碳纤维构架的强度试验方法及评价方法研究

2022-11-11王石

铁道机车车辆 2022年5期

王石

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266111）

转向架构架在运营过程中承受着复杂的多轴疲劳载荷，自从德国工程师Wohler提出S-N曲线和疲劳极限的概念以来，工程师们就一直在针对承载结构进行科学系统的研究，转向架构架逐渐形成了以箱形梁或管梁焊接而成的“H”型结构。

随着材料科学的发展，轨道车辆车体材料逐渐从钢过渡到铝合金，转向架的一些附属零部件如碳纤维天线梁、碳纤维轴箱吊耳等也得到小规模应用，并且凭借其自身较高的模态频率，避免了转向架附属零部件共振疲劳的问题。

截止2020年，国内外转向架构架所使用的材料仍然是钢，其他材料的构架目前仍主要处于研究验证阶段。德国在20世纪80年代中期研发了世界上第1台复合材料构架并通过了静态模拟试验和耐久性试验。日本1989年试制成功碳纤维复合材料（CFPR）构架，该构架自重0.3 t，比普通钢制构架减重70%［1］。川崎重工研发的efWING构架侧梁采用CFPR，比金属梁减重约40%，且利用碳纤维材料的特性简化了一系簧结构。该构架在TTCI进行了4 500 km的线路试验，轮重减载率降了约一半，由于一系悬挂由轴箱扩展到整个侧梁，乘坐舒适度也有很大提升。德国Voith生产的碳纤维过渡车钩仅23 kg［2］。某标准动车组碳纤维设备舱通过了气动载荷试验、振动冲击试验且减重35%，已经在线路上正式应用［1］。

转向架作为列车运行中重要零部件，其疲劳性能直接关系到列车的运行安全。2017年，日本“希望”号新干线列车转向架构架开裂事故，原因在于底盘过薄导致结构疲劳强度过低［3］。碳纤维构架理论抗拉强度和疲劳强度远高于普通的钢制构架，但由于市场原因及安全性认识不足，只有ef-WING转向架应用在小型低速线路网中［4］。

受客观条件限制，国内学者对碳纤维构架的认知主要停留在理论仿真层面。单台构架生产所需要的生产工艺要求高、制造成本昂贵，只有个别主机厂有生产样品，进一步限制了研究人员理论方法验证的开展。王新宇利用ABAQUS建立了车体碳纤维枕梁的有限元仿真模型，结合渐进损伤分析方法和渐进疲劳损伤模型编写UMAT子程序，建立了一种复合材料层合板的静力学分析方法和疲劳分析方法［5］。

谈程指出碳纤维构架由于材料性能特点，在动力学计算时需把它看作柔性体［6］。利用ANSYS和SIMPACK，对柔性体构架一系定位刚度对蛇行临界速度的影响进行了分析。当把构架考虑成柔性体时，其临界速度、平稳性指标较刚体构架要好，曲线通过性能差别不大。

碳纤维材料的阻尼是普通金属的10～100倍，当有少量纤维断裂时，载荷会在剩余纤维上重新分配，相对于金属材料疲劳强度一般为屈服强度的50%～60%，碳纤维的疲劳强度可达到屈服强度的70%～80%［7］。碳纤维可根据模具的不同编织成各种复杂的形状。碳纤维材料高强度、高阻尼、低密度的特性与及轨道交通轻量化、高速化发展趋势不谋而合。

碳纤维材料理论性能优异，但相关研究表明，碳纤维的材料性能受编织密度、纤维方向、温度等因素的影响。在疲劳试验中，纤维板分层后，由于界面之间的摩擦会导致纤维的断裂，界面法向力越大则纤维越容易断裂失效［8］。在130℃的湿热环境下，碳纤维材料的抗拉强度和纤维层之间的剪切强度降幅能达到50%左右［9］。由于影响碳纤维材料性能的因素众多，在轨道交通领域除一些非承载零部件外，在轮轴、构架、车体等关键部件鲜有正式应用。

文中基于某公司生产的碳纤维构架实体，对其进行了台架试验和线路试验，研究了碳纤维构架在EN 13749标准规定载荷和工况下的强度特性。在碳纤维构架表面布置了应变片，获取了碳纤维构架各个关键部位线路试验条件下的应力谱，并根据Miner线性累积损伤准则和德国劳氏船级社提供碳纤维S-N曲线对碳纤维构架疲劳强度进行了评估。

1 构架试验标准对比

目前，国内针对客车转向架构架的静强度和疲劳强度试验主要基于国外的标准，这些标准包括：UIC 615-4-2003《动力转向架—转向架和走行装置—转向架构架结构强度试验》［10］，BS EN 13749-2011《铁路设施—轮对—用于规定转向架构架的结构要求的方法》［11］，JIS E 4207-2004+EART-2013《铁道车辆用转向架构架—设计通则》［12］和JIS E 4208-2004《铁道车辆用货车车架和转向架承载梁静载荷的试验方法》［13］。

JIS标准针对转向架构架仅进行运营工况下的静强度试验，运用疲劳极限法对获取的静强度数据进行处理，对构架的疲劳强度进行评估。标准对构架焊接工艺做了较多规定，且对构架疲劳强度与测试应力的关系进行了研究，在对构架焊接性能充分认知的基础上认为不需要再进行疲劳试验［14］。

UIC 615标准和EN 13749标准在载荷和工况的确定方法上有很大的相似性。UIC 615标准中将构架的纵向载荷认为是局部载荷。3种标准中对构架设备安装座的局部载荷均有相关规定，EN 13749标准中的规定最为详细。EN 13749标准规定的组合工况也最为详细。

在现有标准的基础上，JIS标准的适用性上偏向于焊接构架，而UIC 615标准和EN 13749标准有很大的相似性，而EN 13749标准更为详细，因此根据EN 13749对碳纤维构架进行静强度试验。

2 碳纤维构架台架试验分析

2.1 碳纤维构架试验载荷及工况

碳纤维构架作为一种全新材料，全新工艺的构架，研究人员对其性能的认识还处于起步阶段。因此需以较为严格而全面的试验结果校核其服役时的安全性。某公司生产的碳纤维构架仍然沿用钢制构架的设计思路，在主体结构上与传统钢制构架无异，均为“H”型结构，构架横侧梁的三维尺寸也基本一致。在设计阶段，认为碳纤维构架与传统构架处于同样的运营条件。除主体结构外，其余传统钢制设备安装座如制动吊座、牵引拉板座、抗侧滚扭杆安装座等均通过铆钉或螺栓与编织在碳纤维构架内部的安装孔连接，这些局部结构的固定方式与传统构架略有区别，传统构架一般将这些局部结构焊接在构架横侧梁，但局部结构的质量和尺寸仍基本一致。碳纤维构架实体图如图1所示。

图1 碳纤维构架实体图

根据EN 13749标准计算得到碳纤维构架台架试验载荷以及载荷组合工况见表1。台架试验的载荷主要考虑构架的二系空簧的垂向力、横向止挡处的横向力、车轴上的纵向力、制动时的制动吊座垂向力、曲线线路上构架本身的扭转以及菱形变形。

2.2 碳纤维构架的力学性能

某常用钢与某型常规碳纤维复合材料的力学性能对比见表2。

从表2中可以看出，碳纤维材料的比强度和比模量远高于传统钢材，表明获得相同的力学性能条件下使用碳纤维会大大减轻结构的质量。

表2 材料力学性能数据表[15]

文献［16］表明碳纤维圆孔试件拉伸时的破坏应力远高于最大应力准则的预测值，这表明孔边区域存在大规模的应力松弛现象。在无法获得构架各部位所使用碳纤维材料的应力—应变曲线的情况下，第2.3节仅以试验所测得的应变数值对碳纤维构架的静力学性能进行初步评估。

2.3 应变数据分析

碳纤维本身属于各向异性材料，如果铺层过程中纤维体的方向均匀分布时，则表现出准各向同性［17］，即在碳纤维板内平面内各方向强度和刚度不变，碳纤维板法向强度和刚度与面内不同。碳纤维构架的横侧梁壁厚远大于纤维直径，且编织的经密纬密随几何形状而变化，因此认为碳纤维构架面内材料性能表现为各向同性。

在碳纤维构架表面粘贴应变片和应变花测量构架关键部位的应变。碳纤维构架表面粘贴的应变片和应变花如图2所示，直角应变花所测量三向应变，评估时需根据应变花计算公式转化为最大名义应变。

图2 碳纤维构架应变粘贴图

按表1设置的工况进行构架静强度台架试验，得到的较危险点的应变信息见表3。

表3中，工况5和工况8测得的最大应变值显著大于其他测点，2个工况下最大应变测点号均为S2.29，如图3所示。工况5和工况8采集到的该应变片的残余应变分别为-93 με和-24 με，分别为最大应变值的0.64%和0.14%。应变片本身在工况5和工况8的大应变下也会有一定残余变形，因此构架本身在该局部测点的残余应变应小于-93 με和-24 με，因此认为碳纤维材料仍处于弹性区间。2个工况在不同时间加载，排除了偶然因素的干扰。该测点位于构架的横侧梁连接处附近，除工况5和工况8外的工况均不包含构架的菱形载荷，因此该测点对菱形载荷较为敏感。构架在表1所有静强度加载工况下均未产生塑性变形。

图3 测点S2.29布置图

表1 碳纤维构架台架试验工况表

表3 各工况危险点应变信息统计表

3 基于实测应力谱的疲劳分析

3.1 试验方案

传统钢制构架疲劳失效一般位于焊缝的焊趾或焊根处。钢制构架的疲劳评估方法一般采用名义应力、热点应力或结构应力，获取评估点处的应力谱，根据不同焊接形式的焊缝的S-N曲线进行疲劳评估。碳纤维构架为一体编织成型，没有所谓的焊趾或焊根，但在构架的几何突变处，设备安装接口处必然存在着应力集中，构架的疲劳失效必然位于应力集中处，在这些位置布置测点能够比较全面准确地评估碳纤维构架的疲劳性能。碳纤维构架动应力现场测试如图4所示。

图4 碳纤维构架动应力现场测试图

试验在车体超员载荷AW3条件下运营，试验测试的转向架包括一个动车钢制转向架构架和拖车碳纤维转向架构架，用以对比同样运营条件下钢结构转向架与碳纤维转向架的疲劳性能差异。应变片电阻120 Ω，灵敏度系数2.2，采用1/4惠斯通桥路组桥。将应变片延长线集中布置到构架端部，从车门接入车内的数据采集设备，设定数据采样频率2 500 Hz。实测线路运营里程共95.68 km。

剔除车体在站台停留时间内的数据，对构架站间启动、匀速、制动的数据统计得到最大应力σmax和最小应力σmin，确定16级应力谱的各级应力区间组间距为式（1）：

对站间动应力数据进行雨流计数，得到各循环的应力均值和应力幅值，按Goodman平均应力修正公式修正得到应力均值为0的应力循环，并按修正后的应力幅值与应力谱的各级应力区间对应并计数。

3.2 碳纤维构架疲劳评估方法

传统钢制构架的疲劳评估方法包括疲劳极限法和累积损伤法。疲劳极限法简单易用，仅通过构架的静强度试验获取的各应力测点各工况下的应力值即可进行疲劳评估，JIS E 4207/4208标准中即只采用该方法进行构架的疲劳强度评估。

该方法将各个测点在所有疲劳工况（一般为运营工况）下的最大主应力和最小主应力找出，求出测点的平均应力和应力幅值，并在Goodman-Smith图或Haigh图中打点，若所有点均在包络线内即认为构架的疲劳强度满足设计要求。

目前国内各主机厂在除了使用疲劳极限法评估，同时进行构架的台架疲劳试验进行验证。国内的铁路常用材料的Goodman疲劳极限图绘制工作于2000年后由铁道科学研究院会同11个铁路院校和工厂展开［18］，目前还没有可以用于评估碳纤维构架的疲劳极限图，因此，文中采用累积损伤法对碳纤维构架的疲劳性能进行评估。

地铁运营速度较低，业内通常认为地铁构架的运营里程按每个月1万km，30年共360万km。假设构架运行360万km且疲劳测点应力谱幅值为碳纤维的疲劳极限时的损伤为1，若基于实测应力谱扩展到360万km时得到的构架损伤小于1，则认为碳纤维构架疲劳性能满足设计要求。

根据TB/T 3548—2019《机车车辆强度设计及试验鉴定规范总则》［19］，构架的等效应力幅计算公式为式（2）：

式中：j为应力谱级数，一般取8级、16级或32级，文中应力谱级数为16级；m为与S-N曲线相关的斜率；L1为线路试验运行里程；L为总里程即360万km；等效应力幅σeq作用N次（N取1 000万次，对应360万km的应力循环）。

若等效应力幅σeq小于N次循环下对应的碳纤维的疲劳强度，则认为构架满足设计要求。

3.3 钢制构架和碳纤维构架疲劳性能分析

传统钢制构架焊缝的S-N曲线一般通过相同材料的标准试棒的S-N曲线进行修正得到，部分常见的焊缝S-N曲线在标准中直接给出。碳纤维的材料性能与经纬线角度、经纬线密度、缠绕张力、温湿度等因素有关，编织成构架的碳纤维的疲劳性能与构架几何形状之间的关系也无法确定。由于缺少构架所采用的碳纤维材料的疲劳强度，文中根据风电行业德国劳氏船级社《Guideline for the Certification of Wind Turbines》［20］的规定，通过公式计算获得碳纤维的构架的疲劳强度。

《Guideline for the Certification of Wind Turbines》规定评价碳纤维材料的疲劳强度时需选取一定的安全系数γMx，γMx主要和局部安全系数γM0、铺层时的温度、失效作用以及铺层方式有关，根据规定γM0=1.35，安全系数γMx和γM0存在关系为式（3）：

式中：i取为5；C1b、C2b、C3b、C4b、C5b均是经过试验验证的可供备选的换算系数。由于无法获取碳纤维构架的S-N曲线的斜率，采用船级社推荐的碳纤维复合材料S-N曲线的斜率m为14，因此计算可得C1b=3.16。C2b、C3b分别考虑时间和温度对材料的劣化效应，分别取值1.1和1.1；对于有修补处理的碳纤维复合材料，C4b=1.0，C5b为与风电设备相关的参数，与本次评估无关，因此取1.0。综合以上参数得碳纤维复合材料疲劳强度的安全系数γMb=3.83。

在《Guideline for the Certification of Wind Turbines》规范的复合材料疲劳强度校核中充分考虑了平均应力对材料或者构件疲劳强度的影响，利用其推荐采用的Goodman经验模型进行平均应力修正。劳氏船级社规定的碳纤维Goodman疲劳极限图如图5所示。图中Rk，t和Rk，c分别是通过试验获得的材料的拉伸强度和压缩强度，其关系为式（4）：