溫濕度致編織碳纖維復合材料車體結(jié)構性能劣化及機理研究

金煒，張穎川，陽光武，陳勁松，王明猛，李戈輝

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司機車車輛研究所，北京，100081；2.北京縱橫機電科技有限公司，北京 100094；3.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，四川成都，610031)

近年來，碳纖維復合材料(carbon fiber reinforced plastic,CFRP)因其優(yōu)異的力學性能、可設計性和輕量化效果，被越來越多地應用于軌道交通領域[1-3]。我國軌道交通系統(tǒng)貫穿南北，橫跨東西，覆蓋我國主要氣候帶，車體材料在服役過程中會受到不同氣候環(huán)境例如低溫、高溫和濕態(tài)的影響，因此，在復合材料車體設計時應充分考慮環(huán)境因素的影響，使其更好地適應高鐵全天候運營的機制。馮振宇等[4-5]采用掃描電鏡對不同環(huán)境下CFRP單向板拉伸試驗的斷口微觀形貌進行了分析，發(fā)現(xiàn)干燥環(huán)境能在一定程度上增強環(huán)氧樹脂對纖維的保護作用，而在高溫高濕下，界面熱應力與濕應力增加[6-7]，基體遭到破壞，單向板拉伸強度下降。譚偉等[8-10]發(fā)現(xiàn)長時間的高溫環(huán)境會使CFRP內(nèi)樹脂發(fā)生老化，同時，樹脂與纖維絲的界面結(jié)合力顯著下降。于倩倩等[11]發(fā)現(xiàn)熱老化對CFRP 具有增強和破壞2 種相互競爭的作用關系，在140 ℃時，拉伸和壓縮力學性能對熱老化不敏感，但彎曲力學性能對熱老化敏感。既有研究表明，CFRP 裝備對服役環(huán)境較為敏感，對CFRP 復合材料層合板而言，環(huán)境變化會明顯影響其基體的強度；對夾層(膠接或者混合連接)結(jié)構而言，環(huán)境變化可能會降低膠層的剪切和剝離強度[12]；對碳纖維復材和金屬件連接的部位而言，環(huán)境變化還會導致電化學腐蝕[4]。然而，目前該方面仍缺乏系統(tǒng)研究，還沒有形成一套可以有效考慮環(huán)境因素影響的CFRP軌道交通裝備設計規(guī)范，缺少適用于我國高速列車車體的CFRP 環(huán)境疊加的評估體系。因此，結(jié)合我國服役環(huán)境和高速列車自身特點，開展軌道交通常用的編織CFRP在環(huán)境疊加下的力學性能試驗和結(jié)構設計研究，對CFRP復合材料裝備的設計和安全應用具有重要意義[13]。本文作者對工程常用的編織CFRP層合板開展不同溫濕度環(huán)境下的拉伸、壓縮和剪切力學性能試驗，通過應力-應變試驗曲線分析，揭示材料性能劣化成因。考慮濕熱和低溫環(huán)境對CFRP 力學性能的影響，采用環(huán)境疊加的驗證方法，計算不同環(huán)境因素下某型號高速磁浮碳纖維車體的靜強度和剛度，對比分析其影響機制，為CFRP在高速列車領域的應用與校核提供參考。

1 編織碳纖維復合材料力學性能試驗

1.1 試驗條件和試樣制備

試件制備采用編織型預浸料和模壓成型工藝[14]，組分為HF10 型纖維絲(纖維絲束3K)和EM119 型阻燃環(huán)氧樹脂。采用中溫固化工藝制備成單層厚度為0.2 mm 的試件。用于拉伸、壓縮和剪切測試的層合板鋪層方案及試件尺寸依據(jù)GB/T 3354—2014，GB/T 3856—2005和GB/T 3355—2014進行，如圖1 所示。圖1 中：L為試件長度；W為試件寬度；L0為補強片長度；B為補強片厚度；H為層合板厚度；X和Y方向為鋪層面內(nèi)編織纖維方向，Z方向為試件厚度方向；拉伸和壓縮試件為[0/90]鋪層，剪切試件為[±45]鋪層。層合板的模壓設備為XLB-D 型平板硫化機；加載和采集設備包括MTS809.52 型拉扭試驗機和DH5922D 型動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)；環(huán)境設備包括高低溫試驗箱及拉伸、壓縮和剪切試驗所對應的加載夾具。試驗過程中采用單邊加載方式，設置低溫-30 ℃、標準實驗室環(huán)境25 ℃和高溫80 ℃共3種環(huán)境溫度對比組，設置標準實驗室干態(tài)環(huán)境(相對濕度(55±10)%)和濕態(tài)環(huán)境(相對濕度(85±5)%)共2種濕度對比組，組合成4種試驗環(huán)境，即低溫干態(tài)、常溫干態(tài)、高溫干態(tài)和高溫濕態(tài)，分別進行拉伸、壓縮和剪切力學性能試驗，如表1 所示。每組試驗的加載速率均為2 mm/min。拉伸和壓縮試驗至試件完全失效后停止，剪切試驗至試件完全破壞或應變超過5%后停止試驗，得到力-位移和時間-應變曲線，依據(jù)標準計算不同環(huán)境下的模量、強度、泊松比等參數(shù)并用于后續(xù)對比分析。

圖1 試件示意圖Fig.1 Diagram of the test pieces

表1 試驗環(huán)境Table 1 Experimental conditions

1.2 試驗結(jié)果與討論

如圖2 所示為CFRP 在各溫濕度環(huán)境和應力狀態(tài)下的應力-應變曲線。從圖2(a)可以看出，拉伸試驗的應力-應變曲線在一定應變范圍內(nèi)均呈明顯的線性變化趨勢。從圖2(b)可見：相比拉伸曲線，壓縮試驗的應力-應變曲線走勢分散性明顯增大[5,15]。這是由于纖維在壓縮時會發(fā)生局部的屈曲變形；從圖2(c)可見，剪切試驗的應力-應變曲線具有明顯的非線性，且各個環(huán)境下的曲線趨勢相同。

圖2 不同試驗環(huán)境下的應力-應變曲線Fig.2 Street-strain curves under different experimental environments

材料模型參數(shù)擬合時，每組取5個數(shù)據(jù)的平均值作為實測值，并給出每組數(shù)據(jù)的樣本標準差[15-18]，得到低溫干態(tài)、常溫干態(tài)、高溫干態(tài)和高溫濕態(tài)環(huán)境下CFRP 的模量和強度，如表2 所示。從表2可知，一方面，在低溫干態(tài)環(huán)境下，材料的剪切性能比其拉伸性能和壓縮性能劣化更為顯著，相比常溫干態(tài)環(huán)境，其剪切模量下降16.30%，剪切強度下降23.94%，壓縮性能最為穩(wěn)定，壓縮模量僅下降2.45%，壓縮強度下降7.36%；在高溫干態(tài)和高溫濕態(tài)環(huán)境下，剪切應力狀態(tài)同樣受劣化影響最為顯著，此時，壓縮模量受影響很小，相比常溫干態(tài)環(huán)境，分別下降了1.90%和2.70%，但是壓縮強度發(fā)生了較大下降，相比低溫干態(tài)環(huán)境，分別下降了20.85%和21.86%。結(jié)果表明，該編織復合材料剪切力學性能的環(huán)境敏感性最高，壓縮力學性能的環(huán)境敏感度最低。另一方面，經(jīng)過低溫、高溫或者濕態(tài)處理后，層合板的拉伸、壓縮和剪切性能均呈下降趨勢。在拉伸狀態(tài)下，最惡劣環(huán)境為低溫干態(tài)，相比常溫干態(tài)試樣，低溫干態(tài)試樣拉伸強度下降了30.79%，拉伸模量下降了10.76%。在壓縮狀態(tài)下，最惡劣環(huán)境為高溫濕態(tài)，相比常溫干態(tài)試樣，高溫濕態(tài)試樣的壓縮強度下降了21.96%，壓縮模量下降了2.59%。在剪切狀態(tài)下，最惡劣環(huán)境為高溫濕態(tài)，相比常溫干態(tài)試樣，高溫濕態(tài)試樣的剪切強度下降了43.59%，其剪切模量下降了17.10%。這是因為，在低溫環(huán)境下，基體因應力集中產(chǎn)生微裂紋，不利于載荷傳遞和平衡局部應力，因此，拉伸強度發(fā)生顯著劣化[7]。高溫會造成基體熱分解和氧化，因此，濕熱環(huán)境會明顯降低基體控制的力學性能尤其是剪切性能。在濕熱狀態(tài)下，樹脂基體吸濕損傷，同時，水分的進人還會使纖維與基體間界面發(fā)生水解，造成界面失效，因此，壓縮性能受濕熱環(huán)境的影響較為顯著[15]。本文試驗結(jié)果與文獻[16,19]中的結(jié)果相符。由于采用的復合材料面內(nèi)X方向和Y方向、由相同性能的纖維束編織而成，因此，僅進行1個方向的面內(nèi)拉伸和壓縮試驗。

表2 不同溫濕度環(huán)境下CFRP材料參數(shù)Table 2 Material parameters of CFRP under different temperature and humidity environments

2 高速磁懸浮碳纖維車體結(jié)構有限元仿真模型

根據(jù)4 種溫濕度環(huán)境下的材料性能試驗數(shù)據(jù)，針對某型號的磁懸浮碳纖維車體結(jié)構進行有限元仿真，研究不同環(huán)境對結(jié)構性能的影響。磁浮車體主要包括車廂結(jié)構和設備夾層結(jié)構，車廂殼體型腔結(jié)構分為車頂、側(cè)墻、底架和端墻，如圖3(a)所示；設備夾層采用6005A-T6 型鋁合金擠壓型材，其結(jié)構如圖3(b)所示；有限元模型采用完整的車體模型，包括1731901 個SHELL91 單元、542676個SHELL181單元、341694個SOLID185單元及連接和簡化用的1d單元，如圖3(c)所示。

自由模態(tài)驗證時整體無約束，通過車體結(jié)構固有的振動特性反映不同環(huán)境作用下結(jié)構剛度的特點。沖擊靜強度驗證時，依據(jù)標準IEC61373—1999 中的載荷工況進行，在車體縱向(x方向)、橫向(y方向)、垂向(z方向)上分別施加加速度激勵，組合成6種沖擊工況，如表3所示。沖擊工況需要約束，在設備夾層下部約束板處約束y和z方向自由度，在牽引拉桿安裝處約束x方向自由度，邊界條件如圖3(d)所示。由于本試驗未測定面外力學性能，且結(jié)構各部件厚度遠小于長度和寬度，材料面外力學性能對結(jié)果影響微小，因此，仿真過程中使用的面外材料參數(shù)采用文獻[20]中數(shù)據(jù)，該文獻與本文均采用了環(huán)氧系列樹脂，相關參數(shù)如表3所示。

表3 沖擊工況與部分材料參數(shù)Table 3 Load cases and material parameters

圖3 碳纖維磁懸浮車體有限元模型Fig.3 Finite element models of magnetic CFRP carbody

3 車體性能仿真結(jié)果

3.1 溫濕度對車體模態(tài)的影響

圖4所示為各溫濕度環(huán)境影響下車體結(jié)構的自由模態(tài)振型云圖，圖中紅色表示結(jié)構變形最大位置，該位置剛度最小。由圖4可知，在各溫濕度環(huán)境下，一階振型均表現(xiàn)為車廂菱形形變，這是因為車窗開口降低了側(cè)墻的局部剛度，因此，離窗邊最近的側(cè)墻與車頂連接處易發(fā)生較大橫向位移，成為結(jié)構的剛度薄弱位置。在常溫干態(tài)環(huán)境下，二階振型為整體的一階垂彎，底板及側(cè)墻中部發(fā)生較大垂向位移；但考慮溫濕度影響后，結(jié)構的抗扭剛度下降，車體二階振型變?yōu)槔@x軸的扭轉(zhuǎn)變形，兩端部分別繞x軸產(chǎn)生了相反的扭轉(zhuǎn)。表4所示為車體結(jié)構自由模態(tài)對比。從表4可知，在常溫干態(tài)環(huán)境下，車廂的一階自由模態(tài)頻率為11.86 Hz，當考慮溫濕度影響后，低溫干態(tài)、高溫干態(tài)和高溫濕態(tài)環(huán)境下一階頻率分別下降了5.40%，4.30%和4.81%；對二階模態(tài)頻率影響最大的是高溫濕態(tài)，相比常溫干態(tài)環(huán)境下，其頻率下降了6.25%，對三階模態(tài)頻率影響最大的是低溫干態(tài)，相比常溫干態(tài)環(huán)境下，其頻率下降了6.64%。由此可見，惡劣環(huán)境會削弱結(jié)構的剛度，并且在高階模態(tài)中，環(huán)境疊加的作用對結(jié)構剛度的影響會愈加明顯，甚至改變振型。因此，在對剛度變化敏感或者剛度裕度較小的CFRP結(jié)構進行設計時，設計者需考慮環(huán)境疊加的影響以獲得更加安全可靠的結(jié)果。

表4 磁懸浮車體自由模態(tài)分析結(jié)果Table 4 Free modes analysis results of maglev carbody

圖4 不同溫濕度環(huán)境下的磁懸浮車體自由模態(tài)Fig.4 Free modes of maglev carbody under different temperature and humidity environments

3.2 溫濕度對車體沖擊靜強度的影響

在6 種沖擊工況下，縱向±5g和垂向±3g工況對碳纖維復合材料車廂整車結(jié)構的影響較小，Tsai-Wu應力強度因子均遠低于0.1，遠小于失效強度指標1；而橫向-3g工況對整車結(jié)構的影響較大，因此，主要對最惡劣的工況4 的仿真結(jié)果進行分析。圖5 所示為沖擊工況4 條件下整車變形云圖。圖6 所示為工況4 條件下整車的Tsai-Wu 強度指標分布云圖，為突出沖擊工況下結(jié)構的應力校核最危險位置，圖中局部放大云圖忽略了結(jié)構微小損傷。采用的三維應力狀態(tài)下的Tsai-Wu失效準則如式(1)所示：

圖6 沖擊工況4條件下Tsai-Wu強度因子分布云圖Fig.6 Distribution of Tsai-Wu strength factor under impact condition 4

式中：ξ為三維Tsai-Wu 失效準則值；σX，σY，σZ，σXY，σYZ和σXZ為任意一點應力分量，MPa；CXY，CYZ和CXZ為Tsai-Wu耦合系數(shù)，一般均取-1。

從圖5可知：在常溫干態(tài)下，車廂結(jié)構最危險工況為工況4，此時，最大組合變形為12.17 mm。與常溫干態(tài)相比，低溫干態(tài)、高溫干態(tài)和高溫濕態(tài)環(huán)境下的最大組合變形分別增大了11.47%，9.36%和10.32%，因此，最危險狀態(tài)為低溫干態(tài)。在4種環(huán)境下，最大變形位置均為車廂側(cè)墻門框上部。這是由于門框在側(cè)墻產(chǎn)生了開口，而碳纖維復合材料對于靜強度的缺口敏感性相當高，因此，門框周圍就成為了結(jié)構整體的沖擊剛度薄弱位置，進而導致車廂沿橫截面產(chǎn)生菱形變位，結(jié)果符合橫向沖擊工況下的實際變形情況。從圖5(e)可以看出，多處開口(門、窗)的存在使得側(cè)墻始終是整車結(jié)構的薄弱位置；且各部件中，底架在不同溫濕度環(huán)境下的剛度最大，穩(wěn)定性最好，相比常溫干態(tài)，低溫干態(tài)時沖擊位移增量為9.27%；車頂對溫濕度環(huán)境變化的敏感性最高，相比于常溫干態(tài)，低溫干態(tài)時沖擊位移最大增量達到了11.44%。這是由于車頂為長大單板結(jié)構，溫濕度環(huán)境對CFRP材料剛度的削弱作用更易體現(xiàn)；而底架中部開口避免了大面積單板的結(jié)構形式，且左右底板通過隔板連接增加了局部自由度，使得底板薄弱位置只在局部體現(xiàn)，因此，降低了材料剛度削弱所帶來的影響。

圖5 沖擊工況4條件下整車變形結(jié)果Fig.5 Predicted results of the whole vehicle under impact condition 4

采用Tsai-Wu 失效準則計算的CFRP 車廂結(jié)構的應力強度指標及危險位置如表5所示，常溫干態(tài)時，最大Tsai-Wu 強度因子為0.11，與之相比，低溫干態(tài)、高溫干態(tài)和高溫濕態(tài)環(huán)境分別增大了45.45%，127.27%和190.91%，各溫濕度環(huán)境下的最危險位置均在碳纖維車廂側(cè)墻與底板相接處的底板燕尾槽上。當溫濕度變化時，在相同載荷下，變形和應力強度因子均明顯增大，導致車廂安全性降低。由于環(huán)境對材料極限強度的退化作用遠大于其對模量的退化作用，使車廂Tsai-Wu強度因子最危險時增加了190.91%，遠大于位移變形的11.41%，因此，在工程應用中對碳纖維結(jié)構評估時，應充分考慮溫濕度的影響，惡劣的溫濕度會使材料極限強度顯著退化，結(jié)構安全裕度降低。

表5 溫濕度影響下磁懸浮車廂沖擊工況分析結(jié)果Table 5 Predicted results of maglev carbody under impact condition 4 with different temperature and humidity

4 結(jié)論

1)CFRP編織復合材料試件經(jīng)過低溫、高溫或濕態(tài)處理后，拉伸、壓縮和剪切性能均下降。在拉伸狀態(tài)下，最惡劣環(huán)境為低溫干態(tài)，相比常溫干態(tài)試樣，低溫干態(tài)試樣的拉伸強度下降了30.79%；在壓縮狀態(tài)下，最惡劣環(huán)境為高溫濕態(tài)，相比常溫干態(tài)試樣，高溫濕態(tài)試樣的壓縮強度下降了21.96%；在剪切狀態(tài)下，最惡劣環(huán)境為高溫濕態(tài)，相比常溫干態(tài)試樣，高溫濕態(tài)的剪切強度下降了43.59%。表明該編織復合材料剪切力學性能的環(huán)境敏感性最高，壓縮力學性能的環(huán)境敏感度最低。

2)溫濕度環(huán)境的變化會削弱碳纖維復合材料結(jié)構的剛度，導致模態(tài)頻率降低，并且在高階模態(tài)中影響會愈加明顯，甚至會改變高階模態(tài)的振型。

3)在相同載荷下，溫濕度環(huán)境的變化使得碳纖維磁懸浮車體結(jié)構的組合位移變形和應力強度因子明顯增大，且應力強度因子的變化率遠大于位移的變化率。這是因為低溫干態(tài)、高溫干態(tài)和高溫濕態(tài)等惡劣溫濕度環(huán)境會導致材料極限強度產(chǎn)生顯著的退化，從而降低結(jié)構的安全裕度。

4)采用上述環(huán)境疊加的CFRP 結(jié)構評估方法時，工程結(jié)構除了滿足25 ℃常溫、(55±10)%干態(tài)環(huán)境規(guī)范，還應充分考慮服役所處的溫濕度環(huán)境，校核在-30 ℃低溫/(55±10)%干態(tài)或者80 ℃高溫/(85±5)%濕態(tài)等惡劣溫濕度環(huán)境下的性能，以保證工程結(jié)構在服役于非標準溫濕度環(huán)境下時具有充足的安全性和可靠性。