碳纖維復(fù)合材料在軌道交通車輛空調(diào)機(jī)殼體上的應(yīng)用

王勝光 張永利 畢孝法 張歷詩

(1. 中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司,266111,青島； 2. 山東朗進(jìn)科技股份有限公司,271100,濟(jì)南//第一作者,工程師)

近年來，軌道交通飛速發(fā)展，低碳環(huán)保的要求也日益嚴(yán)格，車輛減重已成為趨勢。碳纖維材料以其質(zhì)量輕、比強(qiáng)度大、耐高溫、耐沖擊、耐腐蝕的優(yōu)質(zhì)特性被廣泛關(guān)注。

目前,軌道交通車輛中的車頭罩、墻板、頂板、間壁、轉(zhuǎn)向架等車體結(jié)構(gòu)件,以及座椅骨架、駕駛臺等內(nèi)飾部件,都可使用輕量化的碳纖維復(fù)合材料，在實(shí)現(xiàn)車體大幅度減重的同時(shí)，減少了能源消耗，提升了效率。經(jīng)文獻(xiàn)檢索及調(diào)研得知，國內(nèi)尚無碳纖維復(fù)合材料用于軌道交通車輛空調(diào)機(jī)殼體的先例，行業(yè)內(nèi)也沒有系統(tǒng)地開展超輕復(fù)合材料對比性能分析工作。因此,將超輕復(fù)合碳纖維材料應(yīng)用于軌道交通車輛空調(diào)機(jī)殼體的研究在國內(nèi)具有首創(chuàng)性。

1 軌道交通車輛空調(diào)機(jī)殼體特點(diǎn)

1.1 軌道交通車輛空調(diào)機(jī)殼體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

軌道交通車輛空調(diào)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式一般為一體式，具有外形尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用壽命長等特點(diǎn)。通常要求車輛空調(diào)機(jī)殼體壽命為30年。目前，軌道交通車輛空調(diào)機(jī)殼體一般采用1～2 mm厚度的不銹鋼板或2～3 mm厚度的鋁合金板，通過鈑金加工的方式進(jìn)行零件成型，再用焊接、鉚接等連接方式將鈑金加工零件拼裝成空調(diào)機(jī)殼體。

1.2 軌道交通車輛碳纖維復(fù)合材料空調(diào)機(jī)殼體的優(yōu)點(diǎn)

采用碳纖維復(fù)合材料制作的軌道交通車輛空調(diào)機(jī)殼體的優(yōu)點(diǎn)可概括為：

(1) 輕質(zhì)高強(qiáng)。碳纖維復(fù)合材料的相對密度僅是鋼的1/4～1/5，而強(qiáng)度并不?。槐葟?qiáng)度為鋁合金的2倍，是鋼的4倍，符合軌道交通輕量化的要求。

(2) 可設(shè)計(jì)性好，為軌道交通空調(diào)機(jī)殼體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了廣闊的自由度。

(3) 耐酸、堿和腐蝕，使用壽命超過不銹鋼和鋁合金材料。

(4) 抗磁及絕緣性能優(yōu)于不銹鋼和鋁合金材料。

2 碳纖維復(fù)合材料的特性及應(yīng)用研究思路

2.1 碳纖維復(fù)合材料的特性

碳纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)類似人造石墨(碳原子層狀排列)，是亂層石墨結(jié)構(gòu)，力學(xué)性能優(yōu)異。其相對密度不到鋼的1/4。碳纖維復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度一般在3.5 GPa以上，是鋼的7～9倍;抗拉彈性模量為230～430 GPa，亦高于鋼。碳纖維材料與不銹鋼、鋁合金材料的物理性能對比如表1所示。

根據(jù)不同的加工工藝，單一碳纖維可以制作不同規(guī)格的碳纖維材料。由于纖維制品品種多，可對其進(jìn)行有選擇性的剪裁與構(gòu)型，故纖維制品具有較強(qiáng)的適用性。碳纖維是各向異性體，其單層沿軸向具有很高的強(qiáng)度和剛度，根據(jù)載荷和功能設(shè)計(jì)的交叉鋪層合板的性能可超金屬，完全適合制作軌道交通車輛空調(diào)機(jī)殼體。

2.2 應(yīng)用研究思路

建立碳纖維復(fù)合材料空調(diào)機(jī)殼體有限元分析模型，進(jìn)行數(shù)值仿真模擬。將試制的車輛碳纖維復(fù)合材料空調(diào)機(jī)殼體樣件組裝成變頻車輛空調(diào)，并進(jìn)行碳纖維復(fù)合材料變頻車輛空調(diào)機(jī)殼體性能測試。

采用CAD/CAE(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助教學(xué))等技術(shù)設(shè)計(jì)出空調(diào)機(jī)組，分析空調(diào)機(jī)組振動模態(tài)、疲勞性能、振動沖擊性能等;研究碳纖維殼體的鋪絲方式及其力學(xué)性能，并采用先進(jìn)碳纖維制造工藝和空調(diào)機(jī)組裝配工藝，制造出符合軌道交通車輛要求的空調(diào)機(jī)組。

3 空調(diào)機(jī)殼體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建模及仿真分析

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建模

采用solidworks軟件進(jìn)行碳纖維復(fù)合材料軌道交通車輛空調(diào)機(jī)殼體的設(shè)計(jì)建模?？照{(diào)殼體由蒸發(fā)腔、冷凝腔、新風(fēng)腔組成，采用中隔板密封隔離?？照{(diào)機(jī)組的制冷回路由壓縮機(jī)、冷凝器、電子膨脹閥、蒸發(fā)器、四通閥、視液鏡、通風(fēng)機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)等組成，內(nèi)置獨(dú)立的控制部分，均勻分布于空調(diào)殼體內(nèi)部?？照{(diào)三維結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。

圖1 車輛空調(diào)機(jī)碳纖維復(fù)合材料殼體三維結(jié)構(gòu)布局

3.2 結(jié)構(gòu)仿真分析

采用大型商用有限元處理器 HYPERMESH進(jìn)行幾何清理和網(wǎng)格劃分。采用RADIOSS求解器進(jìn)行求解。采用HYPERVIEW進(jìn)行后處理和數(shù)據(jù)分析。通過結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析對結(jié)構(gòu)的靜態(tài)強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評估，以驗(yàn)證空調(diào)機(jī)殼體結(jié)構(gòu)是否符合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的相關(guān)要求。碳纖維復(fù)合材料軌道交通車輛空調(diào)機(jī)殼體模型及仿真結(jié)果如圖2～8所示。結(jié)構(gòu)靜態(tài)工況(S01～S07)下的強(qiáng)度計(jì)算見表2。

由表2可以看出，客室空調(diào)殼體的最大位移、Mises應(yīng)力，以及碳纖維復(fù)合材料的最大拉應(yīng)變、最小壓應(yīng)變、最大剪切應(yīng)變及安全系數(shù)等均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 碳纖維復(fù)合材料車輛空調(diào)機(jī)殼體仿真分析模型

圖3 碳纖維復(fù)合材料車輛空調(diào)機(jī)殼體靜態(tài)分析結(jié)果

圖4 碳纖維復(fù)合材料車輛空調(diào)機(jī)殼體Mises應(yīng)力分布云圖

圖5 碳纖維復(fù)合材料車輛空調(diào)機(jī)殼體第一主應(yīng)變分布云圖

圖7 碳纖維復(fù)合材料車輛空調(diào)機(jī)殼體最大剪應(yīng)變分布云圖

圖8 碳纖維復(fù)合材料車輛空調(diào)機(jī)殼體安全系數(shù)分布云圖

表2 碳纖維復(fù)合材料車輛空調(diào)機(jī)殼體靜態(tài)分析工況下強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)IEC 61373-2010《鐵路應(yīng)用 車輛設(shè)備 沖擊和振動試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)中1類A級的規(guī)定，對采用碳纖維復(fù)合材料殼體的軌道交通車輛空調(diào)機(jī)組樣機(jī)進(jìn)行了振動沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)順序依次為正弦掃頻試驗(yàn)、模擬長壽命試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)和功能性隨機(jī)振動試驗(yàn)。其中，模擬長壽命試驗(yàn)和功能試驗(yàn)為隨機(jī)振動試驗(yàn)。

振動試驗(yàn)結(jié)果全部合格，證明采用碳纖維復(fù)合材料殼體的軌道交通車輛空調(diào)機(jī)組滿足應(yīng)用環(huán)境要求和壽命要求等。 圖9所示為振動試驗(yàn)現(xiàn)場照片。

圖9 振動試驗(yàn)現(xiàn)場照片

5 結(jié)語

用碳纖維復(fù)合材料制造軌道交通車輛空調(diào)機(jī)組殼體可顯著降低空調(diào)機(jī)組的自重。本文通過三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、有限元設(shè)計(jì)分析、振動試驗(yàn)驗(yàn)證等方法，證明碳纖維復(fù)合材料殼體能夠滿足軌道交通車輛空調(diào)應(yīng)用要求。

采用碳纖維復(fù)合材料制造的軌道交通車輛空調(diào)機(jī)組殼體在滿足車輛運(yùn)用環(huán)境要求的前提下，可使軌道車輛空調(diào)顯著減重。其與同類型不銹鋼材料殼體相比，質(zhì)量可減輕約65%；與同類型鋁合金材料殼體相比，質(zhì)量可減輕約30%。

綜上，采用碳纖維復(fù)合材料的空調(diào)殼體可以替代傳統(tǒng)金屬材料的軌道交通車輛空調(diào)殼體，滿足軌道交通車輛整車減重、節(jié)能的目的，適應(yīng)軌道交通車輛空調(diào)技術(shù)向節(jié)約型和輕量化方向轉(zhuǎn)變的需求，符合軌道交通行業(yè)發(fā)展趨勢和國家節(jié)能減排的政策導(dǎo)向，具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。