碳纤维复合材料车体的应用现状

  为了进一步降低车体重量、提高车体性能,采用碳纤维复合材料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碳纤维复合材料为主的整体式车体结构,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。

  2000年法国国营铁路公司(SNCF)采用碳纤维复合材料研制出双层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碳纤维复合材料在强度.冲击、防火、降噪、隔热等性能方面的优点和工业可行性。

  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型摆式列车车体其采用不锈钢增强骨架侧墙和车顶采用铝蜂窝夹芯、碳纤维复合材料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。

  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采用碳纤维复合材料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100km/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。

  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6000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19000mm,车体宽度为2800mm,车体顶面距轨面高度为3478 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,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。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(00A)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年;车体隔热性能优异能承担车辆防寒材一半以性能;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。