基于新型复合材料应用的德国轨道车辆车体结构轻量化设计

1 引言

目前，铁路是跨区域运输旅客和货物最经济、环保的手段之一。而实现轨道车辆结构的轻量化可在进一步减少CO2排放、降低其运营和生命周期成本方面发挥巨大的潜力。

自2019年1月起，一项名为“MoWag——轨道车辆模块化车体”的研发项目（以下简称“MoWag项目”）在德国开始推行。该项目由德国联邦经济与能源部（BMWI）资助，是德国“新型轨道交通车辆和系统技术专家计划”的组成部分，以双层旅客列车车体为设计对象，利用复合材料开发轨道车辆车体结构，旨在减小车体质量、达到节能增效的效果。其中，新型轻量化复合材料的应用是重点。

研究人员通过广泛的材料研究，遴选出了适用于轨道车辆结构的新型复合材料（如纤维增强复合材料（FRP）、泡沫铝夹芯板等），并对其特点进行分析，确定相关参数值；然后利用这些确定的参数值进行有限元分析（FEA）计算，以验证采用相应新材料的车体的结构强度，从而对其进行迭代优化；此外，还开发了相应的制造和连接工艺。有限元分析计算结果表明，使用上述新材料生产车体，可在不影响车辆安全性、乘坐舒适性和防火性的前提下，使车体质量相较目前减小5%～10%，对于实现车体减重目标具有相当大的潜力。

本文将对该项目的研究情况进行介绍。

2 车体结构设计

在MoWag项目中，车体设计人员采用新型复合材料及其组合，旨在实现从前使用传统材料无法实现的设计构想，并为充分发挥其潜力开发了新的施工工艺和连接技术；此外，还引入新的构造理念，以提高设计的灵活性、自由度、个性化程度及产品的可回收性。

2.1 新材料选择

MoWag项目开始之初，研究人员便对多种复合材料进行了轨道车辆适用性研究和验证，通过对标准化试样进行多次拉伸、弯曲及防火测试，获取相关参数，并最终确定以下2种新材料为主要应用对象。

（1）具有聚氨酯基体的FRP拉挤型材。其具有非常高的比刚度、良好的防火性能（这主要通过玻璃纤维和聚氨酯基体实现）及优异的功能集成性，可大幅减少组件的数量和组装工作。

（2）泡沫铝夹芯板。由于其采用金属芯结构，因此具有出色的防火性能、抗压比强度、声学性能及能量吸收能力；此外，还可通过更换其面层材料（铝、钢、FRP），得到所需的特性，如高比刚度和比强度、高抗侵入性、强隔热性、高可连接性、良好触感等。

2.2 车体设计

研究人员从测试条件及集成、模块化潜力等方面出发，选择双层旅客列车中部1360 mm长的一段（以2个相邻窗柱的中间部分为起终点）作为设计对象（图 1），旨在最大限度地减少由于边界条件或外力引入所导致的应力和形变特异性，从而有助于对有限元分析结果进行验证，以得出关于整个车身结构的结论。

在项目中，研究人员制定了2种不同的车体结构材料应用方案：第一种，采用带有纤维增强面层的泡沫铝夹芯板（Pepural®）、FRP拉挤型材，以及带有钢面层的泡沫铝夹芯板（SAS）；第二种，采用挤压铝型材，以及带有铝面层的泡沫铝夹芯板（AAS）（图2）。

针对上述不同的材料应用方案，研究人员选择了不同的连接工艺：熔化极惰性气体保护焊接（MIG）工艺用于连接泡沫铝夹芯板组件；搅拌摩擦焊接（FSW）工艺用于将泡沫铝夹芯板组件与挤压铝型材连接；纤维复合材料组件的连接则按照相关标准的规定采用粘接工艺。

通过模拟计算，研究人员得出结论，将上述2种材料应用方案结合起来能够在实现车体质量最小化的同时得到最佳的机械性能，即：

（1）车体侧壁采用数个AAS组件拼接的方式，其中各组件由挤压铝型材连接；

（2）中层地板采用Pepural®组件，其通过FRP拉挤型材将载荷传递至车体骨架。

2.3 有限元分析验证

设计完成后，需要利用有限元分析模拟来验证车体结构的强度。模拟试验是在德国弗劳恩霍夫模具和成型技术研究所（IWU）中使用ANSYS Workbench软件开展的。该软件对大量程序模块进行了功能集成，无需访问其他外部软件，即可生成几何形状，将其联网，定义载荷工况，以及评估模拟结果。

为获得有可比性的结果，研究人员将同尺寸的传统材料模型（以下简称“参考模型”）与MoWag设计模型进行有限元分析对比，并为其设置相同的载荷条件。MoWag设计模型由SOLID186网格单元（六面体）和SOLID187网格单元（四面体）构成，复合材料连接通过TARGE170单元和CONTA174单元模拟，泡沫铝和复合材料由替代材料模型表示。材料的弹性模量、屈服极限、抗压强度和抗拉强度等特征值是通过一系列试验预先确定的。泡沫铝采用各向同性材料模型；Pepural® 的面层由于纤维取向的原因，采用正交各向异性材料模型。

研究人员还在ANSYS Workbench中设计并优化了中层地板拉挤型材的层结构，为此其使用了附加程序ANSYS ACP和ANSYS optiSLang。ANSYS ACP能够在综合考虑层结构、纤维取向和所选基质的前提下，对纤维复合材料组件进行建模、设计和评估。ANSYS OptiSLang可在此基础上对所选参数（层厚度、方向、数量等）进行调整，以便通过适当的模拟对组件的相关参数进行优化。

研究人员对上述设计进行有限元分析，并在给定的载荷工况及质量下验证其强度，通过对整个车体强度进行迭代分析（图3），识别结构中的弱点，对其进行优化，并将结果反馈到设计中。由于在制造过程中，泡沫铝夹芯板组件会在几分钟内承受相当大的热应力，组件温度将接近铝合金的熔点，因此车体强度验证应遵循DVS 1608-2011《铁路车辆铝合金焊接结构的设计和强度评估》标准中关于AAS结构面层允许特性值的规定；对焊接接口的评估应根据DVS 1608-2011标准中关于接口类型的规定进行。

3 结果

为验证设计的新结构能否实现项目预定的目标，研究人员将参考模型和MoWag设计模型在允许应力下的质量（图4）、形变和载荷进行比较。

图4中的半模型质量分析结果表明，WoMag设计车体结构所采用的新材料（AAS、pepural®和FRP拉挤型材）组合显示出显著的减重潜力，相比参考模型，整个车体的质量可减小约22%。如果可以实现地板结构承载功能的一体化，即地板结构所承受的载荷可部分或全部转移到车体骨架上，则其比减重率将进一步提高。

此外，该项目开发的中层地板结构通过采用新型复合材料及其组合大幅减小了质量（图5）。传统的木地板被带有泡沫铝芯和玻璃纤维增强聚氨酯面层的夹芯板（即pepural®）所取代，地板支撑结构为采用拉挤成型工艺制成的玻璃纤维增强聚氨酯型材，这种在厚度和纤维结构方面经过有限元分析方法优化的型材可大量吸收弯曲载荷。

图6展示了研究人员在项目结束时创建的车体结构演示模型。车体外壳由AAS组件组成，这些组件使用挤压铝型材连接。演示模型中还展示了中层地板的2种不同设计，即AAS结构（左）及pepural®结构（右）。