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 卷 第 期 年 月文章编号 ：（）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（唐 山轨道客车有限责任公司 产品研发中心 ，河 北 唐山 ；唐 山轨道客车有限责任公司 研究中心 ，河 北 唐山 ）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 ：文献标志码 ：随着高速动车组技术性能的不断提升 ，新 型复合 材料

2、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 大利 高速列车的车头前端部分采用的芳纶纤维增 强环氧树脂 ，法 国 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

3、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 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。 复合材料裙板设计要求复合材料裙板

4、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 收稿日期 ：作者简介 ：杨 永勤（），女 ，高 级工程师。 ，模量为 ），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 ，模量为），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。 裙板结构对比 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 构模型如图所示。图

5、原铝合金裙板整体结构模型 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 模型如图所示。图 复合材料裙板整体结构模型 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 裙板材料属性碳纤维及玻璃纤维材料属性如表 所示，铝 合金种，对有限元结构分别施加 种工况载荷，分析结构的 强度。表 静载荷计算工况 材料属性如表所示。裙板长度为，宽度约，不包括加工况形式纵向冲击 加速 度横向冲击 加速 度垂向冲击 加速 度强刚度的区域，基本厚度约 。 裙板锁孔直径，通过挂钩及直径 处的锁与安装在车体边运行工况工况 工况 梁上的裙板 支 座 相 挂 并 锁

6、定。 计 算 种 结 构 裙 板 质 量，复合材料结构为，铝 合金结构为 ， 复合材料裙板较铝合金裙板减重 。表 碳纤维及玻璃纤维属性 风压工况 裙板外表面受 风 压通过计算可得出 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 为工况 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 量横向拉伸模 量泊松比面内剪切模 量面外剪切模 量密 度（）表 铝合金属性参数铝合金弹性模 量泊松比密 度（） 离散单元及网格的划分由于裙板的厚度相比其他 个方向比较薄，故 采 用壳单元进行有限元建模 ，单 元使用 节点减缩积分 壳单元 ，如图所示。图 计算模型网格划分 不同

7、工况下计算分析结果参照 铁道应用 轨道车身的结 构要求，结构 静载荷下的工况 条 件如表 所 示，共 图 工况 复合材料裙板结构变形云图 图 工况 复合材料裙板结构 应 力云图图 工况 铝合金裙板结构变形云图 经过计算分析可以得出 ，在各种工况条件下裙板 受力均很小，能满足强度要求，因此裙板的结构设计主 要是刚度设计。表为种工况下不同裙板结构的最 大变形、最大应力。 铁道车辆 第 卷 第 期 年 月图 工况 铝合金裙板结构 应 力云图 表 种工况下不同裙板结构的最大变形 、最 大应力图 铝合金裙板结构 阶振动模态 复合材料裙板结构设计试验验证复合材料裙板结构 参数工况 工况 工况铝合金裙板结构

8、 工况 工况 工况按照 的 要 求，需 通 过 试 验 验 证最大变 形 最大 应 力 模态分析高速动车组裙板通过吊钩悬挂在车体下部 ，在 车 辆运行过程中会受到由轨道不平顺产生的振动 ，因 此 需要一定的刚度来保证裙板具有较高的固有频率 ，防 止共振的发生。从模态振动的角度 ，对 种结构的整 体刚度性能通过计算仿真进行模态对比分析。在给定的位移边界条件下 ，分析 复合材料裙板结 构和铝合金裙板结构的前 阶频率及振动模态。 表 给出了计算得到的种结构的前 阶振动频率，图 、 图给出了复合材料裙板结构及铝合金裙板结构 阶 振动模态云图。阶数 复合材料裙板结构振动频率 铝合金裙板结构振动频率 表

9、裙板结构模态疲劳强度，即耐久极限法或累积损伤法 。 主要是通过 典型连接件的疲劳试验来比较铝合金裙板与复合材料 裙板的疲劳性能，对二者的疲劳寿命给出定性的评估 。铝合金模拟连 接 件 挤 压 破 坏 载 荷 为 ，挤 压强度为 ，疲劳载荷为（为破 坏载 荷的）。个试样试验得 到的疲劳寿命为 次。复合材 料模拟连接件的挤压破坏载荷为 ，挤压强度为 ，毛截面强度 为 。 虽然铝合金结构与复合材料结构的裙板厚度不同 ，但 在实际结构中锁孔部位承受几乎相同的疲劳载荷 ，为 比较 二 者 的 疲 劳 寿 命，施 加 了 相 同 的 疲 劳 载 荷 和载荷比 。 考虑到时间和经费的问题 ，疲劳试验达到万

10、次后停止。 共进行了 个试样的疲 劳试验，所有试样均 达到了要求，经 受 万次疲劳载 荷后试样均完好无损 ，锁 孔未见永久变形。 试验过程 如图所示。 图 复合材料裙板结构 阶振动模态图 试验过程（下转第页）车体综合性能试验台优化设计及核心部件有限元分析 邢晓东 ，王 勇 ，李 冠一载条件如下：横梁的两端通过铰链接与拉筋相连 ，在计算时可以等同于固定支撑。 加载载荷按最大值的 倍计算，施加在下 端每个油缸连接支座的载荷 ，如图所示。图 垂向加载装置约束与载荷 经有限元分析计算，最大应力为 ，集中 于与拉筋连接处，属于计算时的应力集中 ，在实际应用 中，此处 强度满足工作要 求，其 余 部 分

11、应 力 均 ，最大变形量为 ，满足设计要求。 事故载荷加载装置事故载荷加载装置主体承载结构为两侧立柱 ，根 据 铁道客车 车 体静强度试验方 法，其中对加载设备强度影响最大的工况为在车体上侧施加压缩载荷 。 计 算 时 取 倍 的 安 全 系 数，则活动横梁两端所受的载荷 （图）。图 事故载荷加载装置约束与载荷 经有限元分析计算，立 柱所受最大应力为 ，小 于 材 料 许 用 应 力 ，最 大 变 形 量 为 ，表明其强度及刚度满足试验要求。 车体参数测量试验模块车体参数测量试验模块关键受力部件为两侧立柱 及横梁组成的龙门架 ，加载载荷 （图）。图 龙门架约束与载荷 经计算，车体参 数测量试验

12、模块龙门架所受最大 应力为 ，小于 材料许用应力，强 度符合要求。 龙门架加载后最大变形量为 ，该 变形量对试 验台功能影响较小 ，刚度符合设计和试验要求 。 结束语本文对车体综合性能试验台的关键部件进行了优 化设计，提高了试验台的试验精度及效率 ；通过对车体 静强度试验模块中的车钩加载装置 、垂向加载装置、事 故载荷加载装置及车体参数测量试验模块进行有限元 分析计算，保证了试验台机械结构的强度与刚度 。 实 际应用效果表明，该试验台具有运行可靠性高 、自动化 程度高等特点，对于车辆制造企业加快缩短研发周期 、 降低研发成本具有一定的帮助。参考文献： 王毅 车 体静强度试验通用工装屈曲 分 析

13、 与 改 进 内 燃 机 车，（）： 王福天 车 辆动力学北 京 ：中国铁道出版社 ，： 陈建政 车体动力学参数 测定方法试验研究 西南交通大学学 报 ，（）：（编辑：田玉坤）檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨（上接第页）通过以上分析可知，在 运行工况下，使 用玻璃纤维 和碳纤维制成的复合材料结构的裙板比铝合金材料的 裙板质量轻，复合 材料裙板的刚度略小于铝合金裙板， 但变形量相当小，仍能满足 中的“刚度 限值确保车体保持在要求的空间包络面内”要 求，充 分 证明了采用新型材料的裙板在高速动车组上的适用性。参考文献： 孙春方

14、，薛 元德 ，李 文晓 复 合材料在 现 代 轨道车 辆制造中 的 应用城市轨道交通研究 ，（）： 肖加余 ，刘 钧 ，等 复 合材料在高速列车上 的应用现状与趋势 机车电传动 ，（）： 邱桂杰 ，高 国 强 ，陈 淳 高速列车用复合材 料 国内 外现 状与 趋势 年南京复合材料技术发展研讨会论文 罗晰昱 ，罗 益锋 国外高性能纤维及其复合材 料在高速列车的应 用高科技纤维与应用 ，（）： 张凯函 浅 议 新 材 料 在 铁 道 车 辆 上 的 应 用 中 国 高 新 技 术 企 业 ，（）： 单勇 ，谭 艳 复 合材料在轨道交通领域 的 应 用 电 力 机 车 与 城 轨车辆 ，（）： 北京

15、航空航天大学 裙板结构计算分析报告（编辑：田玉坤） ，（， ， ，）： ， ， ， ：； ，（， ，）： ， ， ： ； ，（， ，）： ， ， ， ， ：； ； ，（， ， ， ， ）： ， ， ， ， ， ， ， ， ， ：； ； ，（， ，）： ， ：； ； ，（， ， ， ，）： ， ：； ； ，（， ，）： （） ， ： ； ； ，（， ， ，）：， ：； ； ，（， ， ， ）： ， ， ， ：； ； ，（， ， ，）： ， ，：； ； ，（， ， ， ， ，）： ：； ，（， ， ， ，）： ， ： ； ； ，（， ，）： ， ， ， ：； ； ，（， ， ，）： ， ，：；櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄殮櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄殮櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄殮下期要目兰新线动车组线路适应性技术研究 高速列车车下设备动力吸振器的设计计算 地铁车辆变流柜机箱有限元分析 特种装备铁路运输方案研究高速动车组模块化侧墙板安装结构在碳钢车上的应用 型动车组充电机控制电源板的改进 型滑动顶专用棚车的研制 出口委内瑞拉平车的研制