碳纖維復合材料軌道車輛車門設計關鍵技術研究

□ 賈亞麗□ 趙 剛□ 曾 宇□ 施晶晶□ 戴 存□ 濮建榮

1.中車青島四方機車車輛股份有限公司 山東青島266111

2.南京康尼機電股份有限公司 南京210013

碳纖維復合材料作為最先進的復合材料之一，具有高比強度、高比剛度、抗腐蝕等優良特性，在航空航天、體育器材、生物工程等領域得到應用［1］。隨著科學技術的進步和人民生活水平的提高，對軌道客車的安全性、舒適性、節能環保性有了更高的要求，碳纖維復合材料作為一種新型替代材料逐漸引起世界各國的重視。

軌道車輛門作為車輛的重要構成部分，對整車運行安全、舒適性具有舉足輕重的作用。碳纖維復合材料車門與成熟的金屬車門相比，存在以下問題亟待解決：①碳纖維復合材料車門的材料形式設計；②需要開發滿足較高防火要求的樹脂；③需在綜合考量隔聲、氣密等指標的基礎上，實現車門結構的一體化、輕量化設計；④需發展新型快速成型工藝。筆者從設計角度對碳纖維復合材料車門系統設計的關鍵技術進行研究，希望能為軌道車輛門的輕量化設計提供參考。

1 碳纖維復合材料在軌道車輛中的應用現狀

碳纖維復合材料已在軌道車輛中得到較廣泛的應用，主要應用在車輛車體、車輛內飾件等。如：日本川崎重工的新型碳纖維復合材料efwing轉向架［2］；韓國鐵道科學研究院研制的采用碳纖維復合材料車體的擺式特快列車。我國軌道車輛應用碳纖維復合材料主要還局限于部分零部件，如頭罩、裙板等，相對于玻璃鋼材料減重約20%～30%，且在剛度、強度，以及防火性能等方面優勢顯著。如湖南省復合材料工程技術研究中心研制的復合材料車端蓋，已成功應用于“藍箭”動車組及“中華之星”動車組中。

就車門車窗應用而言，國內外有采用玻璃纖維增強復合材料（GFRP）的，如劉鈞等［3］采用樹脂傳遞模塑成型（RTM）方法制作出GFRP車門框和車窗框；英國XP64星客車、MKⅢ型客車均安裝了GFRP復合材料門，而優點突出的碳纖維復合材料車門系統尚未有相關文獻發表。

2 碳纖維復合材料車門設計的關鍵技術

2.1 技術要求

碳纖維復合材料車門系統由于受力工況復雜，在設計前，需要首先明確使用壽命、剛度、強度等技術要求，并且對于各指標進行分析：①一般車輛整車的設計使用壽命為30年，依據等壽命原則，車門系統的設計使用壽命同整車的壽命一致；②地鐵列車車門在關閉和鎖緊時應能承受乘客加載的載荷；③交變疲勞載荷；④沖擊與振動載荷；⑤其它技術要求，如質量、隔聲隔熱、防火要求，以及車門形式是塞拉門、移門，還是外掛密閉門，車門形狀是彎門還是直門。車門設計技術要求示意圖如圖1所示［4］。

2.2 材料結構形式設計

為了適應制品的功能需求，必須對材料結構形式進行設計，包括纖維方向和制品主體結構設計。

▲圖1 車門設計技術要求示意圖

纖維材料力學性能由于具有方向性，因此需要最大限度利用纖維復合材料的方向性來保持制品結構中傳遞路徑的連續，以避免纖維中斷。對于工況較復雜的車門，相向行駛的車輛在某一地點交錯通過時會產生交變載荷、沖擊振動載荷等，因此碳纖維層壓板的鋪層角度即纖維鋪設方向設計應至少包括0°、45°、90°、135°；由于車門結構復雜，纖維在車門厚度變化處要盡量保持連續和平直，以保證局部的強度和剛度；必要時可在車門內部增加縱橫向的層壓板來保證車門整體的強度和剛度［5］。

車門的主體結構形式通常為 “三明治”結構（圖2），其具有較高的剛度，且可以有效減重，外部為碳纖維蒙皮，中間夾心可采用聚對苯二甲酸乙二醇脂（PET）塑料、聚氯乙烯（PVC）發泡材料或者鋁蜂窩材料，蒙皮和夾心以樹脂膠粘接方式連接。

采用碳纖維板作為表面蒙皮，其整體剛度應不低于采用鋁蒙皮的剛度，以下進行分析驗證。三明治結構線剛度B計算式為：

式中：E1為蒙皮1材料的彈性模量；E2為夾心材料的等效彈性模量；E3為蒙皮2材料的彈性模量；t1為蒙皮1厚度；h為夾心厚度；t3為蒙皮2厚度。

若中間夾心采用蜂窩結構，首先計算蜂窩夾心的等效彈性模量，根據等剛度原則，采用單層實心板等效蜂窩夾心。蜂窩結構如圖3所示。

▲圖3 蜂窩結構

蜂窩夾心等效彈性模量E2計算式為：

式中：t為蜂窩壁厚，t=0.05 mm；L1、L2均為蜂窩壁寬度，L1=L2=5 mm；ES為蜂窩材料彈性模量；θ為蜂窩夾角。

將L1=L2=5 mm、t=0.05 mm、ES=72 100 MPa、θ=30°代入式（2），可以求得E2=11 100 MPa。

三明治結構兩邊均采用1 mm鋁蒙皮時：將E1=E3=72 000 MPa、t1=t3=1 mm、E2=11 100 MPa代入式（1），可以求得鋁蒙皮三明治結構線剛度Bl=63 512 N·m；兩邊均采用0.5 mm碳纖維板時：將E1=E3=15 000 MPa、t1=t3=0.5 mm、E2=11 100 MPa代入式（1），可以求得碳纖維板三明治結構線剛度BW=65 912 N·m。

由以上計算分析可知，在中間填充材料一致的情況下，厚0.5 mm碳纖維板三明治結構線剛度強于厚1 mm鋁蒙皮三明治結構。碳纖維板的質量相對鋁蒙皮而言更輕，因此碳纖維板三明治結構形式的材料結構具有較高的比剛度，有利于車門系統大幅減重，降低能耗。

2.3 產品結構設計

碳纖維復合材料軌道車門需要突破傳統門板的鋁型材骨架焊接、芯材填充，以及內外蒙皮粘接的多部件、多工序的實現思路，運用一體化設計理念，將門板設計成一個整體零件，這樣可以減少零部件數量，減少裝配環節，縮減工時，降低成本。碳纖維復合材料門板的一體化設計，需要在滿足基本機械性能的基礎上，權衡強度、剛度、氣密性、隔聲、隔熱等多項指標，進行綜合設計。

圖4所示為碳纖維復合材料門板，門板厚度為43 mm（傳統城軌車門系統門板厚度為32 mm）。雙扇塞拉門要實現氣密性具有一定難度，需要在周邊及門扇中下部等部位增加額外約束來保證門板具有足夠的剛度，因此將門板厚度增加。門板分析如圖5所示，從內向外對整個門板施加4 000 Pa均布氣動載荷，門扇最大變形量為2.24 mm，發生在中間護脂膠條處，但護脂膠條仍可以形成有效密封，因此，滿足客戶參照同等速度等級的城際車輛所提出的氣密性要求。

另外，這一門板內部填充PET塑料，而非城軌車門系統常用的鋁蜂窩，因為該車門系統隔聲指標按照國家標準GB/T 8485——2008《建筑門窗空氣聲隔聲性能分級及檢測方法》，在30 dB（A）以上，而普通城軌一般為30 dB（A）以下，PET塑料密度較高，為110 kg/m3，其對聲音的阻尼系數大，可以顯著提高隔聲性能。

單扇碳纖維復合材料門板質量約14 kg，相對于厚度相同、夾心材質相同的鋁合金框架門板約26 kg的質量，其減重效果明顯。

碳纖維復合材料軌道車輛門板的一體化設計，因無法采用焊接方式來連接其它部件，因此還涉及到連接方式的處理，一般優先采用預埋金屬鑲件、后開孔的方式進行處理，因金屬鑲件被包在碳纖維復合材料軌道車輛門板內部，可以避免因鑲件外露導致門板油漆后油漆層開裂問題。

2.4 成型方法

復合材料成型方法較多，關鍵是不僅要滿足復合材料產品尺寸及表面質量，而且要根據預設的方向均勻鋪設增強纖維，減少纖維性能的降級，使基體樹脂與增強纖維完成較好的結合，排出揮發的氣體，降低空隙率，完成充分固化［6］。

圖4 碳纖維復合材料門板

▲圖5 門板分析

對于碳纖維復合材料車門，對內外面輪廓要求較高，屬于中小型復雜制品，要求批量化生產，因此模壓成型較適宜。模壓成型是將預浸料或者增強纖維和樹脂、填充物等鋪設在下模具模腔內，然后合上上模具，并經過加熱和加壓來成型的一種方法，具有生產效率高、制品尺寸準確、適用于批量生產、結構復雜的一次成型等特點［7］。 為了進一步提高制造效率和制品質量，樹脂傳遞模塑被應用于模壓成型，樹脂傳遞模塑工藝流程為：在模腔中鋪好采用的增強材料，以及按照性能和結構要求設計好的預成型體，然后將專用低黏度樹脂用注射設備注入閉合模腔中，將模腔中的氣體通過排氣系統全部排出，最后利用模具的加熱系統使樹脂固化成型。該工藝具有成型周期短、對環境危害小、成本低、能成型復雜大型制品的優點，已逐漸成為先進復合材料低成本制造的重要發展方向［8］。

2.5 試驗測試和損傷檢查

由于目前尚沒有復合材料車門的試驗標準，整個車門系統的試驗測試過程可借鑒積木式試驗方法，從金字塔的底層到頂層依次分級為原材料試樣、小元件、組合件、部件，以及全尺寸結構件，其中原材料試樣為樹脂、碳纖維織布、結構膠，以及由它們組成的“三明治”結構。小元件包括預埋結構試樣等，組合件為碳纖維復合材料門頁，部件為門扇裝配組件，全尺寸結構件為包括機構、門扇、控制器等在內的車門系統。試驗測試原則上依據車門系統的行業標準和經驗，依此開展各種型式試驗測試和其它方面針對車門系統的測試，包括外觀及尺寸檢驗、障礙檢測、隔聲隔熱試驗及其它功能性測試等。由于采用新材料，不僅要進行以上基于車門系統的全尺寸結構試驗測試，還需要針對其它較低層級的試驗研究，比如原材料及三明治結構的防火性能試驗、平拉彎曲性能測試、針對預埋件的連接性能測試、門頁的強剛度測試、門扇的強剛度測試等。

復合材料結構的損傷檢查方法主要有：目視法、滲透法、射線法［9］、超聲波檢測、紅外熱波檢測［10］、模態分析技術［11］。

3 總結與展望

碳纖維復合材料在軌道車門輕量化設計中的應用屬于新材料的應用范疇，相關技術與管理人員須注重以下方面。

（1）選擇滿足強度、剛度要求的碳纖維復合材料形式。

（2）碳纖維復合材料成本由于原材料價格居高不下，因此需要從產品的整個生命周期考慮降低成本，包括結構的一體化設計即整體設計。

（3）選擇高性價比的成型工藝方法，為了提高生產效率，盡量選擇滿足原材料性能的現有預浸料等。

（4）建立復合材料數據庫［12］，方便設計人員進行材料設計的選型，避免重復設計工作。

總之，在碳纖維復合材料的軌道車輛車門的研發設計過程中，需綜合考慮各種關鍵技術，平衡各種性能指標，才能獲得高性價比、輕量化的車門。