碳纤维增强复合材料在轨道交通车辆司机台上的应用及仿真分析论文_金鑫, 何苗

摘要 轻量化是减少列车能耗的关键指标，针对采用碳纤维增强复合材料（CFRP）替代金属材质的司机台主框架以达到降低自重的技术目标，建立了司机台的有限元模型，并进行静态强度计算。仿真分析计算和型式试验验证结果表明，CFRP司机台能满足轨道交通车辆应用要求。

关键词 碳纤维增强复合材料；司机台；有限元；动车组

0 引言

随着轨道交通车辆的飞速发展，节能环保的要求也日益严格，车辆减重已成为趋势。碳纤维增强复合材料（CFRP）是由增强碳纤维与基体材料经过缠绕，模压或拉挤等成型工艺而形成的复合材料。CFRP由于其比强度、比模量高，耐疲劳、耐腐蚀性能好等优质特性被广泛关注。碳纤维是各向异性体，其单层沿轴向具有很高的强度和刚度，根据载荷和功能设计的交叉铺层合板的性能可超金属，适用于司机台主结构框架使用。

本文以司机台框架为研究对象，对CFRP作为主框架结构的司机台建立有限元模型，并根据已知的模型、材料参数、承受载荷以及评价标准等条件，对司机台进行静强度仿真及试验验证，以验证CFRP司机台结构是否满足设计要求。

1 有限元模型

对司机台框架模型进行了适当地简化，去掉部分有限元分析不需要的细节，同时对部分简化部件的密度进行了调整，以取得正确的质量分布。模型中板材部件采用壳单元划分，其他部件采用实体单元进行划分，单元平均尺寸为10mm。司机台框架底部通过螺栓安装到车体上，根据实际情况约束司机台安装支架螺栓孔处的所有自由度，以此作为边界条件。

图1.1 有限元模型

2 材料特性

CFRP，按各向异性进行计算，其材料参数如表2-1所示。隔板支架采用铝合金5754-H22材料制成，其弹性模型为70GPa，泊松比为0.3，密度为2.7e-9 T/mm3。材料的屈服强度为130MPa，根据 EN 12663-1:2010，其静态许用应力为113MPa。

表2-1 材料参数特性

3 工况选取

根据EN12663-1：2010，静强度载荷工况如下，其中g为重力加速度，取

g=9810 mm/s2。

表3-1 静强度载荷工况

4 评价标准

对于复合材料的强度校核采用最为广泛蔡－吴理论，即将所有现存的唯象论破坏准则都归结为高阶张量多项式破坏准则的各种特殊情况，并给出了以二阶张量作为破坏准则的计算方法，其强度准则可表示为：

蔡-吴准则可表述为如下格式：

安全因子可表述为：

按照EN12663-1:2010的规定，司机台评估所采用的静强度工况安全系数S1=1.15,S2=1.5。

5 静强度仿真分析

通过仿真分析，所有静强度工况下金属构件和复合材料均能满足设计要求。

图5.1 S5工况下复合材料构件安全系数分布云图（例）

表5-1 静强度载荷工况结果汇总表

6 试验验证

根据 IEC 61373-2010《铁路应用 车辆设备 冲击和振动试验》标准中 1 类 A 级的规定，对采用CFRP作为主框架的轨道交通车辆司机台行了振动冲击试验。试验顺序依次为正弦扫频试验、模拟长寿命试验、冲击试验和功能性随机振动试验，试验结果全部合格。

7 总结

CFRP作为司机台主框架材料相比同尺寸金属材料，可减重约20%。通过以上计算分析及试验验证，CFRP司机台同样满足设计要求。综上，采用CFRP的司机台主框架可以替代传统金属材料的产品，满足轨道交通车辆整车减重、节能的目的，适应向节约型和轻量化方向转变的需求，符合轨道交通行业发展趋势和国家节能减排的政策导向，具有广泛的推广应用价值。

参考文献：

【1】金鑫.京张高铁动车组项目-司机台采购技术条件【S】.2019

【2】刘晓波,杨颖.碳纤维增强复合材料在轨道车辆中的应用【J】.2015

【3】王胜光.碳纤维复合材料在轨道交通车辆空调机壳体上的应用【J】.2019

【4】谢龙汉,刘新让,刘文超等.ANSYS结构及动力学分析【M】.北京：电子工业出版社，2012

论文作者:金鑫, 何苗

论文发表刊物:《科学与技术》2020年1期

论文发表时间:2020/4/29

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