碳纖維復合材料車體設計關鍵技術研究

王晶+徐博雅+李天亮

摘 要：文章主要針對碳纖維復合材料車體，探討了材料性能和成型工藝。從防火要求、接地和電磁兼容要求、剛度要求、車體大部件之間連接方式幾方面與金屬車體進行對比分析，提出解決辦法。并對復合材料車體在軌道交通領域的可行性進行分析。

關鍵詞：復合材料車體；輕量化；軌道交通；成型工藝

碳纖維復合材料具有比強度高、比剛度高、耐腐蝕、抗疲勞、可設計性強、方便整體成型等特點，在航空、航天等領域已經獲得成熟應用。隨著高速鐵路的快速發展，對車體輕量化的需求也越來越明顯，應用復合材料制造的車體，具備重量輕、強度高、剛性大等特性，在有效地較低車體重量的同時，也提高了車體運行的平穩性和穩定性。

復合材料是一種各向異性的材料，在設計過程中具有很強的靈活性，設計人員可以從選材、成型工藝、結構設計等方面綜合考慮，充分發揮復合材料比強度、比模量高的特性，在滿足強度要求的同時，通過結構的優化計算，減少材料的使用，從而達到減重、降低成本的目的，為復合材料在軌道車輛領域的應用提供了可能。

復合材料車體和金屬車體相比存在一些需要解決的問題：碳纖維復合材料成本比較高、工藝成型技術水平要求高；復合材料車體需要達到和金屬車體一樣的防火要求，泡沫、樹脂、預浸料要做防火處理；復合材料車體需要考慮車體接地和電氣設備接地問題；車體大部件之間的連接方式要考慮滿足車體強度、使用壽命、整體密封等要求；復合材料車體應避免開孔，或者避免在碳纖維連續傳力的區域開孔；復合材料車體小件需要選擇合適的連接方式。

1 國內外復合材料車體應用概況

復合材料除廣泛用于航空航天領域外，在軌道車輛制造業也有一定的應用。有些國家已將復合材料廣泛地應用到軌道車輛上，如法國國營鐵路公司（SNCF）使用復合材料設計出了TGV雙層掛車，對其耐火性、抗沖擊強度進行了運行試驗，證實了復合材料車體制造工藝是有效的，實現了CFRP車體結構的重大突破。韓國TTX碳纖維復合材料整體車身也于2010年投入運營。Schindler Waggon公司應用玻纖或碳纖維纏繞制成的輕型承載結構車體在聯邦鐵路線上進行運行試驗，運行速度達到140km/h，也達到了滿意的效果。德國AEG和MBB與德國聯邦鐵路合作開發的世界上第一個復合材料轉向架構架，在運營了100多萬公里后未檢測出任何磨損及損壞，與原結構相比不僅重量大大減少，同時也提高了運行舒適度、降低了檢修成本。此外，復合材料在車廂內飾件以及車頭前端領域的應用也比較廣泛。

國內復合材料在軌道交通中應用還處于試驗階段，主要應用還受限于車頭前端和車廂內飾件，復合材料在整車的應用上還處于研究階段。

2 材料性能和成型工藝

碳纖維復合材料車體各部件主要采用碳纖維-芯層結構（類似于三明治結構），碳纖維-芯層結構主要由兩層碳纖維蒙皮中間加入泡沫或蜂窩夾芯組成，碳纖維-芯層結構不僅具有質量輕、彎曲剛度和強度大，還具有耐疲勞性、隔音隔熱等優點。在車體設計時，需要根據車體結構承載要求，在夾層內部預埋縱、橫加強梁，或者在承載區域做局部加強，在不承力區域可以做適當減薄處理。

復合材料成型工藝主要有手糊成型、噴射成型、拉擠成型、纏繞成型、真空熱壓罐成型及真空導入成型等成型工藝。手糊成型雖然工藝簡單、價格相對比較便宜，但是由于生產效率很低、質量不穩定等因素不適于生產結構件。噴射成型為使用短切纖維和樹脂經過噴槍混合后，壓縮空氣噴灑在模具上，然后經過按壓固化成型，可用于制造過程中的過渡層。拉擠成型適合于生產各種截面形狀的型材，如工字型、槽型等截面型材。纏繞成型可用于制造圓柱體、球體、筒形等回轉體結構。真空熱壓罐成型工藝，需要將預浸料在磨具中按照設計要求鋪好后，送入熱壓罐中加溫加壓固化成型。這種成型工藝方法生產的產品韌性好、結構強度高、尺寸精度較高、工藝穩定性好，但是對溫度控制、設備成本、工藝水平等要求比較高，制造成本比較昂貴，所以此種成型工藝只適用于制造車體的一些承力件，比如底架邊梁、牽枕緩結構。真空袋壓成型工藝的特點是既能獲得相較于手糊工藝的高強度重量比和尺寸精度，同時和熱壓罐成型工藝相比制造成本相對較低，所以此種方法適合于車體大部件的設計。

以車體底架為例，車體底架整體采用復合材料夾層結構，選用熱壓罐成型工藝，成型步驟如下：模具準備；底架上蒙皮鋪貼；底架上蒙皮固化成型；加入包裹膠膜的泡沫，同時可以加入預埋金屬件或復合材料預制件；泡沫與底架上蒙皮整體成型；在泡沫結構上鋪貼底架下蒙皮；整體固化。

3 復合材料車體關鍵問題研究

3.1 防火要求

復合材料選用的材料，如預浸料、樹脂、粘接劑、泡沫，要滿足軌道車輛的防火要求，如果選用的樹脂、預浸料，不滿足防火要求，需要加入防火材料，滿足整體的防火要求。

3.2 接地和電磁兼容要求

金屬車體可以導電，所以只需要將車體上的接地設備先連接到車體上，通過車體連入轉向架輪對導入大地，復合材料車體為不良導體，需要對設備統一做接地處理，可以考慮在夾層內部預埋銅板，然后在設備需要接地的位置通過螺栓連接到銅板，最后將整個銅板通過轉向架輪對導入大地。

電磁兼容要保證整車電磁兼容的要求，對于車下磁場較強部位，需要作隔磁處理。

3.3 剛度要求

由于碳纖維-芯層結構為各項異性材料，車體剛度要保證在正常載荷和自然頻率下，車體變形不超過運行條件所決定的極限值，需要在車體結構設計時，選擇合適比重的芯層結構，并在車體變形比較大的區域做局部加強。

3.4 車體大部件連接方式

碳纖維車體不能像金屬車體一樣通過焊接方式來連接車體大部件，需要考慮通過膠粘或者螺栓、鉚釘等緊固件的方式進行連接，在考慮連接強度的同時，還要重點考慮整車壽命要滿足設計要求，以及連接后整車的密封和防水要求。

3.5 開孔問題

復合材料車體在做系統設計時，應避免在承力區域開孔，否則可能導致碳纖維傳力的不連續。

3.6 車體小件連接方式

復合材料車體由于無法焊接，小件只能通過膠粘或者緊固件連接，小件材質若為金屬材質，還要在復合材料夾層中預埋金屬板，然后再通過緊固件進行連接。

4 碳纖維復合材料車體在軌道車輛領域的可行性分析

碳纖維復合材料車體主要受幾方面的制約，主要包括：碳纖維材料成本比較高、成型工藝要求比較高、設計者需要具備一定的設計經驗、量產料件如何保證工藝穩定性和產品質量。

碳纖維復合材料車體的應用還處于初級階段，針對復合材料的設計準則、工藝規范、材料標準、產品檢驗和試驗驗證等工作還沒有建立或完善，需要大量的試驗研究和試驗驗證工作。這些因素也阻礙了碳纖維復合材料在軌道交通領域的發展。

碳纖維復合材料車體如果想要在軌道交通領域很好的應用，就要在以下幾個方便做考慮，首先材料選擇上可以考慮在次承力結構上采用玻纖和碳纖混雜設計，充分發揮碳纖維材料強度高，玻纖價格便宜的優勢，將減重和降低成本整體考慮；其次在設計過程中，考慮結構優化、系統集成，在提高復合材料隔聲隔音前提下，就可以考慮將車體結構、內裝結構集成在一起，去除防寒和隔音材料，這樣就可以大幅度較少整車重量、降低成本；最后一定要優化工藝成型技術，簡化工藝過程、提升工藝穩定性、提高生產效率。

5 結束語

隨著對碳纖維復合材料研究的深入，逐步解決碳纖維復合材料車體設計中存在的問題，碳纖維復合材料在軌道車輛車體上的應用也會越來越廣泛。

參考文獻

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