碳纤维复合材料车体设计关键技术研究

时间:2022-09-14 03:35:04

碳纤维复合材料车体设计关键技术研究

摘 要:文章主要针对碳纤维复合材料车体,探讨了材料性能和成型工艺。从防火要求、接地和电磁兼容要求、刚度要求、车体大部件之间连接方式几方面与金属车体进行对比分析,提出解决办法。并对复合材料车体在轨道交通领域的可行性进行分析。

关键词:复合材料车体;轻量化;轨道交通;成型工艺

碳纤维复合材料具有比强度高、比刚度高、耐腐蚀、抗疲劳、可设计性强、方便整体成型等特点,在航空、航天等领域已经获得成熟应用。随着高速铁路的快速发展,对车体轻量化的需求也越来越明显,应用复合材料制造的车体,具备重量轻、强度高、刚性大等特性,在有效地较低车体重量的同时,也提高了车体运行的平稳性和稳定性。

复合材料是一种各向异性的材料,在设计过程中具有很强的灵活性,设计人员可以从选材、成型工艺、结构设计等方面综合考虑,充分发挥复合材料比强度、比模量高的特性,在满足强度要求的同时,通过结构的优化计算,减少材料的使用,从而达到减重、降低成本的目的,为复合材料在轨道车辆领域的应用提供了可能。

复合材料车体和金属车体相比存在一些需要解决的问题:碳纤维复合材料成本比较高、工艺成型技术水平要求高;复合材料车体需要达到和金属车体一样的防火要求,泡沫、树脂、预浸料要做防火处理;复合材料车体需要考虑车体接地和电气设备接地问题;车体大部件之间的连接方式要考虑满足车体强度、使用寿命、整体密封等要求;复合材料车体应避免开孔,或者避免在碳纤维连续传力的区域开孔;复合材料车体小件需要选择合适的连接方式。

1 国内外复合材料车体应用概况

复合材料除广泛用于航空航天领域外,在轨道车辆制造业也有一定的应用。有些国家已将复合材料广泛地应用到轨道车辆上,如法国国营铁路公司(SNCF)使用复合材料O计出了TGV双层挂车,对其耐火性、抗冲击强度进行了运行试验,证实了复合材料车体制造工艺是有效的,实现了CFRP车体结构的重大突破。韩国TTX碳纤维复合材料整体车身也于2010年投入运营。Schindler Waggon公司应用玻纤或碳纤维缠绕制成的轻型承载结构车体在联邦铁路线上进行运行试验,运行速度达到140km/h,也达到了满意的效果。德国AEG和MBB与德国联邦铁路合作开发的世界上第一个复合材料转向架构架,在运营了100多万公里后未检测出任何磨损及损坏,与原结构相比不仅重量大大减少,同时也提高了运行舒适度、降低了检修成本。此外,复合材料在车厢内饰件以及车头前端领域的应用也比较广泛。

国内复合材料在轨道交通中应用还处于试验阶段,主要应用还受限于车头前端和车厢内饰件,复合材料在整车的应用上还处于研究阶段。

2 材料性能和成型工艺

碳纤维复合材料车体各部件主要采用碳纤维-芯层结构(类似于三明治结构),碳纤维-芯层结构主要由两层碳纤维蒙皮中间加入泡沫或蜂窝夹芯组成,碳纤维-芯层结构不仅具有质量轻、弯曲刚度和强度大,还具有耐疲劳性、隔音隔热等优点。在车体设计时,需要根据车体结构承载要求,在夹层内部预埋纵、横加强梁,或者在承载区域做局部加强,在不承力区域可以做适当减薄处理。

复合材料成型工艺主要有手糊成型、喷射成型、拉挤成型、缠绕成型、真空热压罐成型及真空导入成型等成型工艺。手糊成型虽然工艺简单、价格相对比较便宜,但是由于生产效率很低、质量不稳定等因素不适于生产结构件。喷射成型为使用短切纤维和树脂经过喷枪混合后,压缩空气喷洒在模具上,然后经过按压固化成型,可用于制造过程中的过渡层。拉挤成型适合于生产各种截面形状的型材,如工字型、槽型等截面型材。缠绕成型可用于制造圆柱体、球体、筒形等回转体结构。真空热压罐成型工艺,需要将预浸料在磨具中按照设计要求铺好后,送入热压罐中加温加压固化成型。这种成型工艺方法生产的产品韧性好、结构强度高、尺寸精度较高、工艺稳定性好,但是对温度控制、设备成本、工艺水平等要求比较高,制造成本比较昂贵,所以此种成型工艺只适用于制造车体的一些承力件,比如底架边梁、牵枕缓结构。真空袋压成型工艺的特点是既能获得相较于手糊工艺的高强度重量比和尺寸精度,同时和热压罐成型工艺相比制造成本相对较低,所以此种方法适合于车体大部件的设计。

以车体底架为例,车体底架整体采用复合材料夹层结构,选用热压罐成型工艺,成型步骤如下:模具准备;底架上蒙皮铺贴;底架上蒙皮固化成型;加入包裹胶膜的泡沫,同时可以加入预埋金属件或复合材料预制件;泡沫与底架上蒙皮整体成型;在泡沫结构上铺贴底架下蒙皮;整体固化。

3 复合材料车体关键问题研究

3.1 防火要求

复合材料选用的材料,如预浸料、树脂、粘接剂、泡沫,要满足轨道车辆的防火要求,如果选用的树脂、预浸料,不满足防火要求,需要加入防火材料,满足整体的防火要求。

3.2 接地和电磁兼容要求

金属车体可以导电,所以只需要将车体上的接地设备先连接到车体上,通过车体连入转向架轮对导入大地,复合材料车体为不良导体,需要对设备统一做接地处理,可以考虑在夹层内部预埋铜板,然后在设备需要接地的位置通过螺栓连接到铜板,最后将整个铜板通过转向架轮对导入大地。

电磁兼容要保证整车电磁兼容的要求,对于车下磁场较强部位,需要作隔磁处理。

3.3 刚度要求

由于碳纤维-芯层结构为各项异性材料,车体刚度要保证在正常载荷和自然频率下,车体变形不超过运行条件所决定的极限值,需要在车体结构设计时,选择合适比重的芯层结构,并在车体变形比较大的区域做局部加强。

3.4 车体大部件连接方式

碳纤维车体不能像金属车体一样通过焊接方式来连接车体大部件,需要考虑通过胶粘或者螺栓、铆钉等紧固件的方式进行连接,在考虑连接强度的同时,还要重点考虑整车寿命要满足设计要求,以及连接后整车的密封和防水要求。

3.5 开孔问题

复合材料车体在做系统设计时,应避免在承力区域开孔,否则可能导致碳纤维传力的不连续。

3.6 车体小件连接方式

复合材料车体由于无法焊接,小件只能通过胶粘或者紧固件连接,小件材质若为金属材质,还要在复合材料夹层中预埋金属板,然后再通过紧固件进行连接。

4 碳纤维复合材料车体在轨道车辆领域的可行性分析

碳纤维复合材料车体主要受几方面的制约,主要包括:碳纤维材料成本比较高、成型工艺要求比较高、设计者需要具备一定的设计经验、量产料件如何保证工艺稳定性和产品质量。

碳纤维复合材料车体的应用还处于初级阶段,针对复合材料的设计准则、工艺规范、材料标准、产品检验和试验验证等工作还没有建立或完善,需要大量的试验研究和试验验证工作。这些因素也阻K了碳纤维复合材料在轨道交通领域的发展。

碳纤维复合材料车体如果想要在轨道交通领域很好的应用,就要在以下几个方便做考虑,首先材料选择上可以考虑在次承力结构上采用玻纤和碳纤混杂设计,充分发挥碳纤维材料强度高,玻纤价格便宜的优势,将减重和降低成本整体考虑;其次在设计过程中,考虑结构优化、系统集成,在提高复合材料隔声隔音前提下,就可以考虑将车体结构、内装结构集成在一起,去除防寒和隔音材料,这样就可以大幅度较少整车重量、降低成本;最后一定要优化工艺成型技术,简化工艺过程、提升工艺稳定性、提高生产效率。

5 结束语

随着对碳纤维复合材料研究的深入,逐步解决碳纤维复合材料车体设计中存在的问题,碳纤维复合材料在轨道车辆车体上的应用也会越来越广泛。

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