轨道交通装备复合材料设计问题及开发过程探讨

张丽娇

1 轨道交通装备复合材料发展背景及现状

节能、绿色、环保、高效是轨道交通车辆发展的主要趋势和总体要求。各种新材料、新工艺和新技术的涌现推动轨道交通车辆的不断升级换代，必然要求轨道交通车辆的轻量化水平逐步提高。轻质化的车辆可以降低运营能耗，改变中国高铁运营一直亏损的状态，提高中国轨道车辆的国际市场竞争力。先进复合材料比金属材料更加优异的力学性能和更轻质的特点，逐步成为替代铝合金材料的首选。

先进复合材料（主要指纤维增强树脂基复合材料）作为各向异型材料，区别于以往的各向同性金属材料，且工艺选择多种多样，材料复合方式多种多样，整个设计过程完全不同于金属材料。复合材料作为内饰已经广泛应用于轨道交通，如天花板、内壁、座椅、小桌板、格子间等。但是要达到大幅减重的目标，只有通过主/次承载结构材料的复合材料化才能实现，主/次承载结构的复合材料结构设计需要在保证原有安全性、可靠性及功能性的基础上实现比铝合金材料较多的减重效果，需要攻克许多设计上的难题。先进复合材料的结构设计本身就是一门很深的学问，尤其是对刚刚引进吸收国外先进技术的轨道交通行业，很多设计准则问题还没有确定，需要不断优化、总结、提高和再创新，轨道交通车辆复合材料设计领域充满了无限的发挥空间。

近些年，中国轨道交通装备发展取得举世瞩目的成绩，成为中国制造的闪亮“金名片”，中国高铁产业发展尤为迅速，高品质、高要求、重创新，各种新材料、新工艺和新技术引入不断给高铁装备注入新的活力。轨道交通车辆提速必然要求軌道交通装备的轻量化，除了改进结构设计提高设计效率之外就是采用更轻质高强的材料，纤维增强的复合材料因其较高的比强度和比模量成为首选。但是由于纤维增强复合材料的各向异性特征，在设计过程中有别于之前的各向同性的金属材料，且复合材料的特殊性质与金属材料不同，在进行功能性设计时仍有许多要注意的事项。

2 轨道交通车辆复合材料结构设计存在问题

2.1 尺寸限界限制

在轨道交通车辆设计步骤中，首先要按照中国国家铁路集团有限公司（以下简称“国铁”）的技术要求规格书进行设计，限制尺寸限界，对于一些非关键性尺寸限制较多，使得原有结构在使用复合材料替代时，在设计上没有充足的发挥空间。

2.2 运营方的固定要求限制

国铁在招标之前会有对于车辆的外形及功能要求限制，包括车内设备的安装、总体积、选用材料等，因为对于新材料的应用案例较少，且复合材料与原有金属的本质属性不同，要求应区别于原金属材料，因此受到较多的设计限制。

2.3 实验数据不充足

对于轨道交通复合材料的应用结构设计，不仅需要车辆结构样件的大量测试数据也需要大量材料基础试验数据的支撑，在材料选择之初，足够的试验数据是复合材料设计值和许用值选用的基础。目前，复合材料数据库大部分仍沿用美国CMH17协调委员会编著的《复合材料手册》，随着材料技术的进步和成型工艺手段的不断发展，原有的复合材料手册的数据已经不足以支撑现有的设计，亟需从国家或者行业层面发起建立复合材料的数据库。

2.4 设计准则不确定

复合材料的设计过程，不同的行业采用的设计准则不同，如风电行业和航空航天行业研究多年自有一套自己的设计准则。对于轨道交通而言，性质介于二者之间，又区别与二者，不能完全借用。基础力学问题没有明确的设计准则的支撑，需要综合轨道交通自身的特点，摸索出适合本行业的结构件复合材料设计准则，建立复合材料设计标准。

2.5 设计人员经验限制

轨道交通车辆的设计人员多为金属材料设计领域出身，对于复合材料这种全新的物理属性材料接触时间不长，缺乏复合材料设计知识，受限于以往的案例经验。他们不能够充分发挥复合材料的优势，对于特定结构的设计只是采用简单的材料替代方法；对车辆的结构并没有进行合理优化；选材过程没有可有效参考的准则或标准；对于成型工艺手段没有充分的认识，造成过度设计，采取了较高的安全系数，达不到有效减重的目标，不能发挥复合材料的优势。

针对以上在轨道交通车辆结构件复合材料设计过程中的关键性问题，我们非常有必要根据现有国内外设计规范及准则，摸索总结出适合我国轨道交通结构件复合材料设计的研发流程规范、设计准则、标准规范及验证评价规范等一系列标准规范，指导后续产品开发及应用。

3 轨道交通车辆复合材料结构设计分析

以碳纤维复合材料制备轨道交通复合材料设备舱（高速列车）为例，在设计开发过程中，由于复合材料设备舱结构的设计技术不够成熟，正向开发难度较高，体现在多个方面：材料选择、材料测试、成型工艺、铺层设计、连接设计、计算机辅助工程（CAE）建模和分析、优化设计、制造数据集、制造质量检验及控制、试验验证及检测维修等多个方面，需要大量的工程经验和专业的复合材料设计工具及材料数据库，才能最大限度的发挥碳纤维复合材料的优势。

由于复合材料的固有属性与金属材料有较大差异，复合材料设备舱的零部件设计技术不能直接套用传统金属产品的设计技术，需要综合考虑复合材料的特性、性能要求、工艺可实现性、可维修性、质量及成本等多项因素进行全新设计。复合材料设备舱的设计流程主要涉及初步设计和详细设计2方面（见图1）。

图1主要介绍了初步方案设计和详细设计的2个阶段，初步设计主要工作为定义选材和工艺，进行产品工艺性的相关设计，不断迭代优化分块和外形，同时通过拓扑优化方法优化结构传力路径，从零件构型角度实现减重，直至完成初步模型，满足外形和刚度、连接与密封性的要求。详细设计阶段的主要任务是铺层优化、工艺审查和产品出图，期间分析工作所用到的材料参数和许用值是通过和设计过程并行的材料试验及层压板试验获得，经过多轮次的优化最终定义零件尺寸，进一步减轻零件质量。在详细设计数模与铺层数据冻结以后，要对零部件进行最后一轮的工况验证，确保性能完全满足要求，最后进行产品出图并交付数据。

流程中复合材料结构设计过程不同于传统金属材料主要体现在以下方面：材料与工艺选择、仿真方法、产品工艺可实现性设计、铺层设计及迭代分析优化、材料本构试验、质量检测、试验验证方法、产品出图、复合材料特性相关考虑。以下分别对流程中的关键技术进行探讨。

3.1 材料与工艺选择

材料和工艺的选择是结构设计过程中首先考虑的关键因素，贯穿设计始终并对零件结构功能、性能、重量与成本有着决定性的影响。

不同于金属材料，碳纤维连续复合材料属于各向异性材料，由纤维和基体2种物理和化学性质不同的材料组分组成，为设计提供了更大自由度的同时增加了零件设计和分析的难度。并且材料组分及形式多种多样，按碳纤维强度级别分常用的有T300、T700级碳纤维；按中间材料形式有预浸料、编织布、织物、多轴向编织布等；按丝束大小分有3K、6K、12K、24K、48K等大小丝束；按典型树脂类型分有环氧树脂、聚氨酯、双马树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂等；以上材料成分和材料形式的选择都需要综合考虑外观，使用环境，性能，成本，工艺等诸多因素（如表1所示）。

碳纤维连续纤维复合材料的选择通常是与工艺选择同时进行的，例如选择预浸料的中间材料形式基本上与热压罐成形或模压成形工艺相对应，采用注射成形工艺（如RTM、VARI工艺）就需要选择粘度较低的树脂，常见的几种碳纤维复合材料成形工艺及其选择对比如表2所示。

3.2 仿真方法

3.2.1 復合材料的仿真分析

众所周知，复合材料性能优异，本构不同于金属材料，材料不同的复合方式直接影响着材料的力学性能，复合材料制件的设计、仿真和制造过程都与金属材料有本质的差异，3个过程结合的都更加紧密。复合材料的仿真分析需要专业的软件才能分析的更加准确，现在复合材料分析软件主要有有限元分析软件（如MSC的Nastran），复合材料软件（digimat、ESA comp），以及铺层工艺软件（fibersim/Patran/Laminate modeler），复合材料工艺仿真软件（PAM—RTM或ESI—ATE），复合材料结构的材料表征、静强度、冲击强度、疲劳强度以及损伤容限和耐久性分析可采用软件GENOA等。有限元的数值模拟是提升复合材料结构部件产品质量、缩短设计周期，提高产品竞争力的有效手段。

铺层复合材料的结构仿真流程：

①网络模型（网格划分）。

②材料模型，材料模型的定义过程与金属不同，首先定义单层板的材料相关参数，然后再定义层合板相关参数，最后将层合板属性赋给对应的单元，赋予单元属性时需要指定材料方向，如果想使用其它方向作为材料方向，可以实现定义局部坐标系或者直接通过向量的方式进行定义。

③边界条件，输入结构约束和载荷。

④求解及后处理，设置好边界条件后，进行静力分析，仿真后显示层间失效直属和单层失效直属，如果失效指数小于1不发生失效，大于1会发生失效。

3.3 产品工艺性设计

复合材料的优势是可以将若干个零部件组合整体成形，以大幅减少零件和连接紧固件数量，简化连接和装配，降低复合材料的制造成本，实现材料—功能—结构的一体化。鉴于此，复合材料产品设计首先要从复合材料的特性和成形工艺的可制造性出发，对原有金属零件结构进行结构整体化和简化设计；此外，除三维编织预制体成形工艺外，无论选用预浸料，单向布还是干态织物，都会涉及到材料的铺覆性，并且材料的铺覆质量严重影响制件的外观和性能。所以，在设计初期进行产品的整体化、简化设计及铺覆性分析十分必要。

与传统金属冲压件不同，复合材料零件外形力求简洁光顺，这一方面是由于连续碳纤维复合材料的工艺限制，另一方面碳纤维树脂基复合材料本身刚强度特性好，不需要设计局部特征进行加强。即使在需要进行加强的部位，其加强方式通常是整体固化加强筋的方式，而非通过加强槽、多级过渡区的结构特征。此外，应尽量避免大曲率的拐折和小半径圆角。零件外形优化典型实例如图2所示。

3.4 铺层设计与分析优化

3.4.1 铺层设计

航空是碳纤维复合材料应用较为前沿和成熟的领域，过去的几十年中以波音、空中客车等民航巨头投入了大量的资源进行了碳纤维复合材料工程应用方面的研究，并取得了丰硕的成果，形成了较为完善的复合材料体系，这其中就包括了指导碳纤维复合材料结构设计的设计原则，可供汽车碳纤维复合材料零部件设计借鉴。

①主应力原则：纤维取向应尽量与构件的主应力方向一致，充分发挥纤维的承载性能。

②对称均衡铺层设计原则：对称均衡层合板可以避免各种耦合作用引起固化后的翘曲变形。

③铺层定向原则：一般多采用0°、90°和±45°等铺层方向，尽量减少铺层方向以简化设计和施工量，且任一铺层的最小比例≥10%。

④铺设顺序原则：同意铺层角的铺层尽量均匀分布，一般不超过4层，以防分层、开裂等破坏。

⑤连接区设计原则：与钉载方向成±45°的铺层比例≥40%，与钉载方向一致的铺层比例>25%，以保证有足够的剪切强度和挤压强度。

⑥变厚度设计原则：在结构变厚度区，采用递减铺层避免应力集中，台阶高度不超过宽度的1/10，外表面采用连续铺层防止发生剥离破坏。

⑦对刚度要求较高的大型构件，通常可采用夹芯复合材料三明治结构提高结构刚度。

3.4.2 性能分析与铺层优化

有了零件模型与铺层表，即可建立零部件的有限元模型，同时输入材料参数与各种工况的边界条件对零部件进行性能分析。由于复合材料材料参数繁多，失效形式多样，导致分析工作比相应金属零部件要复杂得多。

由于目前没有成熟的针对碳纤维复合材料零部件的性能要求规范，因此性能指标可使用现行法规要求或其他企业规范及要求，对不适用项进行筛选和处理，引入复合材料应变和单层破坏设计准则。如有需要，可以通过对原始金属方案进行分析得到性能指标，在此基础上设计出性能不低于原金属方案的碳纤维复合材料产品。

铺层优化主要有自由尺寸优化和尺寸优化2个步骤，主要内容是输入工况来优化零件厚度和铺层次序，进一步减轻结构重量。自由尺寸优化可以优化铺层的厚度分布，并且得到建议的材料裁剪形状；尺寸优化可以优化铺层角度比例。

3.5 材料与许用值试验

结构分析和优化过程通常需要材料参数和设计许用值的输入，这些输入需要通过相应的试验获得。由于碳纤维复合材料的力学特性与环境温度和湿度有关，再加上其原材料和工艺过程均存在一定的分散性，因此在试验前要根据产品使用环境要求和试验数据统计要求对试验件的试验类型、批次、数量等进行详细的规划。

通常通过物理性能试验所得到的材料物理参数有树脂和纤维含量、树脂流动性、凝胶时间、纤维面积重量、空隙含量、固化后厚度、玻璃化转变温度和密度。

基本材料性能试验需要进行单向层合板拉伸、壓缩试验和剪切试验。设计许用值试验所需的试验项目有层压板开孔拉/压强度试验、层压板填孔拉伸及层压板剪切强度试验、压缩强度试验、层压板冲击后压缩强度试验和机械连接挤压强度试验等。

同时，在设计过程中还可以规划一些典型铺层结构件试验，通过与虚拟分析结果对标，修正分析参数，提高分析的精确度。也可以规划一些特殊试验如胶接强度测试试验、材料抗老化试验和油漆附着试验等。

3.6 产品出图

复合材料产品数模和图纸数据与金属最大的差别是增加铺层信息的数据。铺层信息数据包括材料铺层表、铺层边界、铺层原点和铺层展开图，为制造提供工艺参考。此外，还需针对碳纤维产品提出关于铺层方向、铺层厚度、转角半径、孔壁粗糙度以及其他尺寸公差等工程技术要求。

3.7 制造质量检验和控制

由于先进复合材料在成型过程没有完全的自动化，过程中有许多影响因素影响制件的成型质量，工艺过程参数控制还不能达到要求。因此在制造过程中要求连续的工艺控制和工艺监测，保证制件的性能稳定性。同时，确定和了解缺陷的类型对制件的影响程度，采用常见的无损检测方法对制件进行检验以达到对质量的控制，并且在研制过程中，对复杂部件进行必要的破坏和拆卸监测是必须的。

4 结语

轨道交通车辆复合材料部件的开发，需要同时了解材料特性，了解部件的使用条件，需要了解复合材料的设计，还要了解制造工艺，除了结构设计还需要对新开发的部件进行反复测试，以满足最优的设计方案。这种依靠经验设计，通过不断试错来反复开发的流程，造成了开发流程长、成本高的缺点。而轨道交通复合材料制件的替代研发属于起步阶段，各项设计准则及评价准则亟待建立，需要进行大量的研发及测试工作。应在总结已有经验的基础上，结合轨道交通装备自身的特点进行总结和创新，建立轨道交通装备复合材料的标准规范体系和结构、材料、仿真、工艺、检测验证一体化的设计仿真平台，以用于指导后续产品开发，提高开发效率。