高速动车组碳纤维材料车头连接结构及强度分析

许鹏，许睿

(中车长春轨道客车股份有限公司 国家轨道客车工程研究中心，吉林 长春 130062)*

在复合材料发展的进程中，纤维增强复合材料一直是人们关注的焦点.自玻璃纤维增强复合材料问世以来，碳纤维、陶瓷纤维以及硼纤维增强的复合材料相继研制成功，纤维增强复合材料的性能不断得到改进，复合材料领域呈现出一派勃勃生机.

由于具有优异的各项性能，碳纤维复合材料不仅可以应用在大型机械、医疗设备、生物工程等方面，还可应用在车辆工程、精密制造、航天航海等高科技领域［1］.

高速铁路时代，传统金属材料制造的车体部件存在应力腐蚀、外表处理困难、焊接要求高、疲劳强度低、局部屈曲、焊接变形、不利于轻量化等问题［2-4］.为提高轻量化水平，高速列车在部件和设备上开始大量应用了复合材料，在保证部件安全性能提高的同时，也达到了减重的效果［5］.

碳纤维材料具有比强度和比刚度高、耐腐蚀、抗疲劳、可设计性强、易于整体成型等特点.采用碳纤维材料的车体不仅轻量化程度明显，而且能提高乘坐舒适度，降低运用成本和维护成本.目前，碳纤维等新型复合材料及其工艺成型技术已日趋成熟，越来越多的应用到轨道客车产品中.

1 碳纤维复合材料

1.1 碳纤维材料组成

新材料、新设计、新制造技术是轨道列车轻量化的主要途径，具体体现在结构优化设计、采用复合材料、采用轻金属材料［6］.碳纤维车头材料是以PET泡沫作为芯材，两侧由碳纤维增强复合材料包夹的三明治结构，如图1所示［7］.其中，两侧的碳纤维增强复合材料是由通过预浸成型工艺，经加热熔融的树脂预浸渍碳纤维制成的预浸料加热固化而成，具有碳纤维增强复合材料的良好力学性能，主要起到承载作用.PET泡沫芯材具有良好的隔声性、隔热性及刚度.碳纤维车头是在模具中先铺放预浸料，然后铺放芯材，再铺放预浸料，最终经过加热固化成型的［8-10］.

图1 碳纤维材料特性

1.2 碳纤维材料特性

碳纤维车头材料由碳纤维、树脂基体及芯材构成，兼具三者的优异性能，其特性主要体现在结构轻量化、舒适度高、降低维护成本和提高产品灵活性等方面，如图2所示.

在碳纤维车头材料中:碳纤维具有耐高温、耐摩擦、耐腐蚀及重量轻等特性，但其表面活性基团少，表现为化学惰性强，所以在与树脂基体复合前，通过改性处理增加了碳纤维表面活性基团的数量，增强了碳纤维的界面黏合力;选用的树脂基体具有良好的加工性能、力学性能及粘结性能，通过预浸渍的方式，本就具备良好粘接性能的树脂，能够将经过改性的碳纤维牢固的粘接在一起;最终所得到的碳纤维增强复合材料体系中，纤维与树脂的界面黏合力较强，宏观表现为各项优异的性能.碳纤维增强复合材料抗拉强度一般都在3 500 MPa以上，是钢的7～9倍，抗拉弹性模量为23 000～43 000 MPa，亦高于钢，疲劳强度约为钢的2.5倍、铝的3.3倍，除了力学性能外，碳纤维增强复合材料还具有良好的耐热性、耐腐蚀性及耐磨性等优异性能.

图2 碳纤维材料性能

PET泡沫芯材具有重量轻、隔声性能好、隔热性能好及刚度好等优点，在保证轻量化的前提下，在碳纤维车头材料中还能起到一定的支撑作用，将两侧的纤维增强表皮连接在一起，构成牢靠稳固的体系.

2 碳纤维车头结构

2.1 碳纤维车头结构

在列车高速行驶的时候动力学前端所受到的阻力很大，约占列车运行总阻力的50%.因此优化轨道列车动力学前端的结构可以降低能耗，提高列车运行的稳定性.碳纤维复合材料制造的轨道列车动力学前端可以承受很大的正负压，强度和刚度都可以满足列车的运行要求.英国使用碳纤维复合材料制造的动力学前端比传统钢结构轻30% ～35%.同时这种机车动力学前端具有很强的抗冲击能力，能承受一个0.9 kg的立方体钢块以350 m/h的速度对其的冲击，这种材料重量轻、强度高、阻燃性好，代表着未来车体制造的发展趋势.

蒙皮材料使用HFW160P、HFW200T碳纤维织物、EW210玻璃纤维织物、PET泡沫芯材以及EL305液体阻燃树脂.阻燃芳纶纸蜂窝与阻燃胶膜的制备如图3和图4所示.

图3 碳纤维车头蒙皮

图4 碳纤维车头分块

400 km/h车头部分为复合材料，复材与整体铝合金底板/边梁、后端框螺栓连接.结构形式采用整体蜂窝夹层、纵向筋/环向框加强的罩体结构.窗口处采用复合材料边框结构嵌在整体夹层结构中.增强体采用碳纤维、玻璃纤维混搭的方式，局部采用芳纶纤维，树脂选用阻燃树脂.具体接口连接方案见图5.

图5 接口连接方案

由碳纤维复合材料编制成的碳纤维布具有碳纤维复合材料的全部优异性能，碳纤维复合材料车头蒙皮的铺层信息说明见表1.蒙皮从外表面向内表面的方向铺层，车头蒙皮铺层均以车辆运行方向(X轴)为参考方向，蒙皮铺层采用不同厚度的碳纤维双轴布和碳纤维四轴布，碳纤维双轴布是由碳纤维束在经、纬两个方向上编制而成，能够承受双向的拉力;碳纤维四轴布是由碳纤维束在经、纬、正45°及负45°四个方向上编制而成，能够承受四个方向的拉力，二者都具有力学性能好、不受原结构形状限制及能很好的贴合复杂形状构建的表面的特点，适合应用在具有流线曲面造型的车头蒙皮上，并且能够保证蒙皮具有良好的力学性能.

表1 车头蒙皮铺层信息说明

碳纤维复合材料车头骨架的铺层信息说明见表2.骨架铺层角以骨架长度方向为参考方向，由于骨架与蒙皮相比，结构规则，没有明显的曲线造型，在保证强度的前提下，考虑到成本因素，骨架铺层主要采用不同厚度的RC410双轴布和UC300单轴布，其中UC300单轴布按照90°与0°方向布置，其结构相当于延经、纬编制的双轴布，也能够避免单向布只在一个方向上受力的缺点，保证骨架铺层具有较高的力学性能.

表2 车头骨架铺层信息说明

2.2 碳纤维车头强度分析

2.2.1 有限元模型

碳纤维车头模型构成以任意四节点薄壳单元为主，三节点薄壳单元为辅，薄壳单元采用shell181，车头蒙皮铺层以车辆运行方向为参考方向，以5层为主，局部铺层为16层(含一层粘胶);骨架铺层以骨架长度方向为参考方向，以10层为主，局部采用21层(含一层粘胶);对几何模型进行网格划分，模型中共25 278个节点和24847个单元.

2.2.2 载荷施加及侧向应力分析

(1)静载荷.对车头前窗下结构施加30 t的面压力载荷.如图6可见，最大位移值为9.62 mm，位于车头与车体接缝处的窗口附近.

图6 有限元模型静压位移分布图

(2)疲劳载荷.车头前端部承受列车以440km/h速度双向运行且压力为7 850 Pa时产生的空气动力学压力和湍流.即车头前端承受循环载荷(疲劳):施加的1.0E+7次的±7 850 Pa载荷.车头前窗和侧窗开口在气动载荷作用下，最远点之间的挡风玻璃开口的法向最大变形不应超过2mm，并且不对称值不应该超过±1.5 mm.应力云图如图7所示.

图7 车头结构应力云图

计算出车头内和车头外载荷的最小层压边界.在固体层压板区域，采用容许量为8%的孔隙率，计算了层压板的安全系数.表3和表4描述了在孔隙率为8%的情况下，使用容许量的安全系数.

表3 车头蒙皮侧应力容许安全系数

表4 骨架侧应力容许安全系数

3 结论

通过上述研究分析可以得出以下结论:

(1)通过有限元分析，可以看出复合材料制成的车头蒙皮与车头骨架，具有良好的力学性能，在车体受力时，应力分布均匀，没有应力过分集中的部位，证明碳纤维复合材料制成的车体结构具有可靠的强度，在实际运行中，能够有效的保障司乘人员的安全;

(2)为了保证碳纤维复合材料制成的车体具有良好的力学性能，碳纤维布在铺设的时候应该采用多向铺层的方式，避免采用单一方向铺层而出现车体仅在该方向上能够承受较大的力，在受其他方向的力时很容易被破坏的问题;

(3)碳纤维复合材料应用在轨道客车结构上，能够凭借其具有的多项优异性能，在保证车体结构强度的前提下，能够提高车辆轻量化水平，解决传统金属车体的耐腐蚀性差、焊接变形、表面处理困难等问题.