碳纤维复合材料车体承载部件的设计

顾春雷

摘  要：随着国内轨道交通行业的快速发展，人们对于轨道车辆轻量化的要求逐渐提高，碳纤维复合材料成为了车体承载部件设计应用的下一个研究方向。本文就碳纤维复合材料在车体承载部件中的设计进行探讨。

关键词：碳纤维;复合材料;车体承载部件

轨道交通行业在其发展的过程中，对于材料的应用有很多特殊要求，不仅需要材料具备较高的安全性、耐腐蚀性、隔音性、环保性，还需要车体结构轻量化，其他的强度、刚度、防噪声、防火等方面的性能也要具备[1]。当前国内大部分的轨道交通车辆使用的材料主要是铝合金等，但是由于这些材料依然存在或多或少的优势和不足，所以探讨碳纤维复合材料的设计应用具有重要现实指导意义。

一、碳纤维复合材料车体承载部件的结构设计

在实际的应用过程中，主要采用碳纤维-芯层结构，能够有效的保证整体的车辆承载能力。碳纤维-芯层结构由两层碳纤维蒙皮中间加入泡沫或蜂窝夹芯组成，车顶的主结构由方向不一样的碳纤维预浸料和结构芯材构成，不同方向的碳纤维材料性能和芯材材料性能不一样，具体数据如表1所示[2]。

在实际的应用过程中，为了能够有效的避免纤维中断，必须要合理的利用纤维的方向性，以能够最大程度的利用碳纤维复合材料的方向性，进而保持结构中传递路径的连续性。充分的借助铺层层数和方向，将力进行合理的传递和分散。在结构设计的过程中，为了能够简化设计和应力计算，可以选取具有代表性的0°、+45°、-45°、135°、90°代表纤维的方向。本文假设0°是主承力方向，如图1所示。

在设计的过程中，还必须要充分考虑装配过程中出现的内应力，并采用对称铺层和平衡铺层两种交替方式，以此避免结构不对称造成的内应力，进而给整个车性能造成负面影响。

碳纤维复合材料的结构设计应遵循几个准则：其一是不同角度纤维所占的比例为0°，最大45°，其次90°;其二是在四个不同的方向上都必须要安装纤维，这样能够对抗受力变形;其三是限制同一个方向上的铺层数，这样能够有效的降低层间微裂纹的发生;其四是局部结构可以全部使用+45°的铺层[3]。

二、计算结果分析

本文对车体相关部件展开了有限元仿真计算，具体如表2所示。表中所比较数值为安全系数，安全系数为许用应力与计算应力的比值。

如上述表中可以得知，在不同工况背景下，除了压缩工况，碳纤维的车体安全系数都要高于金属车体。充分说明了碳纤维复合材料的各向异性，也就是说碳纤维复合材料在垂直方向上的受力较差，但是安全系数依然大于1。

三、质量评价

本文主要采取了三种评价方法：其一是接触式脉冲反射法。通过超声波在材料中传播时遇到不连续性所产生的反射回波和材料底面产生的回波检查缺陷并进行评定;其二是喷水式脉冲穿透法。主要是采用喷水耦合的方式，依据超声波穿透材料后的幅度变化来评定材料材质;其三是水浸式脉冲反射板法。主要是采用了水晶耦合水浸耦合的方法，超声波在穿透了材料之后，又从反射板反射的回波幅度变化检查缺陷评定材质[4]。具体的评定方法如图2所示。

圖2中阴影部分表示缺陷区域，y是横向最大投影宽度;x是垂直于y方向的缺陷投影长度，（x+y）=2z，分层缺陷分区等级如表3所示。

等级A为关键主承载部件，该部件并不允许缺陷的存在，因为这属于受力的关键部分，因此必须要合理利用铺层设计，正确操作相关设备步骤。等级B为重要主承载部件，在该部件中允许一定范围内的缺陷，但是工作人员必须要将此类缺陷记录存档，并及时检修维护，在后续的运营过程中重点关注，观察缺陷是否扩大。等级C为一般主承载部件，受力不大的区域允许存在一定的缺陷，工作人员在后续的操作过程中不需要特别关注。

结论：

（1）采用对称铺层和平衡铺层两种方法，有效的避免了内应力集中影响。

（2）除了压缩工况，其余不同工况下碳纤维车体的安全系数要大于金属车体，充分说明了碳纤维复合材料的各向异性。

（3）质量评价时根据受力情况的不同区分A/B/C不同等级的缺陷，在后续列车运营检修时密切关注这些缺陷看其是否发展扩大。

参考文献

[1] 唐波.碳纤维复合材料在轨道交通车辆上的应用[J].科技经济导刊，2021，29（11）：97-98.

[2] 魏阜伦，衣海娇.碳纤维复合材料在轨道车辆应用展望[J].现代城市轨道交通，2021（02）：90-93.

[3] 许鹏，许睿.高速动车组碳纤维材料车头连接结构及强度分析[J].大连交通大学学报，2020，41（04）：5-8.

[4] 张忆宁. 动车组碳纤维增强复合材料设备舱强度研究[D].北京交通大学，2020.