碳纤维复合材料在轨道交通车辆空调机壳体上的应用

2019-05-31王胜光张永利毕孝法张历诗

城市轨道交通研究 2019年5期

王胜光张永利毕孝法张历诗

(1. 中车青岛四方机车车辆股份有限公司,266111,青岛； 2. 山东朗进科技股份有限公司,271100,济南//第一作者,工程师)

近年来，轨道交通飞速发展，低碳环保的要求也日益严格，车辆减重已成为趋势。碳纤维材料以其质量轻、比强度大、耐高温、耐冲击、耐腐蚀的优质特性被广泛关注。

目前,轨道交通车辆中的车头罩、墙板、顶板、间壁、转向架等车体结构件,以及座椅骨架、驾驶台等内饰部件,都可使用轻量化的碳纤维复合材料，在实现车体大幅度减重的同时，减少了能源消耗，提升了效率。经文献检索及调研得知，国内尚无碳纤维复合材料用于轨道交通车辆空调机壳体的先例，行业内也没有系统地开展超轻复合材料对比性能分析工作。因此,将超轻复合碳纤维材料应用于轨道交通车辆空调机壳体的研究在国内具有首创性。

1 轨道交通车辆空调机壳体特点

1.1 轨道交通车辆空调机壳体结构特点

轨道交通车辆空调机的结构形式一般为一体式，具有外形尺寸大、结构复杂、使用寿命长等特点。通常要求车辆空调机壳体寿命为30年。目前，轨道交通车辆空调机壳体一般采用1～2 mm厚度的不锈钢板或2～3 mm厚度的铝合金板，通过钣金加工的方式进行零件成型，再用焊接、铆接等连接方式将钣金加工零件拼装成空调机壳体。

1.2 轨道交通车辆碳纤维复合材料空调机壳体的优点

采用碳纤维复合材料制作的轨道交通车辆空调机壳体的优点可概括为：

(1) 轻质高强。碳纤维复合材料的相对密度仅是钢的1/4～1/5，而强度并不小；比强度为铝合金的2倍，是钢的4倍，符合轨道交通轻量化的要求。

(2) 可设计性好，为轨道交通空调机壳体结构的优化设计提供了广阔的自由度。

(3) 耐酸、碱和腐蚀，使用寿命超过不锈钢和铝合金材料。

(4) 抗磁及绝缘性能优于不锈钢和铝合金材料。

2 碳纤维复合材料的特性及应用研究思路

2.1 碳纤维复合材料的特性

碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨(碳原子层状排列)，是乱层石墨结构，力学性能优异。其相对密度不到钢的1/4。碳纤维复合材料的抗拉强度一般在3.5 GPa以上，是钢的7～9倍;抗拉弹性模量为230～430 GPa，亦高于钢。碳纤维材料与不锈钢、铝合金材料的物理性能对比如表1所示。

根据不同的加工工艺，单一碳纤维可以制作不同规格的碳纤维材料。由于纤维制品品种多，可对其进行有选择性的剪裁与构型，故纤维制品具有较强的适用性。碳纤维是各向异性体，其单层沿轴向具有很高的强度和刚度，根据载荷和功能设计的交叉铺层合板的性能可超金属，完全适合制作轨道交通车辆空调机壳体。

2.2 应用研究思路

建立碳纤维复合材料空调机壳体有限元分析模型，进行数值仿真模拟。将试制的车辆碳纤维复合材料空调机壳体样件组装成变频车辆空调，并进行碳纤维复合材料变频车辆空调机壳体性能测试。

采用CAD/CAE(计算机辅助设计/计算机辅助教学)等技术设计出空调机组，分析空调机组振动模态、疲劳性能、振动冲击性能等;研究碳纤维壳体的铺丝方式及其力学性能，并采用先进碳纤维制造工艺和空调机组装配工艺，制造出符合轨道交通车辆要求的空调机组。

3 空调机壳体的结构设计建模及仿真分析

3.1 结构设计建模

采用solidworks软件进行碳纤维复合材料轨道交通车辆空调机壳体的设计建模。空调壳体由蒸发腔、冷凝腔、新风腔组成，采用中隔板密封隔离。空调机组的制冷回路由压缩机、冷凝器、电子膨胀阀、蒸发器、四通阀、视液镜、通风机、冷凝风机等组成，内置独立的控制部分，均匀分布于空调壳体内部。空调三维结构布局如图1所示。

图1 车辆空调机碳纤维复合材料壳体三维结构布局

3.2 结构仿真分析

采用大型商用有限元处理器 HYPERMESH进行几何清理和网格划分。采用RADIOSS求解器进行求解。采用HYPERVIEW进行后处理和数据分析。通过结构力学性能分析对结构的静态强度和疲劳强度进行评估，以验证空调机壳体结构是否符合结构强度的相关要求。碳纤维复合材料轨道交通车辆空调机壳体模型及仿真结果如图2～8所示。结构静态工况(S01～S07)下的强度计算见表2。

由表2可以看出，客室空调壳体的最大位移、Mises应力，以及碳纤维复合材料的最大拉应变、最小压应变、最大剪切应变及安全系数等均满足设计要求。