基于新型復合材料應用的德國軌道車輛車體結構輕量化設計

1 引言

目前，鐵路是跨區域運輸旅客和貨物最經濟、環保的手段之一。而實現軌道車輛結構的輕量化可在進一步減少CO2排放、降低其運營和生命周期成本方面發揮巨大的潛力。

自2019年1月起，一項名為“MoWag——軌道車輛模塊化車體”的研發項目（以下簡稱“MoWag項目”）在德國開始推行。該項目由德國聯邦經濟與能源部（BMWI）資助，是德國“新型軌道交通車輛和系統技術專家計劃”的組成部分，以雙層旅客列車車體為設計對象，利用復合材料開發軌道車輛車體結構，旨在減小車體質量、達到節能增效的效果。其中，新型輕量化復合材料的應用是重點。

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構的新型復合材料（如纖維增強復合材料（FRP）、泡沫鋁夾芯板等），并對其特點進行分析，確定相關參數值；然后利用這些確定的參數值進行有限元分析（FEA）計算，以驗證采用相應新材料的車體的結構強度，從而對其進行迭代優化；此外，還開發了相應的制造和連接工藝。有限元分析計算結果表明，使用上述新材料生產車體，可在不影響車輛安全性、乘坐舒適性和防火性的前提下，使車體質量相較目前減小5%～10%，對于實現車體減重目標具有相當大的潛力。

本文將對該項目的研究情況進行介紹。

2 車體結構設計

在MoWag項目中，車體設計人員采用新型復合材料及其組合，旨在實現從前使用傳統材料無法實現的設計構想，并為充分發揮其潛力開發了新的施工工藝和連接技術；此外，還引入新的構造理念，以提高設計的靈活性、自由度、個性化程度及產品的可回收性。

2.1 新材料選擇

MoWag項目開始之初，研究人員便對多種復合材料進行了軌道車輛適用性研究和驗證，通過對標準化試樣進行多次拉伸、彎曲及防火測試，獲取相關參數，并最終確定以下2種新材料為主要應用對象。

（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現）及優異的功能集成性，可大幅減少組件的數量和組裝工作。

（2）泡沫鋁夾芯板。由于其采用金屬芯結構，因此具有出色的防火性能、抗壓比強度、聲學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，如高比剛度和比強度、高抗侵入性、強隔熱性、高可連接性、良好觸感等。

2.2 車體設計

研究人員從測試條件及集成、模塊化潛力等方面出發，選擇雙層旅客列車中部1360 mm長的一段（以2個相鄰窗柱的中間部分為起終點）作為設計對象（圖 1），旨在最大限度地減少由于邊界條件或外力引入所導致的應力和形變特異性，從而有助于對有限元分析結果進行驗證，以得出關于整個車身結構的結論。

在項目中，研究人員制定了2種不同的車體結構材料應用方案：第一種，采用帶有纖維增強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；纖維復合材料組件的連接則按照相關標準的規定采用粘接工藝。

通過模擬計算，研究人員得出結論，將上述2種材料應用方案結合起來能夠在實現車體質量最小化的同時得到最佳的機械性能，即：

（1）車體側壁采用數個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 有限元分析驗證

設計完成后，需要利用有限元分析模擬來驗證車體結構的強度。模擬試驗是在德國弗勞恩霍夫模具和成型技術研究所（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，將其聯網，定義載荷工況，以及評估模擬結果。

為獲得有可比性的結果，研究人員將同尺寸的傳統材料模型（以下簡稱“參考模型”）與MoWag設計模型進行有限元分析對比，并為其設置相同的載荷條件。MoWag設計模型由SOLID186網格單元（六面體）和SOLID187網格單元（四面體）構成，復合材料連接通過TARGE170單元和CONTA174單元模擬，泡沫鋁和復合材料由替代材料模型表示。材料的彈性模量、屈服極限、抗壓強度和抗拉強度等特征值是通過一系列試驗預先確定的。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中設計并優化了中層地板拉擠型材的層結構，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構、纖維取向和所選基質的前提下，對纖維復合材料組件進行建模、設計和評估。ANSYS OptiSLang可在此基礎上對所選參數（層厚度、方向、數量等）進行調整，以便通過適當的模擬對組件的相關參數進行優化。

研究人員對上述設計進行有限元分析，并在給定的載荷工況及質量下驗證其強度，通過對整個車體強度進行迭代分析（圖3），識別結構中的弱點，對其進行優化，并將結果反饋到設計中。由于在制造過程中，泡沫鋁夾芯板組件會在幾分鐘內承受相當大的熱應力，組件溫度將接近鋁合金的熔點，因此車體強度驗證應遵循DVS 1608-2011《鐵路車輛鋁合金焊接結構的設計和強度評估》標準中關于AAS結構面層允許特性值的規定；對焊接接口的評估應根據DVS 1608-2011標準中關于接口類型的規定進行。

3 結果

為驗證設計的新結構能否實現項目預定的目標，研究人員將參考模型和MoWag設計模型在允許應力下的質量（圖4）、形變和載荷進行比較。

圖4中的半模型質量分析結果表明，WoMag設計車體結構所采用的新材料（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，整個車體的質量可減小約22%。如果可以實現地板結構承載功能的一體化，即地板結構所承受的載荷可部分或全部轉移到車體骨架上，則其比減重率將進一步提高。

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

圖6展示了研究人員在項目結束時創建的車體結構演示模型。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種不同設計，即AAS結構（左）及pepural?結構（右）。