纖維增強復合材料地鐵司機室外罩仿真分析

湯海武，田清文，石姍姍，陳秉智

(1.青海民族大學 土木與交通工程學院，青海 西寧 810007；2.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；3.大連交通大學 機車車輛工程學院，遼寧 大連 116028)*

車體結(jié)構(gòu)的輕量化是現(xiàn)代車輛設(shè)計的重要目標之一，車體輕量化可以降低車輛沖擊、減少牽引功耗、提高列車運行速度和動力學性能，并大幅增加列車和線路的使用壽命.在車體結(jié)構(gòu)上應(yīng)用復合材料，已成為現(xiàn)代軌道車輛制造發(fā)展的趨勢.纖維增強復合材料以其輕質(zhì)、比強度高、比模量高、耐腐蝕、抗疲勞性能好等諸多優(yōu)異特點，成為軌道交通車輛實現(xiàn)車體輕量化的理想材料[1-4].復合材料在車體應(yīng)用上，韓國TTX列車的側(cè)墻、端墻和頂棚采用了碳纖維-鋁蜂窩夾芯材料[2].瑞士Schindle車體采用FRP整體纏繞制造技術(shù)制造出承載結(jié)構(gòu)的車體，可減輕車體20%～25%的重量.復合材料在轉(zhuǎn)向架應(yīng)用方面，德國研制的HLD型轉(zhuǎn)向架、日本川崎重工研制的efWING轉(zhuǎn)向架在運行過程中均達到了減輕質(zhì)量和改善性能的作用[1].司機室外罩采用輕量化設(shè)計，選用強度更高、重量更輕的碳纖維或者碳纖維-鋁蜂窩復合材料是列車輕量化設(shè)計的有效途徑，也是未來軌道交通行業(yè)的重要發(fā)展趨勢.

國外學者Belingardi G等對高速列車使用的夾芯結(jié)構(gòu)材料進行了靜態(tài)和準靜態(tài)試驗研究[5].國外學者Zinno A等對列車應(yīng)用的夾芯復合材料進行了力學特性的研究，提出了一種用失效模式圖的方式預測失效載荷和失效模式，并進行了仿真驗證[6].在地鐵列車復合材料司機室領(lǐng)域，國內(nèi)學者對其仿真分析尚研究較少，在評判標準上主要借鑒航空領(lǐng)域的經(jīng)驗.馮學斌等基于最大應(yīng)變準則，判斷司機室外罩層合板是否失效[7].王明猛等綜合使用許用應(yīng)力和許用應(yīng)變，分析司機室外罩的碳纖維層和芳綸蒙皮層是否失效[8].Feifei Wang采用提取正軸向應(yīng)力的方法分析了在沖擊載荷、動、靜載荷以及端部壓縮載荷下外罩的力學性能[9].目前，鮮有對復合材料司機室外罩層合板結(jié)構(gòu)的失效因子進行計算的研究.

基于此，本文使用Hypermesh軟件，對某型地鐵車輛外罩進行有限元建模.分別建立了玻璃鋼復合材料、碳纖維復合材料、碳纖維-鋁蜂窩夾芯復合材料司機室的有限元模型，并對三種結(jié)構(gòu)的重量、失效因子和初始破壞載荷進行了分析.以期為地鐵司機室的安全性分析與輕量化設(shè)計提供參考.

1 層合板理論與有限元模型建立

1.1 層合板經(jīng)典理論與失效理論

玻璃鋼、碳纖維以及碳纖維-鋁蜂窩復合材料均屬于層合板結(jié)構(gòu)，總層數(shù)為k，層厚度為z，層合板結(jié)構(gòu)均關(guān)于中面對稱，建模示意圖如圖1所示.碳纖維鋪層的每一層應(yīng)力分量代入式(1)中，可以得到式(2)中層合板內(nèi)力、內(nèi)力矩與應(yīng)變的矩陣形式.

(1)

層合板的內(nèi)力、內(nèi)力矩與應(yīng)變的關(guān)系為：

(2)

其中，[N]、[M]表示單位長度的力和力矩，示意圖如圖2所示.Mx和My為層合板中面彎曲撓曲率，Mxy為層合板中面扭曲率[10].

在外載荷作用下，隨著外載荷的增加，層合板的某一層首先發(fā)生破壞(失效)，這時對應(yīng)的外載荷稱為初始破壞載荷[10].從復合材料的穩(wěn)定性和安全性角度考慮，應(yīng)該對層合板結(jié)構(gòu)使用經(jīng)典層合板理論的失效因子進行計算，從而判斷層合板結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的可能性.Tsai-Wu強度失效準則耦合性地考慮了外力作用及材料本身固有屬性對材料破壞的判定，可正確預測不同應(yīng)力狀態(tài)下復合材料的破壞.Tsai-Wu強度失效準則的一般形式為：

(3)

1.2 約束和加載計算

按照APTA PR-CS-S-034-99《客運軌道車輛的設(shè)計和制造標準》中的規(guī)定，并考慮司機室開行過程中的風壓與氣動載荷，在司機室外罩有限元分析模型中，共設(shè)計了7種載荷情況，各個工況加載的各個載荷參數(shù)如表1所示.

表1 各工況載荷參數(shù)

由于司機室外罩是地鐵車輛的安裝結(jié)構(gòu)，司機室外罩與車體鋼骨架之間采用膠粘加C型槽連接.因此在復合材料司機室與車體鋼骨架C型槽的膠粘位置處施加X、Y、Z三向固定約束.約束加載的位置如圖3中的淺灰色位置所示.

2 三種復合材料司機室鋪層設(shè)計

2.1 玻璃鋼司機室鋪層設(shè)計

玻璃鋼復合材料是由單層各向異性材料組成，通過樹脂粘接工藝制造成型.玻璃鋼由短切氈、無堿方格布、編織布、斜紋布四種材料鋪設(shè)而成.四種材料的基本參數(shù),如表2所示.

表2 玻璃鋼復合材料參數(shù)

玻璃鋼的單層材料無精確實驗數(shù)據(jù)，各層的參數(shù)均按照G12=4 000 MPa，G1Z=G2Z=2500MPa，Xt=300 MPa，Xc=260 MPa，Yt=300MPa，Yc=260 MPa進行賦予.玻璃鋼司機室外罩總厚度為8 mm，按照[90/0]的順序把四種材料依次關(guān)于中面對稱正交鋪設(shè)，每層材料鋪層厚度為1 mm，鋪設(shè)完畢以后，材料密度為ρ=2 g/cm3，外罩總質(zhì)量為270.2 kg.

2.2 碳纖維司機室鋪層設(shè)計

碳纖維司機室材料使用比強度和比模量均比較高的T300纖維布與LY5288環(huán)氧樹脂制成的層合板.單層T300-LY5288材料的力學性能參數(shù)E1=135 000 MPa，E2=10 000 MPa，Nu=0.33，G12=7000MPa，G1Z=G2Z=5 000 MPa，Xt=1 421 MPa，Xc=1 250 MPa，Yt=34 MPa，Yc=190 MPa，S=90MPa，ρ=1.78 g/cm3.本次設(shè)計中，整個碳纖維司機室外罩采用正交鋪設(shè)，鋪層順序[90/0]20T，每層碳纖維布的厚度為0.2 mm，司機室外罩部分共計鋪設(shè)40層碳纖維布.

2.3 碳纖維-鋁蜂窩司機室鋪層設(shè)計

本次設(shè)計碳纖維-鋁蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的司機室外罩由碳纖維—鋁蜂窩層合板制成.鋁蜂窩材料E1=10 MPa，E2=0.3 MPa，密度材料0.031g/cm3.為簡化設(shè)計并滿足層合板結(jié)構(gòu)受力均衡的要求，鋪設(shè)時碳纖維鋪層上、下面板總厚度各為2mm，每層碳纖維布厚度為0.2 mm，上下面板各鋪設(shè)10層，并且鋪設(shè)角度關(guān)于鋁蜂窩芯材對稱，上下面板碳纖維層按照[90/0/90/0/90/0/90/0/90/0/C4]S正交鋪設(shè)，鋁蜂窩芯材厚度為4 mm.

3 計算結(jié)果分析

3.1 司機室重量對比分析

通過Hypermesh的重量計算功能，對玻璃鋼司機室、碳纖維司機室和碳纖維-鋁蜂窩司機室的有限元模型的重量進行了提取，分別為270.2、240和151.9 kg，相比于玻璃鋼司機室，碳纖維司機室與碳纖維-鋁蜂窩司機室重量分別下降了11.18%和43.8%.使用夾芯結(jié)構(gòu)可以明顯降低司機室的重量.

3.2 位移對比分析

把三種材料的司機室的位移結(jié)果提取后，如表3所示，將7個工況下的各司機室的位移值進行分析對比.結(jié)果表明，除去工況6外的其他工況下，本文設(shè)計的碳纖維材料司機室與碳纖維-鋁蜂窩司機室的位移結(jié)果均低于原玻璃鋼司機室，位移結(jié)果比較理想.

表3 位移對比表 mm

3.3 失效因子對比

將七種不同工況下的玻璃鋼司機室、碳纖維司機室、碳纖維-鋁蜂窩司機室的失效因子進行了計算.失效因子的計算結(jié)果如圖4所示.

本文設(shè)計的碳纖維材料和碳纖維-鋁蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)司機室的失效因子均低于玻璃鋼司機室，在設(shè)計的七種工況下均不發(fā)生破壞，力學性能滿足要求.碳纖維司機室與玻璃鋼司機室相比在第五工況的失效因子計算中降低的程度高達45.67%.碳纖維-鋁蜂窩司機室與玻璃鋼司機室相比，在第四工況的失效因子計算中降低的程度高達46.88%.七種工況下碳纖維、碳纖維-鋁蜂窩司機室比玻璃鋼司機室失效因子降低百分比如圖5所示.

從圖4可以看出工況7施加表面壓力載荷的失效因子最高，說明表面壓力載荷對司機室結(jié)構(gòu)的失效影響更大.分別提取玻璃鋼和碳纖維司機室工況七的最大失效因子云圖，如圖6～圖8所示，可以看出最大失效因子出現(xiàn)的位置均位于前風擋玻璃的側(cè)邊梁處.玻璃鋼司機室的失效層數(shù)位于第8層，碳纖維司機室的失效層數(shù)位于第40層，碳纖維司機室的失效層數(shù)位于第21層.三種材料司機室初始破壞層均是迎風面的最外層.

3.4 初始破壞載荷對比

在使用Tasi-Wu準則計算層合板的失效時，當失效因子等于1判定為層合板發(fā)生初始破壞.采用對司機室外罩迎風面進行表面壓力進行試加載的方法，直至失效因子等于1，此時施加的表面壓力就是材料的初始破壞載荷.當玻璃鋼、碳纖維、碳纖維-鋁蜂窩司機室表面均布壓力載荷為8.31、14.5、10.5 kPa時，材料發(fā)生初始破壞.碳纖維司機室、碳纖維-鋁蜂窩司機室與玻璃鋼司機室相比，在重量上降低的同時，在初始破壞載荷分別提升了74.49%、26.35%.

3.5 初始破壞載荷-重量比對比分析

玻璃鋼、碳纖維、碳纖維-鋁蜂窩司機室初始破壞載荷-重量比分別為30.755、60.42、65.22kPa/t.三種司機室力學性能對比如圖9所示.碳纖維司機室、碳纖維-鋁蜂窩司機室與玻璃鋼司機室對比發(fā)現(xiàn)，初始破壞載荷-重量比分別提升了96.45%，112.06%.

4 結(jié)論

本文研究了碳纖維增強復合材料與碳纖維-鋁蜂窩夾芯材料在地鐵司機室結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用.通過分析7種載荷工況下司機室結(jié)構(gòu)的變形與失效因子，發(fā)現(xiàn)兩種材料均可以有效降低司機室結(jié)構(gòu)重量和位移，同時顯著提高結(jié)構(gòu)的初始破壞載荷，保證結(jié)構(gòu)安全性.其中，碳纖維司機室比玻璃鋼司機室重量減少11.18%，破壞載荷提升74.49%；碳纖維-鋁蜂窩夾芯材料司機室比玻璃鋼司機室重量減少43.7%，破壞載荷提升26.35%.

綜上所述，使用碳纖維增強復合材料與碳纖維-鋁蜂窩夾芯材料均有助于實現(xiàn)車體司機室的輕質(zhì)高強設(shè)計.