虛擬軌道列車芳綸蜂窩裙板結構設計與驗證

周 洲，王宇鵬，曾 奇，呂文麗，王明星

（株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007）

1 引言

繼地鐵、輕軌、公交系統之后，虛擬軌道列車成為人們出行的一種新的方式，也是目前城市內公共交通系統的重要補充[1-4]。由于采用膠輪系統，對車輛減重提出較大需求，其中裙板作為車輛車體的一部分，對頂板設備起到保護以及美觀的作用，一般的低地板車或膠輪車采用鋁型材或玻璃鋼夾心結構，保證產品足夠剛度，但使得產品厚重，不易安裝和拆卸。

芳綸蜂窩復合材料作為十三五期間在軌道領域重點發展的一種新型的高分子輕量化材料[5-6]，具備高強、高剛、阻燃、防腐等優勢[7-8]，在軌道車輛頂板、裙板、側墻中得到廣泛的應用與驗證[9-12]。本文根據虛擬軌道列車裙板需求，對比芳綸蜂窩與傳統鋁合金及玻璃鋼材料在裙板應用中的優勢，研究不同鋪層方法對重量、性能的影響，并通過仿真計算及沖擊振動試驗驗證方案的可行性，為后續產品的批量應用打下基礎。

2 裙板結構設計

虛擬軌道列車采用3節編組形式MC1+T+MC2（MC為動車，T為拖車），裙板部分總長度約30 m，沿車長方向兩邊各12塊，車輛頂端裙板布置如圖1所示。原設計方案為鋁合金型材，每節重量60 kg，總重為180 kg。為達到輕量化的目的，減重40%以上，支撐座采用鏤空結構，裙板本體采用芳綸蜂窩夾芯三明治的形式，通過熱壓罐袋壓工藝成型。

圖1 裙板在車輛頂端的布置

裙板蒙皮采用型號為1805H-3021玻纖增強環氧預浸料，纖維密度300 g / m2，厚度0.26 mm；夾心采用48 g / mm3的芳綸蜂窩，膠膜型號為N629N0-20。本文采用3種芳綸蜂窩鋪層方案以及1種聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）泡沫夾芯方案進行對比，具體鋪層方案如表1所示，其性能對比如表2所示。

表1 鋪層方案

表2 鋪層方案性能對比

通過性能對比發現，方案1、方案2、方案3的輕量化均已達到要求，方案3雖然在輕量化方面比方案1、方案2略小，但在彎曲強度與剛度方面優于前者，且相比于PET泡沫夾芯方案具有明顯減重優勢，因此，后續對方案3裙板結構進行仿真計算及沖擊振動試驗。

3 裙板受力仿真分析

3.1 仿真模型

從虛擬軌道列車裙板結構中選取2塊具備典型代表性的產品作為有限元仿真分析對象，裙板蜂窩部分和金屬連接件部分采用 C3D8R 單元，共計單元格53 596 個。裙板復合材料纖維部分采用S4R單元，共計單元格108 488個，其中蒙皮與蜂窩模型共節點，裙板上C型滑槽與蒙皮膠結共節點，支架與C型滑槽采用綁定模式，網格劃分及邊界條件如圖2所示。 裙板支撐座底部與車體骨架連接，裙板內側粘接C 型槽，并與支撐座螺釘連接。支撐座底部可以認為固定邊界條件，其X、Y、Z方向如圖1、圖2中所示。通過仿真計算，裙板的各組成材料應力情況如下：工況 1，裙板自重+ X方向（ 車輛長度方向 ）2g加速度；工況2，裙板自重+ Z方向（ 車寬方向 ）1g加速度； 工況 3，裙板自重+ Y方向（ 垂向 ）3g加速度。

圖2 網格劃分及邊界條件

3.2 材料參數

裙板使用預浸料芳綸蜂窩復合結構，面板為上下各3層密度300 g/m2的環氧預浸料織物，玻璃鋼蒙皮拉伸強度為150 MPa，剪切強度為40 MPa。芳綸蜂窩平拉強度為2.99 MPa，壓縮強度為4.47 MPa，剪切強度為0.76 MPa，在蜂窩與預浸料夾層之間鋪設膠膜，采用上下各1層面密度為250 g/m2的環氧膠膜。芳綸蜂窩復合材料裙板中玻璃鋼蒙皮、蜂窩材料以及金屬連接件材料參數如表3所示。

表3 玻璃鋼蒙皮、蜂窩材料及金屬連接件材料參數

3.3 結果分析

車輛在各工況下芳綸蜂窩裙板各位置的最大變形及應力情況如表4所示，所有工況下均滿足車輛的運行要求，3種工況下金屬件最小安全系數為4.5，蒙皮最小安全系數為160，芳綸蜂窩最小安全系數為25.3。根據最小安全系數來看，復合材料的安全系數遠高于金屬支架的安全系數，同時又達到大幅度輕量化的目的。其中工況1，即車輛在車長方向2g加速度時，對產品變形情況影響最大，為0.54 mm，金屬支架的受力最大為24.2 MPa；工況2對蜂窩芯的剪切影響最大，即車輛在加速拐彎時容易對芯子產生剪切破壞；工況3對蒙皮應力的影響最大，即車輛在高速通過高低路面時，容易對蒙皮產生影響。圖3～圖6為工況1下的裙板受力仿真云圖。 注： E為彈性模量，μ為泊松比，G為剪切模量，1、2為纖維方向， 3為厚度方向。

圖3 裙板組成整體撓度云圖（單位：mm）

圖6 裙板蜂窩部分剪切應力云圖（單位：MPa）

通過仿真計算，采用3層300 g/m2的環氧預浸料作為蒙皮和6 mm厚的48 g/cm3的芳綸蜂窩結構作為芯材制成的裙板可以滿足不同車況下的力學要求，同時達到40%以上的減重。

4 沖擊振動試驗

根據產品結構，為防止產品變形，裙板采用單面鋁合金模具、真空袋熱壓工藝和80℃/ 2 h + 120℃/ 2 h的固化工藝，冷卻至室溫后脫模，并打磨切邊，粘接鋁合金C型槽，如圖7所示。單塊重量為5.5 kg，設計重量為5.6 kg，偏差為1.7%，可見，芳綸蜂窩預浸料工藝可以比較準確的預測產品重量。

圖7 粘好C型槽的裙板

裙板屬于車輛頂部設備安裝件，在車輛運行過程中涉及到行車安全與穩定性，需要對其進行充分的型式試驗驗證，其中沖擊振動試驗最能反映裙板是否能滿足使用要求。本文采用IEC 61373-2010《鐵路設施 機車車輛設備 沖擊振動試驗》[16]中1類B要求，對裙板產品進行模擬長壽命試驗[17]，試驗條件如表5所示。每次沖擊振動試驗的峰值加速度在垂向、橫向、縱向分別為30 A/m · s-2、30 A/m · s-2、50 A/m · s-2，持續時間為30 ms，每個方向正反各3次，共18次。

表5 模擬長壽命試驗條件

沖擊振動試驗平臺上裙板安裝如圖8所示。通過模擬長壽命及沖擊振動試驗后，裙板無異常，無破損、無開裂分層，外觀完好，滿足IEC 61373-2010《鐵路設施 機車車輛設備 沖擊振動試驗》中1類B要求。

圖8 沖擊振動試驗平臺上裙板安裝圖

5 結論

（1）通過不同的鋪層設計及力學性能測試，采用3層300 g/m2環氧預浸料蒙皮和6 mm厚的48 g/cm3的芳綸蜂窩結構制成的裙板不僅能滿足減重40%的要求，同時，彎曲強度與剛度最優。

（2）通過仿真計算不同車載工況下裙板的各部件受力情況，可知變形量最大為0.54 mm，面板主應力、蜂窩剪切強度、金屬連接件主應力安全系數均超出4。

圖4 裙板組成整體應力云圖（單位：MPa）

圖5 裙板蒙皮部分主應力云圖（單位：MPa）

（3）裙板采用鋁合金單面模具真空袋壓、80℃/2 h +120℃/ 2 h的固化成型工藝，滿足IEC 61373-2010《鐵路設施 機車車輛設備 沖擊振動試驗》中1類B要求，符合裙板裝車使用要求。