基于新型復(fù)合材料應(yīng)用的德國軌道車輛車體結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

1 引言

目前，鐵路是跨區(qū)域運(yùn)輸旅客和貨物最經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的手段之一。而實(shí)現(xiàn)軌道車輛結(jié)構(gòu)的輕量化可在進(jìn)一步減少CO2排放、降低其運(yùn)營和生命周期成本方面發(fā)揮巨大的潛力。

自2019年1月起，一項(xiàng)名為“MoWag——軌道車輛模塊化車體”的研發(fā)項(xiàng)目（以下簡稱“MoWag項(xiàng)目”）在德國開始推行。該項(xiàng)目由德國聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)與能源部（BMWI）資助，是德國“新型軌道交通車輛和系統(tǒng)技術(shù)專家計(jì)劃”的組成部分，以雙層旅客列車車體為設(shè)計(jì)對象，利用復(fù)合材料開發(fā)軌道車輛車體結(jié)構(gòu)，旨在減小車體質(zhì)量、達(dá)到節(jié)能增效的效果。其中，新型輕量化復(fù)合材料的應(yīng)用是重點(diǎn)。

研究人員通過廣泛的材料研究，遴選出了適用于軌道車輛結(jié)構(gòu)的新型復(fù)合材料（如纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）、泡沫鋁夾芯板等），并對其特點(diǎn)進(jìn)行分析，確定相關(guān)參數(shù)值；然后利用這些確定的參數(shù)值進(jìn)行有限元分析（FEA）計(jì)算，以驗(yàn)證采用相應(yīng)新材料的車體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，從而對其進(jìn)行迭代優(yōu)化；此外，還開發(fā)了相應(yīng)的制造和連接工藝。有限元分析計(jì)算結(jié)果表明，使用上述新材料生產(chǎn)車體，可在不影響車輛安全性、乘坐舒適性和防火性的前提下，使車體質(zhì)量相較目前減小5%～10%，對于實(shí)現(xiàn)車體減重目標(biāo)具有相當(dāng)大的潛力。

本文將對該項(xiàng)目的研究情況進(jìn)行介紹。

2 車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在MoWag項(xiàng)目中，車體設(shè)計(jì)人員采用新型復(fù)合材料及其組合，旨在實(shí)現(xiàn)從前使用傳統(tǒng)材料無法實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)構(gòu)想，并為充分發(fā)揮其潛力開發(fā)了新的施工工藝和連接技術(shù)；此外，還引入新的構(gòu)造理念，以提高設(shè)計(jì)的靈活性、自由度、個(gè)性化程度及產(chǎn)品的可回收性。

2.1 新材料選擇

MoWag項(xiàng)目開始之初，研究人員便對多種復(fù)合材料進(jìn)行了軌道車輛適用性研究和驗(yàn)證，通過對標(biāo)準(zhǔn)化試樣進(jìn)行多次拉伸、彎曲及防火測試，獲取相關(guān)參數(shù)，并最終確定以下2種新材料為主要應(yīng)用對象。

（1）具有聚氨酯基體的FRP拉擠型材。其具有非常高的比剛度、良好的防火性能（這主要通過玻璃纖維和聚氨酯基體實(shí)現(xiàn)）及優(yōu)異的功能集成性，可大幅減少組件的數(shù)量和組裝工作。

（2）泡沫鋁夾芯板。由于其采用金屬芯結(jié)構(gòu)，因此具有出色的防火性能、抗壓比強(qiáng)度、聲學(xué)性能及能量吸收能力；此外，還可通過更換其面層材料（鋁、鋼、FRP），得到所需的特性，如高比剛度和比強(qiáng)度、高抗侵入性、強(qiáng)隔熱性、高可連接性、良好觸感等。

2.2 車體設(shè)計(jì)

研究人員從測試條件及集成、模塊化潛力等方面出發(fā)，選擇雙層旅客列車中部1360 mm長的一段（以2個(gè)相鄰窗柱的中間部分為起終點(diǎn)）作為設(shè)計(jì)對象（圖 1），旨在最大限度地減少由于邊界條件或外力引入所導(dǎo)致的應(yīng)力和形變特異性，從而有助于對有限元分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，以得出關(guān)于整個(gè)車身結(jié)構(gòu)的結(jié)論。

在項(xiàng)目中，研究人員制定了2種不同的車體結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用方案：第一種，采用帶有纖維增強(qiáng)面層的泡沫鋁夾芯板（Pepural?）、FRP拉擠型材，以及帶有鋼面層的泡沫鋁夾芯板（SAS）；第二種，采用擠壓鋁型材，以及帶有鋁面層的泡沫鋁夾芯板（AAS）（圖2）。

針對上述不同的材料應(yīng)用方案，研究人員選擇了不同的連接工藝：熔化極惰性氣體保護(hù)焊接（MIG）工藝用于連接泡沫鋁夾芯板組件；攪拌摩擦焊接（FSW）工藝用于將泡沫鋁夾芯板組件與擠壓鋁型材連接；纖維復(fù)合材料組件的連接則按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定采用粘接工藝。

通過模擬計(jì)算，研究人員得出結(jié)論，將上述2種材料應(yīng)用方案結(jié)合起來能夠在實(shí)現(xiàn)車體質(zhì)量最小化的同時(shí)得到最佳的機(jī)械性能，即：

（1）車體側(cè)壁采用數(shù)個(gè)AAS組件拼接的方式，其中各組件由擠壓鋁型材連接；

（2）中層地板采用Pepural?組件，其通過FRP拉擠型材將載荷傳遞至車體骨架。

2.3 有限元分析驗(yàn)證

設(shè)計(jì)完成后，需要利用有限元分析模擬來驗(yàn)證車體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。模擬試驗(yàn)是在德國弗勞恩霍夫模具和成型技術(shù)研究所（IWU）中使用ANSYS Workbench軟件開展的。該軟件對大量程序模塊進(jìn)行了功能集成，無需訪問其他外部軟件，即可生成幾何形狀，將其聯(lián)網(wǎng)，定義載荷工況，以及評估模擬結(jié)果。

為獲得有可比性的結(jié)果，研究人員將同尺寸的傳統(tǒng)材料模型（以下簡稱“參考模型”）與MoWag設(shè)計(jì)模型進(jìn)行有限元分析對比，并為其設(shè)置相同的載荷條件。MoWag設(shè)計(jì)模型由SOLID186網(wǎng)格單元（六面體）和SOLID187網(wǎng)格單元（四面體）構(gòu)成，復(fù)合材料連接通過TARGE170單元和CONTA174單元模擬，泡沫鋁和復(fù)合材料由替代材料模型表示。材料的彈性模量、屈服極限、抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等特征值是通過一系列試驗(yàn)預(yù)先確定的。泡沫鋁采用各向同性材料模型；Pepural? 的面層由于纖維取向的原因，采用正交各向異性材料模型。

研究人員還在ANSYS Workbench中設(shè)計(jì)并優(yōu)化了中層地板拉擠型材的層結(jié)構(gòu)，為此其使用了附加程序ANSYS ACP和ANSYS optiSLang。ANSYS ACP能夠在綜合考慮層結(jié)構(gòu)、纖維取向和所選基質(zhì)的前提下，對纖維復(fù)合材料組件進(jìn)行建模、設(shè)計(jì)和評估。ANSYS OptiSLang可在此基礎(chǔ)上對所選參數(shù)（層厚度、方向、數(shù)量等）進(jìn)行調(diào)整，以便通過適當(dāng)?shù)哪M對組件的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

研究人員對上述設(shè)計(jì)進(jìn)行有限元分析，并在給定的載荷工況及質(zhì)量下驗(yàn)證其強(qiáng)度，通過對整個(gè)車體強(qiáng)度進(jìn)行迭代分析（圖3），識別結(jié)構(gòu)中的弱點(diǎn)，對其進(jìn)行優(yōu)化，并將結(jié)果反饋到設(shè)計(jì)中。由于在制造過程中，泡沫鋁夾芯板組件會在幾分鐘內(nèi)承受相當(dāng)大的熱應(yīng)力，組件溫度將接近鋁合金的熔點(diǎn)，因此車體強(qiáng)度驗(yàn)證應(yīng)遵循DVS 1608-2011《鐵路車輛鋁合金焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和強(qiáng)度評估》標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于AAS結(jié)構(gòu)面層允許特性值的規(guī)定；對焊接接口的評估應(yīng)根據(jù)DVS 1608-2011標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于接口類型的規(guī)定進(jìn)行。

3 結(jié)果

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的新結(jié)構(gòu)能否實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目預(yù)定的目標(biāo)，研究人員將參考模型和MoWag設(shè)計(jì)模型在允許應(yīng)力下的質(zhì)量（圖4）、形變和載荷進(jìn)行比較。

圖4中的半模型質(zhì)量分析結(jié)果表明，WoMag設(shè)計(jì)車體結(jié)構(gòu)所采用的新材料（AAS、pepural?和FRP拉擠型材）組合顯示出顯著的減重潛力，相比參考模型，整個(gè)車體的質(zhì)量可減小約22%。如果可以實(shí)現(xiàn)地板結(jié)構(gòu)承載功能的一體化，即地板結(jié)構(gòu)所承受的載荷可部分或全部轉(zhuǎn)移到車體骨架上，則其比減重率將進(jìn)一步提高。

此外，該項(xiàng)目開發(fā)的中層地板結(jié)構(gòu)通過采用新型復(fù)合材料及其組合大幅減小了質(zhì)量（圖5）。傳統(tǒng)的木地板被帶有泡沫鋁芯和玻璃纖維增強(qiáng)聚氨酯面層的夾芯板（即pepural?）所取代，地板支撐結(jié)構(gòu)為采用拉擠成型工藝制成的玻璃纖維增強(qiáng)聚氨酯型材，這種在厚度和纖維結(jié)構(gòu)方面經(jīng)過有限元分析方法優(yōu)化的型材可大量吸收彎曲載荷。

圖6展示了研究人員在項(xiàng)目結(jié)束時(shí)創(chuàng)建的車體結(jié)構(gòu)演示模型。車體外殼由AAS組件組成，這些組件使用擠壓鋁型材連接。演示模型中還展示了中層地板的2種不同設(shè)計(jì)，即AAS結(jié)構(gòu)（左）及pepural?結(jié)構(gòu)（右）。