轻量化高性能碳纤维复合材料车体研发关键技术.pdfVIP

2014化纤非织造材料行业战略联盟研讨会论文集(湖南·常德) 轻量化高性能碳纤维复合材料车体研发关键技术 刘晓波，杨颖 (南车株洲电力机车有限公司，湖南412011) 摘要：车体是轨道车辆的主要承载构件，对于金属车体，其重量通常占总重量的15％一35％，车 体的轻量化设计有着十分重要的意义。简述了轨道交通领域碳纤维复合材料应用现状；从结构材料 设计、整体结构设计、车体成型技术、构件连接技术、结构声学设计、缺陷检测技术等多个方面探 讨复合材料整车车体研发的技术难点；在碳纤维复合材料车体研发的过程中，只有充分理解和实现 复合材料的材料股计，制造一体化，全面综合地考虑各种关键技术，才能获得高性能的碳纤维复合 材料车体，才能有效降低复合材料车体的成本；只有建立完整的复合材料车体设计、制造、验证技 术规范和质量评价体系，碳纤维复合材料才能在轨道交通行业中得到推广应用． 关键词：轨道列车；碳纤维复合材料；车体 碳纤维复合材料在飞机、汽车上已经得到了较为广泛的应用。在高速轨道交通领 域应用也正逐步从车体内部装饰、车内设备等非结构零件材料向车体等主要承载构件 延伸、扩展。列车速度的提高，要求机车牵引功率提高和列车自重减轻。就轻量化而 言，不锈钢优于耐候钢，铝合金又优于不锈钢，而复合材料则是最佳选择。碳纤维复 合材料替代钢铁材料将全面提升制造业水平。较其他金属材料，碳纤复合材料列车车 体将具有如下优势： (1)高的比强度、比模量，良好的耐疲劳、耐腐蚀性能等，使用寿命长，可大幅降 低维修成本。 (2)由于其良好的可设计性，更容易实现列车车体空气动力学的外观要求。 (3)如果采用整体成形工艺，可以更好地提高部件一体化程度，减少零件数量，缩 短制造周期，从而减小车体的制作成本。 (4)重量减轻，可以降低轮轨接触力，减少对地面的振动，从而降低车外辐射的噪 声。而且复合材料结构本身具有良好的高阻尼特性，声衰减高，能极大地改善列车的 抗振性能和声学性能。 kg，在运行 (5)降低列车运行的能量损耗。通常，对于高速车辆，重量每减轻100 过程中，可节省能量约100GJlll； (6)采用复合材料或复合材料与金属材料的混杂结构，可以充分利用两种材料的优 势，有效降低墙体厚度，增大了室内空间。如果是客车车体，对于提高乘座舒适性是 十分有意义的。如2003年6月在瑞典首都斯德哥尔摩投入运营的C20FICAS地铁列车， 121 2014化纤非织造材料行业战略联盟研讨会论文集(湖南·常德) 其侧墙、地板、顶盖均为采用PMI泡沫夹芯不锈钢三明治结构，从而使得侧墙的总厚 mm。如果是2+2座椅形式的高速车，同样的数值可以增加两乘客座椅间的 度减少120 mm。 宽度60 总之，碳纤维复合材料在减重、强度、可设计性等多个方面均具有金属材料无法 媲美的优势。 1轨道交通领域碳纤维复合材料应用现状 日本铁道综合技术研究所与东日本客运铁道公司合作，用碳纤维增强塑料(CFRP) 制成高速列车车顶，该CFRP车顶通过胶黏与铝合金框架相连，然后再通过焊接与车体 上铝合金侧壁连在一起，采用这种车顶的车体具有较高的气密强度和较低的重心，而 且每节车箱减轻约300500 Kg。 法国国营铁路公司(SNCF)认为对于未来的TGV高速列车，考虑到迫切需要进一 步减轻车体质量，只能采用复合材料的双层TGV挂车，并进行线路运行试验，对其 耐火性、抗冲击强度等进行运行测试， 该客车于2000年以350km／h的速度在高速路网 上运行，证实了复合材料车体的制造工艺是有效的，比铝制或钢制车体的强度大；同 时也证实了复合材料车体在振动性能、透声性能和绝热性能方面的优点，能提高车体 的舒适性。 Train km／h。 km／h，运营速度的180 eXpress)摆式列车，6节编组，4动2拖