浅析复合材料在高速动车组上的应用

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1、设计制造铁道车辆第５２卷第５期２０１４年５月文章编号：１００２－７６０２（２０１４）０５－００２０－０３浅析复合材料在高速动车组上的应用杨永勤１，孙加平１，张丽荣２，黄雪飞２，马纪军２（１．唐山轨道客车有限责任公司产品研发中心，河北唐山０６３０３５；２．唐山轨道客车有限责任公司研究中心，河北唐山０６３０３５）摘要：介绍了复合材料（玻璃纤维和碳纤维复合）裙板与铝合金材料裙板的结构、性能对比，对动车组采用复合材料新结构裙板和既有铝合金结构裙板进行了静强度、模态等性能分析，证明了复合材料裙板在高速动车组上应

2、用的适用性。关键词：复合材料；高速动车组；裙板；应用中图分类号：Ｕ２７０．４文献标志码：Ｂ随着高速动车组技术性能的不断提升，新型复合材料以其优异的性能在高速动车组上得到了开发应用，以满足高速动车组节能、环保和运行的安全性、可靠性。复合材料在航空航天、汽车等领域应用得比较广泛，如航空航天领域的制动盘、飞机内部装饰、机盖、机翼等部件，汽车领域的金属基刹车鼓、汽缸等部件，以及风电行业的叶片等。复合材料在轨道交通领域主要应用在车体受力部件上，如我国动车组车顶导流罩、内装墙板等采用的玻璃纤维环氧树脂复合材料，意

3、大利ＥＴＲ５００高速列车的车头前端部分采用的芳纶纤维增强环氧树脂ＦＲＰ，法国ＴＧＶ高速列车采用的碳纤维和玻璃纤维强化环氧树脂包覆发泡蜂窝材料芯，等等。德国开发的世界上第一个以高分子纤维材料和铝合金复合的转向架构架，也是近年来研究的热点。利用碳纤维和玻璃纤维树脂基复合材料的优异性能，可解决部件的强度与轻量化问题；通过材料配比及铺层设计与结构优化相结合，可满足产品轻量化、耐候性及降低检修维护成本等要求。动车组在高速运行过程中，由于空气阻力和动车组的振动影响，用于固定动车转向架处的裙板锁孔部位采用铝合金材料

4、时，易出现裂纹或锁销断裂问题。为避免出现安全隐患，应研制一种新型复合材料的裙板，使其具有优良的抗疲劳性能和较高的结构刚度，且耐磨抗冲击性好，以降低锁孔附近的应力水平，从而改善部件的性能。１复合材料裙板设计要求复合材料裙板由碳纤维与玻璃纤维复合而成。碳纤维具有很高的强度和模量（单向带强度为１５００收稿日期：２０１３－０９－１８作者简介：杨永勤（１９６５－），女，高级工程师。·２０·ＭＰａ，模量为１３０ＧＰａ），用于受力关键部位和刚度要求较高的部位；玻璃纤维具有较高的强度（单向带强度约为１２００ＭＰａ，

5、模量为３５ＧＰａ），价格低廉，用于外形以及受力较小和刚度要求不高的部位，是裙板结构的主体材料，既可满足性能要求又能降低成本。裙板材料规划的目标是：满足３５０～４５０ｋｍ／ｈ速度下安全运行，提高结构件的抗冲击性，降低重量、振动及应力，并使用一次性成型工艺，提高其整体性能。２裙板结构对比２．１原铝合金裙板结构按照实际尺寸情况建立的铝合金裙板三维整体结构模型如图１所示。图１原铝合金裙板整体结构模型２．２碳纤维和玻璃纤维复合材料裙板结构采用碳纤维和玻璃纤维复合材料结构建立的三维模型如图２所示。图２复合材料裙板

6、整体结构模型浅析复合材料在高速动车组上的应用杨永勤，孙加平，张丽荣，黄雪飞，马纪军３裙板材料属性碳纤维及玻璃纤维材料属性如表１所示，铝合金种，对有限元结构分别施加３种工况载荷，分析结构的强度。表３静载荷计算工况材料属性如表２所示。裙板长度为１６５０ｍｍ，宽度约２６０ｍｍ，不包括加工况形式纵向冲击加速度／ｇ横向冲击加速度／ｇ垂向冲击加速度／ｇ强刚度的区域，基本厚度约３ｍｍ。裙板锁孔直径３６ｍｍ，通过挂钩及直径３６ｍｍ处的锁与安装在车体边运行工况工况１３０１工况２３１１梁上的裙板支座相挂

7、并锁定。计算２种结构裙板质量，复合材料结构为３．７２ｋｇ，铝合金结构为５．５１ｋｇ，复合材料裙板较铝合金裙板减重３２．５％。表１碳纤维及玻璃纤维属性风压工况３裙板外表面受１０００Ｐａ风压１通过计算可得出３种工况下铝合金裙板结构与复合材料裙板结构的变形及应力云图。图４～７为工况１的变形及应力云图。碳纤维参数玻璃纤维织物单向带织物单向带纵向拉伸模量／ＧＰａ４７．４０１２０．００２６．７０５０．００横向拉伸模量／ＧＰａ４７．４０１０．００２６．７０５．００泊松比０．３２０．３００．３００．３０面内剪切模

8、量／ＧＰａ３８．２０５．００３５．４０５．００面外剪切模量／ＧＰａ３８．２０５．００３５．４０５．００密度／（ｇ·ｃｍ－３）１．７１．７２．０２．０表２铝合金属性参数铝合金弹性模量／ＧＰａ７０．００泊松比０．３５密度／（ｇ·ｃｍ－３）２．７４离散单元及网格的划分由于裙板的厚度相比其他２个方向比较薄，故采用壳单元进行有限元建模，单元使用４节点减缩积分壳单元Ｓ４Ｒ，如图３所示。图３计算模型网格划分５不同工况下计算分析结果参照ＥＮ１２６６３—２０００《铁道应用