溫濕度致編織碳纖維復合材料車體結構性能劣化及機理研究

金煒，張穎川，陽光武，陳勁松，王明猛，李戈輝

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司機車車輛研究所，北京，100081；2.北京縱橫機電科技有限公司，北京 100094；3.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，四川成都，610031)

近年來，碳纖維復合材料(carbon fiber reinforced plastic,CFRP)因其優異的力學性能、可設計性和輕量化效果，被越來越多地應用于軌道交通領域[1-3]。我國軌道交通系統貫穿南北，橫跨東西，覆蓋我國主要氣候帶，車體材料在服役過程中會受到不同氣候環境例如低溫、高溫和濕態的影響，因此，在復合材料車體設計時應充分考慮環境因素的影響，使其更好地適應高鐵全天候運營的機制。馮振宇等[4-5]采用掃描電鏡對不同環境下CFRP單向板拉伸試驗的斷口微觀形貌進行了分析，發現干燥環境能在一定程度上增強環氧樹脂對纖維的保護作用，而在高溫高濕下，界面熱應力與濕應力增加[6-7]，基體遭到破壞，單向板拉伸強度下降。譚偉等[8-10]發現長時間的高溫環境會使CFRP內樹脂發生老化，同時，樹脂與纖維絲的界面結合力顯著下降。于倩倩等[11]發現熱老化對CFRP 具有增強和破壞2 種相互競爭的作用關系，在140 ℃時，拉伸和壓縮力學性能對熱老化不敏感，但彎曲力學性能對熱老化敏感。既有研究表明，CFRP 裝備對服役環境較為敏感，對CFRP 復合材料層合板而言，環境變化會明顯影響其基體的強度；對夾層(膠接或者混合連接)結構而言，環境變化可能會降低膠層的剪切和剝離強度[12]；對碳纖維復材和金屬件連接的部位而言，環境變化還會導致電化學腐蝕[4]。然而，目前該方面仍缺乏系統研究，還沒有形成一套可以有效考慮環境因素影響的CFRP軌道交通裝備設計規范，缺少適用于我國高速列車車體的CFRP 環境疊加的評估體系。因此，結合我國服役環境和高速列車自身特點，開展軌道交通常用的編織CFRP在環境疊加下的力學性能試驗和結構設計研究，對CFRP復合材料裝備的設計和安全應用具有重要意義[13]。本文作者對工程常用的編織CFRP層合板開展不同溫濕度環境下的拉伸、壓縮和剪切力學性能試驗，通過應力-應變試驗曲線分析，揭示材料性能劣化成因?？紤]濕熱和低溫環境對CFRP 力學性能的影響，采用環境疊加的驗證方法，計算不同環境因素下某型號高速磁浮碳纖維車體的靜強度和剛度，對比分析其影響機制，為CFRP在高速列車領域的應用與校核提供參考。

1 編織碳纖維復合材料力學性能試驗

1.1 試驗條件和試樣制備

試件制備采用編織型預浸料和模壓成型工藝[14]，組分為HF10 型纖維絲(纖維絲束3K)和EM119 型阻燃環氧樹脂。采用中溫固化工藝制備成單層厚度為0.2 mm 的試件。用于拉伸、壓縮和剪切測試的層合板鋪層方案及試件尺寸依據GB/T 3354—2014，GB/T 3856—2005和GB/T 3355—2014進行，如圖1 所示。圖1 中：L為試件長度；W為試件寬度；L0為補強片長度；B為補強片厚度；H為層合板厚度；X和Y方向為鋪層面內編織纖維方向，Z方向為試件厚度方向；拉伸和壓縮試件為[0/90]鋪層，剪切試件為[±45]鋪層。層合板的模壓設備為XLB-D 型平板硫化機；加載和采集設備包括MTS809.52 型拉扭試驗機和DH5922D 型動態信號測試分析系統；環境設備包括高低溫試驗箱及拉伸、壓縮和剪切試驗所對應的加載夾具。試驗過程中采用單邊加載方式，設置低溫-30 ℃、標準實驗室環境25 ℃和高溫80 ℃共3種環境溫度對比組，設置標準實驗室干態環境(相對濕度(55±10)%)和濕態環境(相對濕度(85±5)%)共2種濕度對比組，組合成4種試驗環境，即低溫干態、常溫干態、高溫干態和高溫濕態，分別進行拉伸、壓縮和剪切力學性能試驗，如表1 所示。每組試驗的加載速率均為2 mm/min。拉伸和壓縮試驗至試件完全失效后停止，剪切試驗至試件完全破壞或應變超過5%后停止試驗，得到力-位移和時間-應變曲線，依據標準計算不同環境下的模量、強度、泊松比等參數并用于后續對比分析。

圖1 試件示意圖Fig.1 Diagram of the test pieces

表1 試驗環境Table 1 Experimental conditions

1.2 試驗結果與討論

如圖2 所示為CFRP 在各溫濕度環境和應力狀態下的應力-應變曲線。從圖2(a)可以看出，拉伸試驗的應力-應變曲線在一定應變范圍內均呈明顯的線性變化趨勢。從圖2(b)可見：相比拉伸曲線，壓縮試驗的應力-應變曲線走勢分散性明顯增大[5,15]。這是由于纖維在壓縮時會發生局部的屈曲變形；從圖2(c)可見，剪切試驗的應力-應變曲線具有明顯的非線性，且各個環境下的曲線趨勢相同。

圖2 不同試驗環境下的應力-應變曲線Fig.2 Street-strain curves under different experimental environments

材料模型參數擬合時，每組取5個數據的平均值作為實測值，并給出每組數據的樣本標準差[15-18]，得到低溫干態、常溫干態、高溫干態和高溫濕態環境下CFRP 的模量和強度，如表2 所示。從表2可知，一方面，在低溫干態環境下，材料的剪切性能比其拉伸性能和壓縮性能劣化更為顯著，相比常溫干態環境，其剪切模量下降16.30%，剪切強度下降23.94%，壓縮性能最為穩定，壓縮模量僅下降2.45%，壓縮強度下降7.36%；在高溫干態和高溫濕態環境下，剪切應力狀態同樣受劣化影響最為顯著，此時，壓縮模量受影響很小，相比常溫干態環境，分別下降了1.90%和2.70%，但是壓縮強度發生了較大下降，相比低溫干態環境，分別下降了20.85%和21.86%。結果表明，該編織復合材料剪切力學性能的環境敏感性最高，壓縮力學性能的環境敏感度最低。另一方面，經過低溫、高溫或者濕態處理后，層合板的拉伸、壓縮和剪切性能均呈下降趨勢。在拉伸狀態下，最惡劣環境為低溫干態，相比常溫干態試樣，低溫干態試樣拉伸強度下降了30.79%，拉伸模量下降了10.76%。在壓縮狀態下，最惡劣環境為高溫濕態，相比常溫干態試樣，高溫濕態試樣的壓縮強度下降了21.96%，壓縮模量下降了2.59%。在剪切狀態下，最惡劣環境為高溫濕態，相比常溫干態試樣，高溫濕態試樣的剪切強度下降了43.59%，其剪切模量下降了17.10%。這是因為，在低溫環境下，基體因應力集中產生微裂紋，不利于載荷傳遞和平衡局部應力，因此，拉伸強度發生顯著劣化[7]。高溫會造成基體熱分解和氧化，因此，濕熱環境會明顯降低基體控制的力學性能尤其是剪切性能。在濕熱狀態下，樹脂基體吸濕損傷，同時，水分的進人還會使纖維與基體間界面發生水解，造成界面失效，因此，壓縮性能受濕熱環境的影響較為顯著[15]。本文試驗結果與文獻[16,19]中的結果相符。由于采用的復合材料面內X方向和Y方向、由相同性能的纖維束編織而成，因此，僅進行1個方向的面內拉伸和壓縮試驗。

表2 不同溫濕度環境下CFRP材料參數Table 2 Material parameters of CFRP under different temperature and humidity environments

2 高速磁懸浮碳纖維車體結構有限元仿真模型

根據4 種溫濕度環境下的材料性能試驗數據，針對某型號的磁懸浮碳纖維車體結構進行有限元仿真，研究不同環境對結構性能的影響。磁浮車體主要包括車廂結構和設備夾層結構，車廂殼體型腔結構分為車頂、側墻、底架和端墻，如圖3(a)所示；設備夾層采用6005A-T6 型鋁合金擠壓型材，其結構如圖3(b)所示；有限元模型采用完整的車體模型，包括1731901 個SHELL91 單元、542676個SHELL181單元、341694個SOLID185單元及連接和簡化用的1d單元，如圖3(c)所示。

自由模態驗證時整體無約束，通過車體結構固有的振動特性反映不同環境作用下結構剛度的特點。沖擊靜強度驗證時，依據標準IEC61373—1999 中的載荷工況進行，在車體縱向(x方向)、橫向(y方向)、垂向(z方向)上分別施加加速度激勵，組合成6種沖擊工況，如表3所示。沖擊工況需要約束，在設備夾層下部約束板處約束y和z方向自由度，在牽引拉桿安裝處約束x方向自由度，邊界條件如圖3(d)所示。由于本試驗未測定面外力學性能，且結構各部件厚度遠小于長度和寬度，材料面外力學性能對結果影響微小，因此，仿真過程中使用的面外材料參數采用文獻[20]中數據，該文獻與本文均采用了環氧系列樹脂，相關參數如表3所示。

表3 沖擊工況與部分材料參數Table 3 Load cases and material parameters

圖3 碳纖維磁懸浮車體有限元模型Fig.3 Finite element models of magnetic CFRP carbody

3 車體性能仿真結果

3.1 溫濕度對車體模態的影響

圖4所示為各溫濕度環境影響下車體結構的自由模態振型云圖，圖中紅色表示結構變形最大位置，該位置剛度最小。由圖4可知，在各溫濕度環境下，一階振型均表現為車廂菱形形變，這是因為車窗開口降低了側墻的局部剛度，因此，離窗邊最近的側墻與車頂連接處易發生較大橫向位移，成為結構的剛度薄弱位置。在常溫干態環境下，二階振型為整體的一階垂彎，底板及側墻中部發生較大垂向位移；但考慮溫濕度影響后，結構的抗扭剛度下降，車體二階振型變為繞x軸的扭轉變形，兩端部分別繞x軸產生了相反的扭轉。表4所示為車體結構自由模態對比。從表4可知，在常溫干態環境下，車廂的一階自由模態頻率為11.86 Hz，當考慮溫濕度影響后，低溫干態、高溫干態和高溫濕態環境下一階頻率分別下降了5.40%，4.30%和4.81%；對二階模態頻率影響最大的是高溫濕態，相比常溫干態環境下，其頻率下降了6.25%，對三階模態頻率影響最大的是低溫干態，相比常溫干態環境下，其頻率下降了6.64%。由此可見，惡劣環境會削弱結構的剛度，并且在高階模態中，環境疊加的作用對結構剛度的影響會愈加明顯，甚至改變振型。因此，在對剛度變化敏感或者剛度裕度較小的CFRP結構進行設計時，設計者需考慮環境疊加的影響以獲得更加安全可靠的結果。

表4 磁懸浮車體自由模態分析結果Table 4 Free modes analysis results of maglev carbody

圖4 不同溫濕度環境下的磁懸浮車體自由模態Fig.4 Free modes of maglev carbody under different temperature and humidity environments

3.2 溫濕度對車體沖擊靜強度的影響

在6 種沖擊工況下，縱向±5g和垂向±3g工況對碳纖維復合材料車廂整車結構的影響較小，Tsai-Wu應力強度因子均遠低于0.1，遠小于失效強度指標1；而橫向-3g工況對整車結構的影響較大，因此，主要對最惡劣的工況4 的仿真結果進行分析。圖5 所示為沖擊工況4 條件下整車變形云圖。圖6 所示為工況4 條件下整車的Tsai-Wu 強度指標分布云圖，為突出沖擊工況下結構的應力校核最危險位置，圖中局部放大云圖忽略了結構微小損傷。采用的三維應力狀態下的Tsai-Wu失效準則如式(1)所示：

圖6 沖擊工況4條件下Tsai-Wu強度因子分布云圖Fig.6 Distribution of Tsai-Wu strength factor under impact condition 4

式中：ξ為三維Tsai-Wu 失效準則值；σX，σY，σZ，σXY，σYZ和σXZ為任意一點應力分量，MPa；CXY，CYZ和CXZ為Tsai-Wu耦合系數，一般均取-1。

從圖5可知：在常溫干態下，車廂結構最危險工況為工況4，此時，最大組合變形為12.17 mm。與常溫干態相比，低溫干態、高溫干態和高溫濕態環境下的最大組合變形分別增大了11.47%，9.36%和10.32%，因此，最危險狀態為低溫干態。在4種環境下，最大變形位置均為車廂側墻門框上部。這是由于門框在側墻產生了開口，而碳纖維復合材料對于靜強度的缺口敏感性相當高，因此，門框周圍就成為了結構整體的沖擊剛度薄弱位置，進而導致車廂沿橫截面產生菱形變位，結果符合橫向沖擊工況下的實際變形情況。從圖5(e)可以看出，多處開口(門、窗)的存在使得側墻始終是整車結構的薄弱位置；且各部件中，底架在不同溫濕度環境下的剛度最大，穩定性最好，相比常溫干態，低溫干態時沖擊位移增量為9.27%；車頂對溫濕度環境變化的敏感性最高，相比于常溫干態，低溫干態時沖擊位移最大增量達到了11.44%。這是由于車頂為長大單板結構，溫濕度環境對CFRP材料剛度的削弱作用更易體現；而底架中部開口避免了大面積單板的結構形式，且左右底板通過隔板連接增加了局部自由度，使得底板薄弱位置只在局部體現，因此，降低了材料剛度削弱所帶來的影響。

圖5 沖擊工況4條件下整車變形結果Fig.5 Predicted results of the whole vehicle under impact condition 4

采用Tsai-Wu 失效準則計算的CFRP 車廂結構的應力強度指標及危險位置如表5所示，常溫干態時，最大Tsai-Wu 強度因子為0.11，與之相比，低溫干態、高溫干態和高溫濕態環境分別增大了45.45%，127.27%和190.91%，各溫濕度環境下的最危險位置均在碳纖維車廂側墻與底板相接處的底板燕尾槽上。當溫濕度變化時，在相同載荷下，變形和應力強度因子均明顯增大，導致車廂安全性降低。由于環境對材料極限強度的退化作用遠大于其對模量的退化作用，使車廂Tsai-Wu強度因子最危險時增加了190.91%，遠大于位移變形的11.41%，因此，在工程應用中對碳纖維結構評估時，應充分考慮溫濕度的影響，惡劣的溫濕度會使材料極限強度顯著退化，結構安全裕度降低。

表5 溫濕度影響下磁懸浮車廂沖擊工況分析結果Table 5 Predicted results of maglev carbody under impact condition 4 with different temperature and humidity

4 結論

1)CFRP編織復合材料試件經過低溫、高溫或濕態處理后，拉伸、壓縮和剪切性能均下降。在拉伸狀態下，最惡劣環境為低溫干態，相比常溫干態試樣，低溫干態試樣的拉伸強度下降了30.79%；在壓縮狀態下，最惡劣環境為高溫濕態，相比常溫干態試樣，高溫濕態試樣的壓縮強度下降了21.96%；在剪切狀態下，最惡劣環境為高溫濕態，相比常溫干態試樣，高溫濕態的剪切強度下降了43.59%。表明該編織復合材料剪切力學性能的環境敏感性最高，壓縮力學性能的環境敏感度最低。

2)溫濕度環境的變化會削弱碳纖維復合材料結構的剛度，導致模態頻率降低，并且在高階模態中影響會愈加明顯，甚至會改變高階模態的振型。

3)在相同載荷下，溫濕度環境的變化使得碳纖維磁懸浮車體結構的組合位移變形和應力強度因子明顯增大，且應力強度因子的變化率遠大于位移的變化率。這是因為低溫干態、高溫干態和高溫濕態等惡劣溫濕度環境會導致材料極限強度產生顯著的退化，從而降低結構的安全裕度。

4)采用上述環境疊加的CFRP 結構評估方法時，工程結構除了滿足25 ℃常溫、(55±10)%干態環境規范，還應充分考慮服役所處的溫濕度環境，校核在-30 ℃低溫/(55±10)%干態或者80 ℃高溫/(85±5)%濕態等惡劣溫濕度環境下的性能，以保證工程結構在服役于非標準溫濕度環境下時具有充足的安全性和可靠性。