碳纖維構架的強度試驗方法及評價方法研究

王石

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

轉向架構架在運營過程中承受著復雜的多軸疲勞載荷，自從德國工程師Wohler提出S-N曲線和疲勞極限的概念以來，工程師們就一直在針對承載結構進行科學系統的研究，轉向架構架逐漸形成了以箱形梁或管梁焊接而成的“H”型結構。

隨著材料科學的發展，軌道車輛車體材料逐漸從鋼過渡到鋁合金，轉向架的一些附屬零部件如碳纖維天線梁、碳纖維軸箱吊耳等也得到小規模應用，并且憑借其自身較高的模態頻率，避免了轉向架附屬零部件共振疲勞的問題。

截止2020年，國內外轉向架構架所使用的材料仍然是鋼，其他材料的構架目前仍主要處于研究驗證階段。德國在20世紀80年代中期研發了世界上第1臺復合材料構架并通過了靜態模擬試驗和耐久性試驗。日本1989年試制成功碳纖維復合材料（CFPR）構架，該構架自重0.3 t，比普通鋼制構架減重70%［1］。川崎重工研發的efWING構架側梁采用CFPR，比金屬梁減重約40%，且利用碳纖維材料的特性簡化了一系簧結構。該構架在TTCI進行了4 500 km的線路試驗，輪重減載率降了約一半，由于一系懸掛由軸箱擴展到整個側梁，乘坐舒適度也有很大提升。德國Voith生產的碳纖維過渡車鉤僅23 kg［2］。某標準動車組碳纖維設備艙通過了氣動載荷試驗、振動沖擊試驗且減重35%，已經在線路上正式應用［1］。

轉向架作為列車運行中重要零部件，其疲勞性能直接關系到列車的運行安全。2017年，日本“希望”號新干線列車轉向架構架開裂事故，原因在于底盤過薄導致結構疲勞強度過低［3］。碳纖維構架理論抗拉強度和疲勞強度遠高于普通的鋼制構架，但由于市場原因及安全性認識不足，只有ef-WING轉向架應用在小型低速線路網中［4］。

受客觀條件限制，國內學者對碳纖維構架的認知主要停留在理論仿真層面。單臺構架生產所需要的生產工藝要求高、制造成本昂貴，只有個別主機廠有生產樣品，進一步限制了研究人員理論方法驗證的開展。王新宇利用ABAQUS建立了車體碳纖維枕梁的有限元仿真模型，結合漸進損傷分析方法和漸進疲勞損傷模型編寫UMAT子程序，建立了一種復合材料層合板的靜力學分析方法和疲勞分析方法［5］。

談程指出碳纖維構架由于材料性能特點，在動力學計算時需把它看作柔性體［6］。利用ANSYS和SIMPACK，對柔性體構架一系定位剛度對蛇行臨界速度的影響進行了分析。當把構架考慮成柔性體時，其臨界速度、平穩性指標較剛體構架要好，曲線通過性能差別不大。

碳纖維材料的阻尼是普通金屬的10～100倍，當有少量纖維斷裂時，載荷會在剩余纖維上重新分配，相對于金屬材料疲勞強度一般為屈服強度的50%～60%，碳纖維的疲勞強度可達到屈服強度的70%～80%［7］。碳纖維可根據模具的不同編織成各種復雜的形狀。碳纖維材料高強度、高阻尼、低密度的特性與及軌道交通輕量化、高速化發展趨勢不謀而合。

碳纖維材料理論性能優異，但相關研究表明，碳纖維的材料性能受編織密度、纖維方向、溫度等因素的影響。在疲勞試驗中，纖維板分層后，由于界面之間的摩擦會導致纖維的斷裂，界面法向力越大則纖維越容易斷裂失效［8］。在130℃的濕熱環境下，碳纖維材料的抗拉強度和纖維層之間的剪切強度降幅能達到50%左右［9］。由于影響碳纖維材料性能的因素眾多，在軌道交通領域除一些非承載零部件外，在輪軸、構架、車體等關鍵部件鮮有正式應用。

文中基于某公司生產的碳纖維構架實體，對其進行了臺架試驗和線路試驗，研究了碳纖維構架在EN 13749標準規定載荷和工況下的強度特性。在碳纖維構架表面布置了應變片，獲取了碳纖維構架各個關鍵部位線路試驗條件下的應力譜，并根據Miner線性累積損傷準則和德國勞氏船級社提供碳纖維S-N曲線對碳纖維構架疲勞強度進行了評估。

1 構架試驗標準對比

目前，國內針對客車轉向架構架的靜強度和疲勞強度試驗主要基于國外的標準，這些標準包括：UIC 615-4-2003《動力轉向架—轉向架和走行裝置—轉向架構架結構強度試驗》［10］，BS EN 13749-2011《鐵路設施—輪對—用于規定轉向架構架 的 結 構 要 求 的 方 法》［11］，JIS E 4207-2004+EART-2013《鐵道車輛用轉向架構架—設計通則》［12］和JIS E 4208-2004《鐵道車輛用貨車車架和轉向架承載梁靜載荷的試驗方法》［13］。

JIS標準針對轉向架構架僅進行運營工況下的靜強度試驗，運用疲勞極限法對獲取的靜強度數據進行處理，對構架的疲勞強度進行評估。標準對構架焊接工藝做了較多規定，且對構架疲勞強度與測試應力的關系進行了研究，在對構架焊接性能充分認知的基礎上認為不需要再進行疲勞試驗［14］。

UIC 615標準和EN 13749標準在載荷和工況的確定方法上有很大的相似性。UIC 615標準中將構架的縱向載荷認為是局部載荷。3種標準中對構架設備安裝座的局部載荷均有相關規定，EN 13749標準中的規定最為詳細。EN 13749標準規定的組合工況也最為詳細。

在現有標準的基礎上，JIS標準的適用性上偏向于焊接構架，而UIC 615標準和EN 13749標準有很大的相似性，而EN 13749標準更為詳細，因此根據EN 13749對碳纖維構架進行靜強度試驗。

2 碳纖維構架臺架試驗分析

2.1 碳纖維構架試驗載荷及工況

碳纖維構架作為一種全新材料，全新工藝的構架，研究人員對其性能的認識還處于起步階段。因此需以較為嚴格而全面的試驗結果校核其服役時的安全性。某公司生產的碳纖維構架仍然沿用鋼制構架的設計思路，在主體結構上與傳統鋼制構架無異，均為“H”型結構，構架橫側梁的三維尺寸也基本一致。在設計階段，認為碳纖維構架與傳統構架處于同樣的運營條件。除主體結構外，其余傳統鋼制設備安裝座如制動吊座、牽引拉板座、抗側滾扭桿安裝座等均通過鉚釘或螺栓與編織在碳纖維構架內部的安裝孔連接，這些局部結構的固定方式與傳統構架略有區別，傳統構架一般將這些局部結構焊接在構架橫側梁，但局部結構的質量和尺寸仍基本一致。碳纖維構架實體圖如圖1所示。

圖1 碳纖維構架實體圖

根據EN 13749標準計算得到碳纖維構架臺架試驗載荷以及載荷組合工況見表1。臺架試驗的載荷主要考慮構架的二系空簧的垂向力、橫向止擋處的橫向力、車軸上的縱向力、制動時的制動吊座垂向力、曲線線路上構架本身的扭轉以及菱形變形。

2.2 碳纖維構架的力學性能

某常用鋼與某型常規碳纖維復合材料的力學性能對比見表2。

從表2中可以看出，碳纖維材料的比強度和比模量遠高于傳統鋼材，表明獲得相同的力學性能條件下使用碳纖維會大大減輕結構的質量。

表2 材料力學性能數據表[15]

文獻［16］表明碳纖維圓孔試件拉伸時的破壞應力遠高于最大應力準則的預測值，這表明孔邊區域存在大規模的應力松弛現象。在無法獲得構架各部位所使用碳纖維材料的應力—應變曲線的情況下，第2.3節僅以試驗所測得的應變數值對碳纖維構架的靜力學性能進行初步評估。

2.3 應變數據分析

碳纖維本身屬于各向異性材料，如果鋪層過程中纖維體的方向均勻分布時，則表現出準各向同性［17］，即在碳纖維板內平面內各方向強度和剛度不變，碳纖維板法向強度和剛度與面內不同。碳纖維構架的橫側梁壁厚遠大于纖維直徑，且編織的經密緯密隨幾何形狀而變化，因此認為碳纖維構架面內材料性能表現為各向同性。

在碳纖維構架表面粘貼應變片和應變花測量構架關鍵部位的應變。碳纖維構架表面粘貼的應變片和應變花如圖2所示，直角應變花所測量三向應變，評估時需根據應變花計算公式轉化為最大名義應變。

圖2 碳纖維構架應變粘貼圖

按表1設置的工況進行構架靜強度臺架試驗，得到的較危險點的應變信息見表3。

表3中，工況5和工況8測得的最大應變值顯著大于其他測點，2個工況下最大應變測點號均為S2.29，如圖3所示。工況5和工況8采集到的該應變片的殘余應變分別為-93 με和-24 με，分別為最大應變值的0.64%和0.14%。應變片本身在工況5和工況8的大應變下也會有一定殘余變形，因此構架本身在該局部測點的殘余應變應小于-93 με和-24 με，因此認為碳纖維材料仍處于彈性區間。2個工況在不同時間加載，排除了偶然因素的干擾。該測點位于構架的橫側梁連接處附近，除工況5和工況8外的工況均不包含構架的菱形載荷，因此該測點對菱形載荷較為敏感。構架在表1所有靜強度加載工況下均未產生塑性變形。

圖3 測點S2.29布置圖

表1 碳纖維構架臺架試驗工況表

表3 各工況危險點應變信息統計表

3 基于實測應力譜的疲勞分析

3.1 試驗方案

傳統鋼制構架疲勞失效一般位于焊縫的焊趾或焊根處。鋼制構架的疲勞評估方法一般采用名義應力、熱點應力或結構應力，獲取評估點處的應力譜，根據不同焊接形式的焊縫的S-N曲線進行疲勞評估。碳纖維構架為一體編織成型，沒有所謂的焊趾或焊根，但在構架的幾何突變處，設備安裝接口處必然存在著應力集中，構架的疲勞失效必然位于應力集中處，在這些位置布置測點能夠比較全面準確地評估碳纖維構架的疲勞性能。碳纖維構架動應力現場測試如圖4所示。

圖4 碳纖維構架動應力現場測試圖

試驗在車體超員載荷AW3條件下運營，試驗測試的轉向架包括一個動車鋼制轉向架構架和拖車碳纖維轉向架構架，用以對比同樣運營條件下鋼結構轉向架與碳纖維轉向架的疲勞性能差異。應變片電阻120 Ω，靈敏度系數2.2，采用1/4惠斯通橋路組橋。將應變片延長線集中布置到構架端部，從車門接入車內的數據采集設備，設定數據采樣頻率2 500 Hz。實測線路運營里程共95.68 km。

剔除車體在站臺停留時間內的數據，對構架站間啟動、勻速、制動的數據統計得到最大應力σmax和最小應力σmin，確定16級應力譜的各級應力區間組間距為式（1）：

對站間動應力數據進行雨流計數，得到各循環的應力均值和應力幅值，按Goodman平均應力修正公式修正得到應力均值為0的應力循環，并按修正后的應力幅值與應力譜的各級應力區間對應并計數。

3.2 碳纖維構架疲勞評估方法

傳統鋼制構架的疲勞評估方法包括疲勞極限法和累積損傷法。疲勞極限法簡單易用，僅通過構架的靜強度試驗獲取的各應力測點各工況下的應力值即可進行疲勞評估，JIS E 4207/4208標準中即只采用該方法進行構架的疲勞強度評估。

該方法將各個測點在所有疲勞工況（一般為運營工況）下的最大主應力和最小主應力找出，求出測點的平均應力和應力幅值，并在Goodman-Smith圖或Haigh圖中打點，若所有點均在包絡線內即認為構架的疲勞強度滿足設計要求。

目前國內各主機廠在除了使用疲勞極限法評估，同時進行構架的臺架疲勞試驗進行驗證。國內的鐵路常用材料的Goodman疲勞極限圖繪制工作于2000年后由鐵道科學研究院會同11個鐵路院校和工廠展開［18］，目前還沒有可以用于評估碳纖維構架的疲勞極限圖，因此，文中采用累積損傷法對碳纖維構架的疲勞性能進行評估。

地鐵運營速度較低，業內通常認為地鐵構架的運營里程按每個月1萬km，30年共360萬km。假設構架運行360萬km且疲勞測點應力譜幅值為碳纖維的疲勞極限時的損傷為1，若基于實測應力譜擴展到360萬km時得到的構架損傷小于1，則認為碳纖維構架疲勞性能滿足設計要求。

根據TB/T 3548—2019《機車車輛強度設計及試驗 鑒定規范 總則》［19］，構架的等效應力幅計算公式為式（2）：

式 中：j為 應 力譜 級 數，一般 取8級、16級或32級，文中應力譜級數為16級；m為與S-N曲線相關的斜率；L1為線路試驗運行里程；L為總里程即360萬km；等效應力幅σeq作用N次（N取1 000萬次，對應360萬km的應力循環）。

若等效應力幅σeq小于N次循環下對應的碳纖維的疲勞強度，則認為構架滿足設計要求。

3.3 鋼制構架和碳纖維構架疲勞性能分析

傳統鋼制構架焊縫的S-N曲線一般通過相同材料的標準試棒的S-N曲線進行修正得到，部分常見的焊縫S-N曲線在標準中直接給出。碳纖維的材料性能與經緯線角度、經緯線密度、纏繞張力、溫濕度等因素有關，編織成構架的碳纖維的疲勞性能與構架幾何形狀之間的關系也無法確定。由于缺少構架所采用的碳纖維材料的疲勞強度，文中根據風電行業德國勞氏船級社《Guideline for the Certification of Wind Turbines》［20］的規定，通過公式計算獲得碳纖維的構架的疲勞強度。

《Guideline for the Certification of Wind Turbines》規定評價碳纖維材料的疲勞強度時需選取一定的安全系數γMx，γMx主要和局部安全系數γM0、鋪層時的溫度、失效作用以及鋪層方式有關，根據規 定γM0=1.35，安 全 系 數γMx和γM0存 在 關 系為式（3）：

式中：i取為5；C1b、C2b、C3b、C4b、C5b均是經過試驗驗證的可供備選的換算系數。由于無法獲取碳纖維構架的S-N曲線的斜率，采用船級社推薦的碳纖維復合材料S-N曲線的斜率m為14，因此計算可得C1b=3.16。C2b、C3b分別考慮時間和溫度對材料的劣化效應，分別取值1.1和1.1；對于有修補處理的碳纖維復合材料，C4b=1.0，C5b為與風電設備相關的參數，與本次評估無關，因此取1.0。綜合以上參數得碳纖維復合材料疲勞強度的安全系數γMb=3.83。

在《Guideline for the Certification of Wind Turbines》規范的復合材料疲勞強度校核中充分考慮了平均應力對材料或者構件疲勞強度的影響，利用其推薦采用的Goodman經驗模型進行平均應力修正。勞氏船級社規定的碳纖維Goodman疲勞極限圖如圖5所示。圖中Rk，t和Rk，c分別是通過試驗獲得的材料的拉伸強度和壓縮強度，其關系為式（4）：

圖5 碳纖維Goodman疲勞極限圖

構架碳纖維材料的疲勞極限為式（5）：

根據應力譜和碳纖維材料的S-N曲線計算得到的鋼制構架和碳纖維構架的等效應力幅。分別列出了2種構架利用度最大的4個測點應力幅值和利用度，見表4。

表4 鋼制構架和碳纖維構架疲勞結果

從表4中可以看出由于鋼制構架掛載了電機和齒輪箱，齒輪箱振動產生的應力顯著大于構架其他部位的應力水平。碳纖維拖車構架的危險點位于軸箱拉板座與側梁連接處，碳纖維構架的總體應力水平高于鋼制構架。2種構架的利用度均小于1，滿足設計要求。

4 結論

（1）文中根據EN 13749標準規定的靜強度載荷及試驗工況對碳纖維構架的臺架試驗，試驗結果表明碳纖維構架在EN 13749標準規定的工況下，構架整體位于處于彈性區間，卸載后局部測點未發生塑性變形。

（2）碳纖維材料的應力—應變曲線非嚴格意義上的線性關系，對于大應變區域采用應力評價碳纖維構架的強度時，需根據靜拉伸、靜壓縮試驗獲取材料的應力應變曲線。小應變區域的應力可通過應變與彈性模量相乘獲取。

（3）通過線路試驗得到的應力譜，采用德國勞氏船級社規定的碳纖維疲勞強度計算方法，計算得到碳纖維的疲勞強度為125.85 MPa，對碳纖維構架的關鍵測點的疲勞評估結果表明碳纖維構架整體的應力幅值大于鋼制構架，構架的疲勞性能滿足設計要求。

（4）碳纖維材料的材料性能受編織密度、纖維方向、溫度等影響，碳纖維構架的編織密度和纖維方向隨幾何變化而變化，線路試驗所處的環境相較服役周期而言，溫濕度變化較小。關于這些因素對構架疲勞性能的影響需進行大量長期的試驗進行進一步的驗證。

（5）碳纖維由于自身具備高阻尼的特性，雖然其本身應力水平較高，但對于實際線路的響應有削減作用。碳纖維構架的線路響應特性需要布置更多更精密的傳感器進行測試。