碳纤维增强树脂基复合材料在轨道交通车辆车体中的应用与思考

周伟旭

(中车长春轨道客车股份有限公司，130062，长春//教授级高级工程师)

车体是轨道交通车辆重要的承载结构，除必须满足强度、刚度、模态及结构稳定性等要求外，还必须满足日益提高的结构轻量化要求。碳纤维复合材料的应用为车体减重增能提供了新的思路，对推动轨道交通技术进步具有划时代意义。

1 碳纤维增强复合材料的技术需求

随着我国轨道交通车辆装备制造业的快速发展，轨道交通车辆装备制造技术亦在逐步提升，因此对车辆安全性、舒适性、节能减排、绿色环保、运营速度和载客能力等方面提出了更高的要求。车体结构是车辆的重要部件，其强度、刚度、疲劳寿命及耐腐蚀性直接关系到车辆的安全可靠性；车体的减振降噪性能与车辆乘坐舒适度密不可分；车体质量约占整车质量的25%～35%，车体轻量化是车辆轻量化的重点，是提高车辆运营速度、载客能力、节能减排的最直接、有效的途径。高强轻质环保材料的应用为车体以上性能的提升提供了重要的解决方案。

目前，轨道交通车辆车体材料主要有铝合金、不锈钢和碳钢，铝合金车体存在应力腐蚀、外表处理困难、焊接要求高、疲劳强度低等问题；不锈钢车体存在密封性差、局部屈曲、焊接变形等问题；碳钢车体存在易腐蚀、不利于轻量化、焊接变形大等问题。传统金属材料应对进一步的挑战显得力不从心，碳纤维增强复合材料因其优异的特性受到广泛关注,其中碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)是目前最受青睐的一种。

2 CFRP的技术优势

CFRP具有比重小、强度高、耐疲劳、耐腐蚀、抗蠕变、热膨胀系数小等优异特性，并且具有一材多能、一材多用的特点，已被广泛应用于航空、航天、轮船、汽车、风电叶片、化工、机械、纺织、医疗器材以及文体用品等各个领域。对于轨道交通承载结构，CFRP能从以下几方面满足车体技术提升的需求：

(1)实现车体结构的轻量化。表1为CFRP与金属材料的力学性能对比。由表1可以看出，CFRP具有密度小、比强度高、比模量高的力学特性，利用其轻质、高强度的特点可大幅度降低结构自重，从而提高车辆运载能力，以及降低能源消耗。

表1 CFRP与金属材料的力学性能对比表

(2)提高乘客乘坐舒适性。CFRP的阻尼是普通金属的10～100倍，其高阻尼特性可有效降低结构的振动，改善乘客的乘坐舒适性。表2为CFRP与金属材料的导热性能对比。由表2可以看出CFRP具有良好的隔热性能，其不但可以提高车体的隔热性能，还能减少车辆隔热材料的使用量。CFRP还具有热膨胀系数小、尺寸稳定性较好、抗磁、绝缘、隔音等多种优良性能，以上性能均能提高车辆舒适度。

表2 CFRP与金属材料的导热性能对比表

(3)提高车辆安全性。CFRP存在着不同的相与界面，这些不同的相与界面能够有效阻止和改变裂纹扩展方向；CFRP基体中拥有大量独立的纤维，每平方厘米的纤维少则几千根，多至上万根。从力学角度而言，CFRP属于典型的静不定体系。当构件超载并有少量纤维断裂时，载荷会迅速重新分配在未破坏的纤维上，这样在短期内不会导致整个构件丧失承载能力，因此CFRP具有较高的疲劳强度极限。金属材料的疲劳强度仅占拉伸强度的30%～50%；而复合材料，特别是纤维增强复合材料，其疲劳强度是拉伸强度的70%～80%，甚至更高。CFRP的树脂具有良好的耐腐蚀性能，与纤维结合后，具有良好的水密性、气密性及耐大气腐蚀性能，其使用寿命超过了不锈钢材料，保障了CFRP制件有较长的使用寿命。CFRP的比模量较高，因而具有较好的阻尼减振性能以及抗撞击能力，其碰撞吸能能力达到了钢的6～7倍、铝的3～4倍，进一步保证了结构的安全性。

(4)提高产品的可设计性。CFRP性能多样，其物理性能、化学性能、力学性能均可以通过合理选择原材料的种类、配比、加工方法、纤维含量和铺层方式进行设计。由于树脂基体材料种类很多，其选材设计的自由度很大，这是传统的各向同性材料(比如钢、铝)所不具备的。另外，CFRP可以实现一体化制造，其制品是由材料和结构同时完成，即通过合理的模具设计，把不同厚度的零件、凸起部分、筋和棱等全部一体成型。整体成型同时还能提高结构的完整性、气密性和保温性，以及提高车辆舒适度。

3 CFRP车体的应用现状

为了进一步降低车体重量，提高车体性能，采用CFRP替代原有的铝合金和钢车体材料已成为各主机厂尝试的方向。

20世纪90年代初，瑞士辛德勒车辆公司制造的以CFRP为主的整体式车体结构(见图1)，在运行试验中跑出了140 km/h的速度。该车体结构具有质量轻、舒适度好和安全性高等特点，但由于缠绕工艺复杂，难以实现量产。

图1 瑞士辛德勒车体

2000年，法国国营铁路公司(SNCF)采用CFRP研制出双层TGV型车体(见图2)，其相对铝合金车体减重约25%，并且通过线路运行验证了CFRP 在强度、冲击、防火、降噪、隔热等性能方面的优点和工业可行性。

图2 法国TGV型车体

2007年，韩国铁道科学研究院(KRRI)研制出运行速度为180 km/h的TTX型摆式列车车体(见图3)，其采用不锈钢增强骨架，侧墙和车顶采用铝蜂窝夹芯、CFRP蒙皮构成的三明治结构，车体总质量相对于不锈钢结构降低了28%，且车体强度、疲劳强度、防火安全性、动态特性等性能良好，并于2010年投入商业化运营。

图3 韩国TTX摆式车体

中车长春轨道客车股份有限公司(以下简称长客股份公司)研制的世界首辆全碳纤维复合材料地铁车辆车体(见图4)，采用CFRP夹芯结构，通过模块化设计、一体成型技术设计而成，最高运行速度为100 km/h，较同类B型铝合金地铁车体减重35%。该车体满足极限恶劣环境的使用要求，具有优良的力学性能、环保性能和防火性能。

图4 长客股份公司研制的地铁车辆车体

全碳纤维复合材料车体采用“静力覆盖疲劳”和“损伤无扩展”的设计理念，其设计和验证过程均参照航空工业复合材料制件研发流程，并采用试样、元件、细节件、组合件、全尺寸件等多层次的积木式设计验证过程设计而成。

车体的主体材料采用碳纤维预浸料和蜂窝芯材，局部结构芯材采用泡沫芯材。为获得材料力学性能，进行了不同铺层、不同温度、不同湿度和不同工艺的6 000多个样件的测试和十余项材料性能测试。测试结果表明，所选材料各项性能均满足地铁车体的使用要求。

全碳纤维复合材料车体为薄壁筒形整体承载结构，主要尺寸如下：车体基本长度为19 000 mm，车体宽度为2 800 mm，车体顶面距轨面高度为3 478 mm。

车体结合复合材料成型工艺的特点，按模块化设计思路，将传统金属车体的车顶和两侧侧墙进行整合，整个车体分为U形车身、底架(含牵枕缓、边梁和端梁)和端墙3个主要部件(见图5)，充分发挥了复合材料可设计性强、整体化程度高等优势。各大部件之间用抽钉或螺栓连接，并用密封胶密封。

图5 全碳纤维复合材料车体结构

考虑到生产效率和经济性，同时结合车体各部件的受力特点，车体主要选取低成本非热压罐成型工艺(OOA)，并且配合热压罐、拉挤和树脂导入等工艺制造而成。

经强度计算分析、典型件试验以及车体静强度试验，验证了复合材料车体承载结构的可靠性，其满足地铁车体各项性能指标要求。同时，车体各项性能得到较大提升：车体质量较同类地铁金属车体减少约35%；车体抗疲劳和耐腐蚀性能得到提升，且使用寿命不低于30 a；车体隔热性能优异，能承担车辆防寒材一半以上性能；车体隔声性能优异，达到车辆隔声要求的70%以上；车体振动的固有频率较同类金属车体提高18%以上；车体尺寸精度和外观质量优于传统金属车体。

4 对CFRP后续应用的思考

全碳纤维复合材料、大尺寸车体承载结构的成功研制，验证了复合材料在轨道交通承载结构上应用的可行性。但是，复合材料在轨道车辆的应用尚处于起步阶段，仍受成本、材料、设计、工艺等限制，尤其是成本问题，是制约其推广应用的强大壁垒。持续快速发展CFRP技术，推进轨道交通复合材料车体的应用须从以下几方面推进：

(1) 提高碳纤维生产能力和水平。目前，我国相关产业的发展离世界先进水平还有一定的差距，投入商用的CFRP大都来自国外。国内应加大相关产业的投资力度、更新技术水平、扩大生产能力，使相关产品质量尽快赶超世界先进水平。

(2) 深入开展CFRP基础性研究。轨道车辆对材料的力学性能、环保性能、防火性能、抗冲击性能、耐极端环境性能、耐老化性能、隔音隔热性能、减振阻尼性能、电磁兼容性、生命周期环境友好性以及安全可靠性等都有特殊要求，开展满足轨道车辆应用的材料性能研究，解决目前复合材料存在的防火、隔声隔热、抗冲击性能局限性，可大大提高复合材料的应用广度。

(3) 从简化结构、集成设计、材料等三方面入手，深入开展复合材料结构设计研究。简化结构不但能降低成本，还能提高生产效率、满足批量快速生产的需要。在结构设计中，加强集成设计的理念，充分发挥复合材料可设计性强、易于整体成型的特点，比如将底架与地板集成，将车顶与通风道集成，以及将侧墙与内装材料集成等。集成设计能从整车层面降低车体质量，同时提高车体刚度，是复合材料车体研究的一个重点方向。复合材料品种多、方向性强，在结构设计中应根据实际需要来选择材料，通过优化层板中各铺层的铺设角、层数比(层板中具有相同铺设角的铺层数占总层敷的比例)和铺叠顺序，设计出具有不同强度以及弯、扭刚度要求的层合板，增加了设计的自由度，提高了结构性价比。设计时还可以考虑多种材料混合使用，比如次承力结构采用碳纤/玻纤混杂设计，主承力结构如牵枕缓、边梁等采用碳纤维材料，做到结构和材料合理匹配，尽可能地降低原材料成本。

(4) 加强复合材料结构成型工艺的优化研究。目前，应用于轨道车辆承载结构的复合材料中，CFRP是比较受关注的一类材料，但其制造成本高、生产周期长，制约了该材料的推广应用。如果能将成型工艺和材料研究结合起来，在不降低产品性能的前提下，优化出更适合轨道车辆结构的低成本、高效率的成型工艺，在自动铺带、集成自动生产等方面实现更新换代，满足批量生产的需要，那么低成本、自动化的生产工艺必将推动复合材料在轨道交通行业的应用。

(5) 逐步建立适用于轨道交通行业的复合材料标准体系，包括设计标准、材料评价标准、计算验证标准、生产工艺标准、质量检测标准和运用维护标准等，使复合材料在轨道交通领域的应用有据可依、规范化、系统化，从而促进轨道交通行业的节能减排和绿色转型升级。

5 结语

CFRP在轨道交通车辆车体上的推广应用是复合材料行业的一大机遇和挑战，虽然目前受制造成本、成型工艺、生产效率等方面的制约，难以在短期内实现批量生产，但是全碳纤维复合材料地铁车辆车体的成功研制经验为后续轨道交通复合材料承载结构的研究奠定了基础。随着新材料、新技术日新月异的进步，相信在不久的将来，中国将迎来轨道交通车辆车体新材料应用的又一次变革。