(yīng)變?cè)茍D?？梢钥闯觯诖斯r條件下，司機(jī)室蒙皮燈角處出現(xiàn)應(yīng)力集中。其中最大主應(yīng)變?yōu)?.002 44，最大剪切應(yīng)變值為0.003 83。此工況條件下，車頭蔡-吳失效因子為0.87<1，因此，車頭設(shè)計(jì)能夠滿足該工況要求。

圖7 工況9剪切應(yīng)變?cè)茍D

圖8 計(jì)算工況15載荷邊界條件

圖9 工況15失效因子云圖

由于其余工況條件下，計(jì)算的蔡吳失效因子值均小于1，且最大應(yīng)力、應(yīng)變值均較小，能夠滿足設(shè)計(jì)要求，不進(jìn)行贅述。通過(guò)以上分析可知，采用碳纖維材料設(shè)計(jì)和制造市域軌道車輛車頭頭罩、骨架，方案可行，能夠滿足車輛設(shè)計(jì)要求。

圖10 工況15第1主應(yīng)變?cè)茍D

圖11 工況15第3主應(yīng)變?cè)茍D

圖12 工況15剪切應(yīng)變?cè)茍D

7 結(jié) 論

以市域軌道車輛車頭頭罩、骨架為載體，對(duì)車頭用碳纖維復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)與優(yōu)化、材料成型工藝等方面進(jìn)行了研究，并對(duì)設(shè)計(jì)完成的頭罩產(chǎn)品進(jìn)行了仿真分析。研究及分析結(jié)果表明：

(1) 采用碳纖維復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造城軌車輛車頭頭罩及骨架，方案可行，可實(shí)現(xiàn)減重30%。

(2) 采用樹(shù)脂真空導(dǎo)入成型工藝制備的碳纖維復(fù)合材料性能低于采用預(yù)浸料真空袋壓高溫固化成型工藝制備的復(fù)合材料，適合用于承載較小的車身覆蓋件，其主要失效形式為分層斷裂，在有螺栓孔的位置，主要失效形式為橫向斷裂；

(3) 采用預(yù)浸料真空袋壓高溫固化成型工藝制備的碳纖維復(fù)合材料，具有較好的力學(xué)性能，適用于承載較大的車身結(jié)構(gòu)件，其主要失效形式為爆炸斷裂，在有螺栓孔的位置，主要失效形式為橫向斷裂。