丁 杰， 唐玉兔

(1.湖南文理學(xué)院 國際學(xué)院，湖南 常德 415000；2.湖南文理學(xué)院 地理科學(xué)與旅游學(xué)院，湖南 常德 415000)

軌道車輛的輕量化不僅可以節(jié)省材料、減輕質(zhì)量、降低成本，還可以減少車輛的牽引與制動(dòng)力、減輕線路負(fù)荷、降低能耗，具有重要的意義。復(fù)合材料具有低密度、高比強(qiáng)度和高比剛度等優(yōu)點(diǎn)，已成為輕量化設(shè)計(jì)的首選材料之一，引起了人們的高度關(guān)注[1-2]。

李仲平等[3]系統(tǒng)分析了高性能纖維及其復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀、存在問題及發(fā)展趨勢(shì)，指出復(fù)合材料對(duì)于高端裝備發(fā)展的意義。肖守訥等[4]針對(duì)玻璃纖維、碳纖維和鋁基陶瓷等復(fù)合材料在軌道交通車輛中的應(yīng)用進(jìn)行綜述，從復(fù)合材料種類、成型工藝、設(shè)計(jì)方法和優(yōu)化方法等方面進(jìn)行了系統(tǒng)性總結(jié)。董瑞雪[5]基于有限元法和漸進(jìn)損傷理論對(duì)高速動(dòng)車組的復(fù)合材料設(shè)備艙進(jìn)行仿真，分析接頭的連接性能。仇亞萍等[6]針對(duì)高速磁懸浮列車的裙板結(jié)構(gòu)，采用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行型腔結(jié)構(gòu)一體化成型，提高了抗沖擊性能，減重33%。王成雨等[7]利用有限元法分析復(fù)合材料整車結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和模態(tài)，采用真空輔助成型工藝對(duì)車體的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試制。劉波等[8]對(duì)軌道車輛的碳纖維復(fù)合材料電氣柜體進(jìn)行仿真分析與振動(dòng)沖擊試驗(yàn)，指出碳纖維復(fù)合材料對(duì)于電氣柜體具有良好的輕量化效果。龔明[9]分析了軌道車輛的電磁干擾特征，指出碳纖維改性、鋪層優(yōu)化、涂層防護(hù)等方法可以提高復(fù)合材料的屏蔽效能。

以某地鐵車輛牽引變流器鋁合金柜體為開發(fā)原型，首先通過柜體縮比件的研制工作，獲得復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，以及柜體縮比件的強(qiáng)度、抗振動(dòng)沖擊性能、防護(hù)性能和電磁兼容性；然后開展復(fù)合材料柜體的設(shè)計(jì)與制作，為復(fù)合材料的工程應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)。

1 地鐵車輛變流器產(chǎn)品的技術(shù)要求

地鐵車輛變流器產(chǎn)品的技術(shù)要求主要包括以下方面[10-12]：

(1)防護(hù)等級(jí)。按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4208—2017《外殼防護(hù)等級(jí)(IP代碼)》要求進(jìn)行試驗(yàn)，達(dá)到IP55。

(2)振動(dòng)沖擊。按標(biāo)準(zhǔn)IEC 61373: 1999《Railway applications- Rolling stock equipment- Shock and vibration tests》中1類A級(jí)要求進(jìn)行試驗(yàn)，變流器柜體結(jié)構(gòu)無損傷、彎曲變形及緊固件松動(dòng)的現(xiàn)象。

(3)電磁兼容。按標(biāo)準(zhǔn)IEC 62236-3-2:2008《Railway applications- Electromagnetic compatibility- Part 3-2: Rolling stock- Apparatus》要求進(jìn)行試驗(yàn)，變流器產(chǎn)生的電磁場(chǎng)不得影響車載信號(hào)系統(tǒng)和個(gè)人通信設(shè)備等正常工作，以及對(duì)裝有心臟起搏器的乘客產(chǎn)生影響。

(4)濕熱性能。按標(biāo)準(zhǔn)IEC 60068-2-30: 2005《Environmental testing- Part 2-30: Tests Db: Damp heat, cyclic(12+12h cycle)》要求進(jìn)行55 ℃、2周期交變濕熱試驗(yàn)，變流器無損傷、變形等異常。

(5)低溫性能。按標(biāo)準(zhǔn)IEC 60068-2-1: 2007《Environmental testing- Part 2-1: Tests-Test A: Cold》要求，-25 ℃中放置12 h后，要求變流器無損傷、變形等異常。

(6)高溫性能。按標(biāo)準(zhǔn)IEC 60068-2-2: 2007《Environmental testing- Part 2-2: Tests-Test B: Dry heat》要求，45 ℃中放置6 h，然后70 ℃中放置6 h，要求變流器無損傷、變形等異常。

(7)安全環(huán)保。為了避免柜體帶電，柜體上的接地螺柱與車體接地電路相連；工作環(huán)境溫度為-45～80 ℃，由于內(nèi)部有發(fā)熱的電氣設(shè)備，故局部可達(dá)100～125 ℃；無禁用、限用的材料，具有防火安全性、抗腐蝕性和抗老化性；滿足噪聲等級(jí)要求。

如圖1所示的某地鐵車輛牽引變流器的柜體采用鋁合金材料的型材與板材焊接而成。牽引變流器通過3根鋁合金承載梁端部的6個(gè)吊裝點(diǎn)與車體底梁緊固相連，吊裝于車體底部。柜體質(zhì)量為486 kg，柜體長(zhǎng)度、寬度和高度外形尺寸分別為3 022、2 520、646 mm，柜體的縱向、橫向和垂向分別對(duì)應(yīng)車體的長(zhǎng)度、寬度和高度方向。柜體內(nèi)部安裝了功率模塊、控制箱、斬波電阻、短接接觸器、離心風(fēng)機(jī)、空心電抗器、高速斷路器、三位置隔離開關(guān)等電氣設(shè)備，牽引變流器的總質(zhì)量為1 230 kg。

圖1 鋁合金材料的牽引變流器

為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)牽引變流器柜體的輕量化，擬針對(duì)鋁合金柜體采用復(fù)合材料進(jìn)行對(duì)等開發(fā)。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要保證牽引變流器對(duì)外的電氣和機(jī)械接口不變，對(duì)內(nèi)的電氣和機(jī)械接口允許適當(dāng)調(diào)整。

2 復(fù)合材料柜體縮比件的研制

由復(fù)合材料制作的轉(zhuǎn)向架、車體等已有應(yīng)用，然而由復(fù)合材料制作的變流器柜體相關(guān)報(bào)道極少。碳纖維復(fù)合材料柜體的成型及組裝工藝，以及連接強(qiáng)度、防護(hù)等級(jí)、抗振動(dòng)沖擊和電磁兼容等性能有待驗(yàn)證?？紤]到牽引變流器的尺寸和質(zhì)量大，首先開展柜體縮比件的試制，為整柜研制提供基礎(chǔ)。

圖2 柜體縮比件的三維結(jié)構(gòu)

2.1 柜體縮比件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)圖1(b)所示的柜體結(jié)構(gòu)特征和內(nèi)部安裝部件布局進(jìn)行分析可知，功率模塊和離心風(fēng)機(jī)的質(zhì)量相對(duì)較大且分布集中，該區(qū)域2根承載梁的間距為1 075 mm，空心電抗器、斬波電阻和短接接觸器等區(qū)域2根承載梁的間距為1 540 mm。功率模塊集成了IGBT器件、電容、驅(qū)動(dòng)板、脈沖分配板等，是牽引變流器的核心部件，較其他電氣設(shè)備對(duì)溫度、振動(dòng)、電磁等更為敏感，因此，選擇功率模塊腔體(長(zhǎng)寬高尺寸為1 075 mm×550 mm×620 mm)進(jìn)行柜體縮比件試制具有典型性。圖2為柜體縮比件的三維結(jié)構(gòu)。

2.2 復(fù)合材料的性能參數(shù)

T300斜紋布采用環(huán)氧樹脂材料和真空灌注成型工藝，室溫條件下24 h后固化，90 ℃條件下6 h后固化，面密度為480 g/m2。經(jīng)過測(cè)試，常溫下0°、90°方向的拉伸強(qiáng)度分別為584、639 MPa，0°、90°方向的拉伸模量分別為50 000、52 467 MPa，剪切強(qiáng)度為113 MPa，剪切模量為6 107 MPa。80 ℃下90°方向的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量分別為485、51 600 MPa。說明復(fù)合材料的測(cè)試數(shù)據(jù)與材料設(shè)計(jì)、計(jì)算引用數(shù)據(jù)相吻合，高溫力學(xué)性能可以通過工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，然而會(huì)直接影響到產(chǎn)品的成本價(jià)格[13]。

2.3 連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度

復(fù)合材料試件的破壞通常出現(xiàn)在黏接和螺栓連接等處，為此開展連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度試驗(yàn)[14-15]。

根據(jù)圖1(b)中牽引變流器電氣設(shè)備的質(zhì)量及安裝方式，考慮到空心電抗器4個(gè)安裝座共承受220 kg，即單片復(fù)合材料實(shí)際承載最大110 kg，取垂向最大加速度3g時(shí)，垂向最大載荷為3.3 kN，選擇空心電抗器安裝座的連接方式進(jìn)行連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)的設(shè)計(jì)、測(cè)試與仿真，如圖3所示。

圖3 連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核

圖3(a)為試樣的連接示意圖，復(fù)合材料板與連接片之間有膠黏劑層，再由M12螺栓緊固相連。圖3(b)為5件試樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)過程中，垂向加載3.3 kN保持1 min，5件試樣均未出現(xiàn)黏接失效、試驗(yàn)破壞等異常。繼續(xù)增大試驗(yàn)載荷發(fā)現(xiàn)，5件試樣的破壞力分別為76.82、82.14、109.53、100.07、87.39 kN，其中最小破壞力為76.82 kN。圖3(c)為試驗(yàn)后的樣品破壞情況，試樣破壞位置出現(xiàn)在復(fù)合材料板與連接片相接觸的區(qū)域附近，未出現(xiàn)在螺栓孔附近。對(duì)膠黏劑層的剪切強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算校核，試樣最大破壞力取110 kN，單面剪切面積為7 000 mm2，根據(jù)剪切力除以剪切面積計(jì)算得出最大剪切應(yīng)力為7.86 MPa。選取的膠黏劑為TS828丙烯酸結(jié)構(gòu)膠，其固化后與復(fù)合材料黏接的剪切強(qiáng)度大于12.3 MPa，該值大于最大剪切應(yīng)力。圖3(d)為試樣加載到90 kN的應(yīng)力仿真結(jié)果，復(fù)合材料試樣的最大主應(yīng)力為391.3 MPa，位于第一排孔中部，與試樣破壞情況對(duì)比可知5件試樣的破壞型式均與仿真結(jié)果相吻合，破壞的位置都在計(jì)算應(yīng)力最大的位置。通過測(cè)試與仿真均可說明黏接的剪切強(qiáng)度滿足使用要求，黏接和螺栓連接能承受的剪切力遠(yuǎn)大于實(shí)際工況的力。

2.4 柜體縮比件的強(qiáng)度校核

為了獲得柜體縮比件的靜強(qiáng)度結(jié)果，將柜體縮比件的承載梁固定在試驗(yàn)工裝支架，在支撐板上以1 mm/min的速度施加垂向載荷2.1 kN，記錄底面靠近門框的中間位置(測(cè)點(diǎn)1)的位移和底部門框法蘭邊位置轉(zhuǎn)角(測(cè)點(diǎn)2)的應(yīng)變，如圖4所示。圖4(a)為仿真計(jì)算得到的位移分布，圖4(b)為測(cè)試點(diǎn)隨加載時(shí)間的應(yīng)變曲線。

圖4 柜體縮比件的靜強(qiáng)度校核

表1為柜體縮比件靜強(qiáng)度試驗(yàn)的應(yīng)力和位移對(duì)比。柜體縮比件的實(shí)際工作狀態(tài)承受最大拉力為2.1 kN，最大位移試驗(yàn)結(jié)果為0.31 mm，而試驗(yàn)最大載荷達(dá)到30 kN時(shí)并沒有出現(xiàn)破壞、開裂等失效型式，表明柜體縮比件靜強(qiáng)度的安全余量很大。還可以看出測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2中的最大應(yīng)力值仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差在7%左右，最大位移值的仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差在10%左右，說明仿真計(jì)算的誤差相對(duì)較小。

表1 柜體縮比件的靜強(qiáng)度試驗(yàn)與仿真對(duì)比

2.5 柜體縮比件的抗振動(dòng)沖擊性能

地鐵車輛牽引變流器的振動(dòng)沖擊試驗(yàn)依據(jù)IEC 61373標(biāo)準(zhǔn)1類A級(jí)試驗(yàn)條件進(jìn)行。模擬長(zhǎng)壽命隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)要求產(chǎn)品經(jīng)受垂向、橫向和縱向各5 h的振動(dòng)，試驗(yàn)后要求柜體沒有開裂、螺栓松動(dòng)等缺陷。沖擊試驗(yàn)要求產(chǎn)品經(jīng)受垂向、橫向、縱向尖峰加速度值分別為30、30、50 m/s2，周期均為30 ms，正反方向各3次的半正弦波沖擊，試驗(yàn)后要求柜體沒有開裂、螺栓松動(dòng)等缺陷。

圖5 振動(dòng)試驗(yàn)載荷譜

值得注意的是，IEC 61373標(biāo)準(zhǔn)1999年版本的加速比為7.83，而2010年版本的加速比降為5.66，為了增大產(chǎn)品的安全裕度，采用相對(duì)嚴(yán)苛的1999年版本進(jìn)行校核評(píng)估。圖5為1類A級(jí)長(zhǎng)壽命隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的載荷譜，模擬長(zhǎng)壽命隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的上下限由設(shè)備質(zhì)量M確定。當(dāng)M<500 kg時(shí)，f1=5 Hz，f2=150 Hz；當(dāng)500 kg≤M<1 250 kg時(shí)，f1=(1 250/M)×2 Hz，f2=(1 250/M)×60 Hz；當(dāng)M>1 250 kg時(shí)，f1=2 Hz，f2=60 Hz。縱向、橫向和垂向加速度譜密度(ASD)量級(jí)分別為0.452、0.250、1.034 (m/s2)2/Hz。

考慮到振動(dòng)沖擊試驗(yàn)對(duì)功率模塊具有破壞性，為節(jié)約功率模塊試驗(yàn)品的成本，采用配重塊的方式模擬功率模塊在柜體縮比件中的作用。在柜體縮比件中，頂部吊裝板上由8個(gè)螺栓固定吊掛40 kg的配重塊，重心位置距安裝面向下117.5 mm；底部支撐板上6個(gè)螺栓固定安裝70 kg的配重塊，重心位置距安裝面向上212.5 mm。振動(dòng)沖擊試驗(yàn)后，柜體縮比件外觀良好，沒有開裂等缺陷，承載梁和復(fù)合材料柜體連接處和內(nèi)部安裝座等位置沒有出現(xiàn)脫膠和螺栓松動(dòng)情況。

2.6 柜體縮比件的防護(hù)性能

柜體縮比件的防水試驗(yàn)依據(jù)GB/T 4208—2017進(jìn)行。試驗(yàn)采用循環(huán)過濾水，水溫與試驗(yàn)品的溫差不超過5 K，噴嘴內(nèi)徑6.3 mm，通過調(diào)節(jié)水壓使流量達(dá)到(12.5±0.625) L/min的出水量，噴嘴至柜體縮比件外殼表面的距離為2.5～3 m。試驗(yàn)過程中的水壓維持恒定，試驗(yàn)時(shí)間按柜體縮比件外殼面積(不包括安裝面積)計(jì)算1 min/m2，最少3 min。試驗(yàn)后打開柜門檢查，要求柜體內(nèi)部沒有進(jìn)水現(xiàn)象。

防水試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)柜體下方門鎖處有進(jìn)水的現(xiàn)象，原因在于柜體門框門鎖處位于模具脫模口，短距離連續(xù)拐角導(dǎo)致纖維布很難完全貼附在模具內(nèi)壁上，造成門鎖處厚度不一致。采取更換密封條的形式與搭接方式，通過了防水試驗(yàn)。

柜體縮比件的防塵試驗(yàn)依據(jù)GB/T 4208—2017進(jìn)行。先將試驗(yàn)品按照實(shí)際安裝狀態(tài)放置在試驗(yàn)箱內(nèi)靜置4 h以上，然后根據(jù)1 m3試驗(yàn)箱容積使用2 kg的滑石粉(顆粒直徑≤75 μm)，試驗(yàn)時(shí)間8 h，之后靜置24 h再取出試驗(yàn)品，要求試驗(yàn)結(jié)束后柜體內(nèi)部沒有明顯進(jìn)塵現(xiàn)象。通過檢查發(fā)現(xiàn)柜體縮比件能通過防塵試驗(yàn)。

2.7 柜體縮比件的電磁兼容性

電磁兼容試驗(yàn)依據(jù)IEC 62236-3-2進(jìn)行，以原鋁合金柜門作為參照，分別測(cè)試玻璃纖維+黃銅網(wǎng)、玻璃纖維+紫銅網(wǎng)、碳纖維+黃銅網(wǎng)3種不同組合形式柜門的屏蔽效能。測(cè)試結(jié)果均能通過30 MHz～1 GHz電磁兼容測(cè)試，如圖6所示。

圖6 柜體縮比件的電磁兼容測(cè)試

通過柜體縮比件的電磁兼容測(cè)試發(fā)現(xiàn)：碳纖維自身是一種導(dǎo)電材料，能起到一定的電磁屏蔽作用[9]；選用100目0.2 mm黃銅網(wǎng)作為復(fù)合材料中的獨(dú)立屏蔽層，具有良好效果；作為備選方案，可以考慮電磁屏蔽涂層，如含銀、含銅涂料或含石墨烯、炭黑涂料。考慮到復(fù)合材料在電磁兼容試驗(yàn)中的復(fù)雜性，確定在復(fù)合材料整柜中進(jìn)行電磁兼容的測(cè)試。

3 復(fù)合材料柜體的研制

3.1 整柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

牽引變流器的原有鋁合金柜體中，承載梁由鋁合金6082材料的T形梁和U形梁組成，柜體采用3 mm厚的5083鋁合金板與10 mm厚的6082鋁合金梁加強(qiáng)，柜體結(jié)構(gòu)件的連接為鉚接，承載梁與柜體的連接同樣為鉚接。電氣設(shè)備通過螺栓連接在安裝座上，而安裝座通過鉚接方式連接在柜體上。密封設(shè)計(jì)主要通過柜門安裝密封條實(shí)現(xiàn)。

復(fù)合材料柜體的模具成型方案，主要基于以下原則：①滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)精度要求，要求模具尺寸精確、表面光滑；②具有足夠的強(qiáng)度和剛度；③脫模方便；④具有足夠的熱穩(wěn)定性；⑤質(zhì)量輕、材料來源充分；⑥成本低。

按照牽引變流器實(shí)際尺寸設(shè)計(jì)復(fù)合材料柜體時(shí)，可將整柜結(jié)構(gòu)分為外部連接件、復(fù)合材料柜體和內(nèi)部連接件3部分。圖7為2種模具成型方案。

圖7(a)所示的方案1是所有內(nèi)部隔板單獨(dú)成型后黏接，具有模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝實(shí)現(xiàn)難度低、組裝存在問題的風(fēng)險(xiǎn)較小等優(yōu)點(diǎn)。不足在于：所有隔板與框架黏接，柜體整體強(qiáng)度較差；組裝部件多(復(fù)合材料部件42個(gè))，模具數(shù)量多(24副)，組裝步驟較多。

圖7(b)所示的方案2是縱向主承載隔板與外框一體成型，去掉所有隔板連接處角筋板(10塊)，優(yōu)點(diǎn)在于：主承力隔板與框架整體成型，柜體整體強(qiáng)度較好；零部件數(shù)量較少，需要黏接部位較少，模具數(shù)量少(22副)，組裝部件少(復(fù)合材料部件30個(gè))。缺點(diǎn)是對(duì)柜體1的制作要求很高，模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝實(shí)現(xiàn)難度高。

圖7 復(fù)合材料柜體的設(shè)計(jì)方案

經(jīng)過綜合考慮，認(rèn)為方案2的主承力隔板與框架整體成型，柜體整體強(qiáng)度較好，因此采用方案2進(jìn)行試制。

承載梁與鋁合金柜體相同，以確保牽引變流器與車體底梁安裝方式一致，承載梁與復(fù)合材料柜體通過黏接和M12螺栓混合連接，其中螺栓孔的設(shè)計(jì)按照行業(yè)設(shè)計(jì)手冊(cè)要求進(jìn)行。

復(fù)合材料柜體使用T300碳纖維(斜紋布)、環(huán)氧樹脂(惠柏GT807A/B-1)，0°和90°交替鋪層，外殼為整體成型，內(nèi)部采用隔板拼接，與柜體外殼黏接并手糊補(bǔ)強(qiáng)。柜體外殼設(shè)計(jì)為柜體1和柜體2這2部分，厚度均為4 mm，柜體1和柜體2通過黏接和螺栓連接固定到頂部金屬承載梁上，柜體1和柜體2連接處黏接并手糊補(bǔ)強(qiáng)。為了保證密封性，柜門與柜體配合處設(shè)計(jì)法蘭邊，法蘭邊預(yù)成型后，與柜體黏接。

柜體內(nèi)部隔板采用帶有上下法蘭邊的“U”型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，每塊隔板單獨(dú)成型后，通過法蘭邊黏接到柜體和上下蓋板上。在承重較大的位置，隔板采用增厚設(shè)計(jì)，來保證在沖擊加速度下隔板不會(huì)產(chǎn)生較大的變形，其中離心風(fēng)機(jī)安裝位置隔板局部厚度為8 mm，其余厚度為4 mm，空心電抗器安裝位置局部厚度為12 mm，其余厚度為4 mm。在開口較大的位置或支撐間隔較大的位置設(shè)計(jì)成夾心結(jié)構(gòu)，風(fēng)機(jī)管道處的隔板以及斬波電阻與短接接觸器組件之間的隔板設(shè)計(jì)為4 mm厚內(nèi)外面板碳纖維層和5 mm厚泡沫夾心層。其余隔板厚度均為4 mm厚碳纖維層。

安裝座采用黏接和螺栓混合的方式連接在柜體上，膠黏劑TS828的連接強(qiáng)度已在柜體縮比件上得到驗(yàn)證，固化后強(qiáng)度高，膠層韌性及抗剝離性好，熱老化強(qiáng)度高，黏接基材廣泛。

密封設(shè)計(jì)中，柜門密封條安裝方式同鋁合金柜體，承載梁與柜體黏接邊界涂密封膠，承載梁及柜體表面螺栓頭涂密封膠。

電磁兼容設(shè)計(jì)中，柜體纖維層間預(yù)埋銅網(wǎng)，在柜體內(nèi)壁柜門鎖對(duì)應(yīng)位置預(yù)埋金屬塊，用于導(dǎo)電，柜體外部相應(yīng)位置預(yù)埋金屬塊，與車體接地線路連接，金屬塊與預(yù)埋銅網(wǎng)接觸。

3.2 整柜的結(jié)構(gòu)仿真

復(fù)合材料柜體的設(shè)計(jì)質(zhì)量為345 kg，較鋁合金柜體減重141 kg。為了驗(yàn)證復(fù)合材料柜體結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，首先利用HyperMesh軟件將幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，抽取中面，去掉圓角和螺栓孔，網(wǎng)格尺寸取8 mm，劃分成以四邊形為主、極少數(shù)為三角形的殼單元網(wǎng)格，單元類型為S4R線性減縮積分單元，柜體的網(wǎng)格數(shù)量在97萬左右。按照零部件對(duì)應(yīng)的材料名稱設(shè)置材料屬性，緊固件的連接作用通過梁?jiǎn)卧投帱c(diǎn)約束模擬，黏接位置采用綁定處理，再根據(jù)分析類型設(shè)置約束條件和載荷，載荷通過耦合約束的控制點(diǎn)施加，在ABAQUS軟件中開展仿真計(jì)算，得到如圖8所示的仿真結(jié)果。

模態(tài)分析時(shí)，除承載梁的安裝孔位置約束外，不用施加載荷。通過計(jì)算可得復(fù)合材料柜體的前6階模態(tài)頻率分別為31.5、32.1、38.6、39.3、39.9、42.7 Hz，模型振型主要出現(xiàn)在面積大的頂板和底板上。

靜強(qiáng)度分析時(shí)，約束承載量的安裝孔位置，依據(jù)TB/T 1335—1996《鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》設(shè)置縱向±3g、橫向±1g、垂向3g(含自身重力作用)慣性加速度載荷，其中，g為重力加速度。通過計(jì)算可得應(yīng)力相對(duì)集中的位置主要在空心電抗器、功率模塊、承載梁等連接部位，復(fù)合材料柜體在各工況下的最大變形量為0.69 mm，主方向的最大應(yīng)力為87.6 MPa，最大主應(yīng)力遠(yuǎn)小于碳纖維材料的強(qiáng)度，能夠滿足使用要求。

圖8 復(fù)合材料柜體的結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果

3.3 整柜的制作過程

根據(jù)模具使用的材料，可分為復(fù)合材料模具和金屬模具。復(fù)合材料模具適合柜體的單面模，優(yōu)點(diǎn)是熱膨脹系數(shù)匹配性好、保證尺寸和外形要求、整體輕便、制作周期短、表面可修復(fù)、耐腐蝕性好，缺點(diǎn)是表面硬度低、易損傷、使用壽命相對(duì)較短。金屬模具可以采用鋁合金材料的上模和Q345材料的下模，適合柜門的雙面模，優(yōu)點(diǎn)是易脫模、不易損傷、使用壽命長(zhǎng)、導(dǎo)熱性和耐溫性好，缺點(diǎn)是與復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)不匹配、尺寸誤差較大、固化應(yīng)力較大、制作成本高。

柜體部分采用真空灌注工藝，可以制作結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的部件。柜門部分采用樹脂壓鑄成型(Resin Transfer Molding，RTM)工藝，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單規(guī)則，可以更好地控制產(chǎn)品厚度和質(zhì)量。

復(fù)合材料柜體的制作過程主要包括模具制作、纖維及夾芯鋪層、灌注成型、產(chǎn)品加工、組裝黏接和后處理等步驟，如圖9所示。柜體部分包括20副真空灌注復(fù)合材料模具，柜門部分包括6副RTM金屬模具。各復(fù)合材料板上的孔采用加工中心加工，以保證孔的精度及定位尺寸，對(duì)于無法用加工中心加工的開孔部位，采用樣板工裝定位，手動(dòng)切割、鉆孔。金屬件組裝定位時(shí)，同一個(gè)腔體內(nèi)具有安裝關(guān)系的安裝座之間采用工裝定位，安裝座相對(duì)于柜體之間采用簡(jiǎn)單的劃線定位。后處理主要為余膠清理、鉆孔、螺栓緊固、涂密封膠和油漆等。復(fù)合材料柜體稱重質(zhì)量為340 kg，較設(shè)計(jì)質(zhì)量輕5 kg，原因是柜體設(shè)計(jì)時(shí)的質(zhì)量預(yù)估相對(duì)保守。與鋁合金柜體相比，輕量化率為30.04%。

圖9 復(fù)合材料柜體的制作過程

3.4 整柜的試驗(yàn)驗(yàn)證

復(fù)合材料柜體制作完成后，安裝柜體內(nèi)的所有電氣設(shè)備，依次開展?jié)駸嵩囼?yàn)、低溫試驗(yàn)、高溫試驗(yàn)、振動(dòng)沖擊試驗(yàn)、電磁兼容試驗(yàn)和防水防塵試驗(yàn)等。試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合材料柜體的性能滿足所有試驗(yàn)項(xiàng)目的要求。

4 結(jié)論

(1)復(fù)合材料柜體較鋁合金柜體的輕量化率達(dá)到30.04%，發(fā)揮了復(fù)合材料低密度、高比強(qiáng)度和高比剛度的優(yōu)勢(shì)。

(2)復(fù)合材料柜體借助模具采取整體成型方式，極大減少了柜體結(jié)構(gòu)件的數(shù)量，有望在批量化產(chǎn)品生產(chǎn)中有效降低成本，具有重要推廣應(yīng)用價(jià)值。

(3)結(jié)合材料、結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)，通過有限元方法進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的對(duì)比，以及柜體縮比件的試制與試驗(yàn)，驗(yàn)證仿真計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。整柜設(shè)計(jì)與制作的成功，為復(fù)合材料柜體的工程化應(yīng)用與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用考核提供了基礎(chǔ)，也為復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用拓展提供了范例。