高速動(dòng)車(chē)組碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用研究

高速動(dòng)車(chē)組碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用研究

摘 要：通過(guò)對(duì)高速列車(chē)發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)特點(diǎn)分析，結(jié)合纖維復(fù)合材料性能優(yōu)勢(shì)和產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀調(diào)研，揭示了結(jié)構(gòu)與材料多元化的發(fā)展必要性，指出纖維復(fù)合材料是實(shí)現(xiàn)列車(chē)各性能平衡發(fā)展的有效途徑。詳細(xì)介紹了國(guó)內(nèi)外高速動(dòng)車(chē)組復(fù)合材料應(yīng)用情況， 展示了中車(chē)四方股份一體化設(shè)計(jì)理念下的纖維復(fù)合材料構(gòu)件應(yīng)用實(shí)例，展望高速動(dòng)車(chē)組復(fù)合材料發(fā)展方向，提出加快國(guó)內(nèi)碳纖維復(fù)合材料在軌道交通中應(yīng)用的可行性建議，以期提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，提升行業(yè)話語(yǔ)權(quán)。

引 言

世界經(jīng)濟(jì)貿(mào)易往來(lái)的日漸頻繁和城鎮(zhèn)化水平的逐步提高，推動(dòng)了高速鐵路產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，世界高速鐵路達(dá)到空前規(guī)模。我國(guó)高速列車(chē)運(yùn)營(yíng)里程與列車(chē)保有量均占世界份額 50%以上。 目前，全國(guó)投入運(yùn)營(yíng)線路 54 條，總里程超過(guò) 2.05 萬(wàn)公里，在線運(yùn)營(yíng)動(dòng)車(chē)組 2 122 組（時(shí)速 350 公里 1 313 組，時(shí)速 250 公里 809 組），預(yù)計(jì) 2020 年，建成 3 萬(wàn)公里，列車(chē)總量超過(guò) 3 500 組。隨著印尼、 泰國(guó)、 俄羅斯等國(guó)家高速列車(chē)項(xiàng)目的陸續(xù)啟動(dòng)，高速列車(chē)市場(chǎng)進(jìn)入新一輪快速發(fā)展期，巨大的市場(chǎng)需求為軌道交通技術(shù)的進(jìn)步和新技術(shù)、新材料的推廣應(yīng)用提供了良好契機(jī)。 飛速發(fā)展的中國(guó)高速列車(chē)產(chǎn)業(yè)應(yīng)抓住機(jī)遇，推行走出去戰(zhàn)略，搶占新技術(shù)、新材料的技術(shù)制高點(diǎn)，不斷提升行業(yè)話語(yǔ)權(quán)。

隨著世界高速列車(chē)譜系的不斷完善， 用戶對(duì)個(gè)性化訂制的需求逐步成熟，并呈現(xiàn)多樣性發(fā)展趨勢(shì)。用戶在追求列車(chē)速度的同時(shí)， 開(kāi)始更多地關(guān)注如何提升服務(wù)品質(zhì)，如何提高列車(chē)節(jié)能性、環(huán)保性、舒適性、便利性。 而目前金屬材料制造的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)列車(chē)在不斷提高速度的同時(shí)，加大了振動(dòng)、沖擊、阻力、噪聲問(wèn)題的解決難度。并且在應(yīng)對(duì)諸如高原、沙漠、高溫、高寒及高海拔等復(fù)雜多變的服役環(huán)境時(shí)，現(xiàn)有材料顯得越來(lái)越力不從心。 鋁合金車(chē)體存在應(yīng)力腐蝕、外表處理困難、焊接要求高、疲勞強(qiáng)度低的問(wèn)題；不銹鋼車(chē)體存在封閉性、局部屈曲、焊接變形等問(wèn)題；碳鋼車(chē)體存在易腐蝕、不利于輕量化、焊接變形大等問(wèn)題。 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)、材料應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的技術(shù)方案顯得不夠豐富，技術(shù)難度大，無(wú)法滿足用戶對(duì)列車(chē)綜合性能的要求。如何實(shí)現(xiàn)列車(chē)的進(jìn)一步輕量化，降低軸重，平抑速度的不利因素，解決輕量化與各種性能（強(qiáng)度、振動(dòng)、噪聲、隔熱、輻射）的矛盾，尋找列車(chē)技術(shù)性能平衡才能更好地順應(yīng)發(fā)展趨勢(shì)，也是占領(lǐng)未來(lái)國(guó)際市場(chǎng)的關(guān)鍵。

在傳統(tǒng)的單組份結(jié)構(gòu)材料難以滿足性能需求的情況下，結(jié)構(gòu)與材料的多元化勢(shì)在必行。具有輕量化、高強(qiáng)度、 高耐候等優(yōu)異性能的芳綸纖維復(fù)合材料（AFRP）、玻璃纖維復(fù)合材料（GFRP）、碳纖維復(fù)合材料（CFRP）等先進(jìn)材料和蜂窩夾層、泡沫夾層結(jié)構(gòu)、功能層合板等復(fù)合結(jié)構(gòu)在飛機(jī)、船舶等交通裝備領(lǐng)域的成熟工程化應(yīng)用， 為解決高速列車(chē)輕量化問(wèn)題提供了可行性指導(dǎo)。 纖維復(fù)合材料在高速列車(chē)領(lǐng)域的成熟運(yùn)用將提高軌道車(chē)輛的綜合性能指標(biāo)， 并有望系統(tǒng)解決金屬材料應(yīng)用領(lǐng)域常見(jiàn)的輕量化、環(huán)境適應(yīng)性等問(wèn)題。世界各國(guó)圍繞如何快速推進(jìn)纖維復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域的成熟應(yīng)用開(kāi)展了很多研究。

 纖維復(fù)合材料性能與產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀分析

 為纖維復(fù)合材料與金屬材料的性能對(duì)比分析。 由表 1 可以看出纖維復(fù)合材料擁有比金屬材料更小的密度，在輕量化方面優(yōu)勢(shì)明顯， 力學(xué)性能優(yōu)異，拉伸強(qiáng)度和比強(qiáng)度高，完全可以滿足列車(chē)對(duì)材料性能的要求。 在高速列車(chē)應(yīng)用研制過(guò)程中，綜合分析技術(shù)要求、材料性能、工藝、成本等因素，主承載結(jié)構(gòu)優(yōu)先選用碳纖維復(fù)合材料，次結(jié)構(gòu)可采用玻璃纖維復(fù)合材料等材料， 局部抗沖擊部位可考慮選用芳綸纖維復(fù)合材料。

碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件的研制與大規(guī)模采用首先要確保原材料有穩(wěn)定的性能和產(chǎn)能。 表 2 為國(guó)內(nèi)外碳纖維等復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀分析?？傮w來(lái)說(shuō)，國(guó)外原材料及相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)成熟，產(chǎn)能比較穩(wěn)定，產(chǎn)業(yè)布局充分，成本較高。 國(guó)內(nèi)正處于發(fā)展期，部分材料水平接近國(guó)外，但部件產(chǎn)業(yè)鏈尚不完善，規(guī)模效益尚未顯現(xiàn)。在纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的試制階段，應(yīng)推行國(guó)內(nèi)外合作求對(duì)各型號(hào)產(chǎn)品進(jìn)行擇并舉， 根據(jù)具體列車(chē)使用需優(yōu)選擇，積累經(jīng)驗(yàn)，學(xué)習(xí)先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)業(yè)鏈。

 國(guó)外軌道交通裝備碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)外纖維復(fù)合材料已在航空、船舶、汽車(chē)、體育用品等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)成熟運(yùn)用，技術(shù)基礎(chǔ)雄厚，在材料設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、制造工藝、服役性能及維護(hù)等多方面積累的豐富經(jīng)驗(yàn)，為CFRP在高速列車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用提供借鑒。國(guó)外軌道交通類(lèi)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)在前期基礎(chǔ)上，針對(duì)列車(chē)用的碳纖維復(fù)合材料開(kāi)展了系統(tǒng)研究， 目前已實(shí)現(xiàn)眾多技術(shù)突破，積累了豐富的工程化應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用范圍從內(nèi)飾、車(chē)內(nèi)設(shè)備、司機(jī)室外罩等非承載部件和次承載部件，擴(kuò)大到車(chē)體、轉(zhuǎn)向架等主承載結(jié)構(gòu)。

2.1 日本 CFRP 應(yīng)用情況

日本在CFRP車(chē)體研制方面進(jìn)行了循序漸進(jìn)的探索，取得了顯著的成績(jī)。圖1為日本典型復(fù)合材料車(chē)體實(shí)例。 1999年研制的E4司機(jī)室采用CFRP復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)減重30%，并有效改善了變形問(wèn)題，降低了噪聲和震動(dòng)；2005 年在 N700 系列車(chē)上采用 CFRP 制造了車(chē)頂，減重500kg，降低重心，提高了氣密強(qiáng)度。

 日本典型復(fù)合材料車(chē)體實(shí)例

日本在復(fù)合材料轉(zhuǎn)向架的研發(fā)方面優(yōu)勢(shì)明顯。 1989 年日本鐵路試制成功 CFRP 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架， 該構(gòu)架側(cè)梁為 CFRP 層壓材料疊層結(jié)構(gòu)， 板厚 16.4mm，橫梁采用纏繞成型，構(gòu)架自重0.3 t，比普通鋼制構(gòu)架減輕 70%，設(shè)計(jì)高時(shí)速 160 公里。 2014 年，川崎重工新研發(fā)的 efWING轉(zhuǎn)向架將剛性焊接構(gòu)架改為采用碳纖維側(cè)梁的柔性構(gòu)架。主承載部件側(cè)梁形似弓形彈簧，取消傳統(tǒng)二系彈簧，比傳統(tǒng)金屬側(cè)梁減重約 40% 。

日本 efWING 轉(zhuǎn)向架

2.2 韓國(guó) CFRP 應(yīng)用情況

韓國(guó)鐵路行業(yè)在纖維復(fù)合材料的應(yīng)用方面也取得顯著成績(jī)。 2010 年投入商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的韓國(guó) TTX （TitleTrain eXpress） 擺式列車(chē)是碳纖維復(fù)合材料車(chē)體成功的案例，采用 4 動(dòng) 2 拖 6 節(jié)編組，設(shè)計(jì)速度 200km/h，運(yùn)營(yíng)速度180 km/h。 TTX 列車(chē)是在法國(guó)阿爾斯通公司向韓國(guó)轉(zhuǎn)讓第二代TGV-A 高速列車(chē)成套技術(shù)后，由韓國(guó)鐵道研究院（KRRI）于 2001 年開(kāi)始研制。 研究初期采用的方案為車(chē)頂、側(cè)墻及端墻采用復(fù)合材料層合板制備，底架采用中空擠壓鋁合金型材制備， 并且兩部分通過(guò)彈性膠黏劑和螺接的方式連接起來(lái)構(gòu)成整體車(chē)體結(jié)構(gòu)

 韓國(guó)CFRP 車(chē)體研究方案

復(fù)合材料層合板是 T300/AD6005graphite/環(huán)氧樹(shù)脂， 底架選用 6006A-T6中空擠壓鋁合金型材，其屈服極限為 207 MPa。 研制初期車(chē)體性能可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，但隨時(shí)間推移， 車(chē)體服役穩(wěn)定性差， 底架變形逐漸增大；老化加速、彎曲剛度超標(biāo)；層合板表面纖維網(wǎng)格移位。

后期改進(jìn)方案車(chē)體制造采用復(fù)合設(shè)計(jì)理念， 車(chē)體外殼采用碳纖維三明治復(fù)合材料構(gòu)建鋁蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)輕量化，3.5 mm外板+40 mm鋁合金蜂窩+ 1.5mm 內(nèi)板夾芯結(jié)構(gòu)，面板為CF1263 碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料。 并在復(fù)合層中嵌入不銹鋼骨架來(lái)改善車(chē)體的結(jié)構(gòu)剛度（見(jiàn)圖 3），經(jīng)大型熱壓罐整體成型得到復(fù)合車(chē)體。與傳統(tǒng)鋁合金車(chē)體相比，復(fù)合材料車(chē)體外殼總質(zhì)量分別降低40%。 車(chē)體的靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、防火安全性、模態(tài)特性等各項(xiàng)性能指標(biāo)完全滿足設(shè)計(jì)要求。底架采用不銹鋼便于安裝電氣設(shè)備，易改性高。碳纖維復(fù)合材料車(chē)體與不銹鋼底架則采用了鉚接、膠接及焊接相混合的連接形式。

轉(zhuǎn)向架研制方面，韓國(guó)鐵路研究院在 2011 年研制了 CFRP 地鐵轉(zhuǎn)向架（如圖 4 所示），較鋼制構(gòu)架減重 30%左右（約 635 kg），目前仍在各種測(cè)試試驗(yàn)階段，尚無(wú)實(shí)現(xiàn)商業(yè)運(yùn)用。

 韓國(guó)鐵研CFRP地鐵轉(zhuǎn)向架

2.3 歐洲復(fù)合材料應(yīng)用情況

歐洲復(fù)合材料技術(shù)基礎(chǔ)雄厚，在軌道車(chē)輛上應(yīng)用廣泛，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，從非承載的內(nèi)飾件到頭罩吸能元件、 過(guò)渡車(chē)鉤、 受電弓等零部件到司機(jī)室、車(chē)體、轉(zhuǎn)向架等大型部件均有不同程度的嘗試。

 所示為歐洲典型產(chǎn)品。 英國(guó) Intercity125是采用FRP 整體成型的駕駛室端蓋機(jī)車(chē)之一，芯材為聚氨酯泡沫，外蒙皮整體成型，內(nèi)蒙皮三件拼合，整個(gè)司機(jī)室較傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)減重 30%～35%，同時(shí)抗擊能力優(yōu)良，耐 0.9kg 鋼塊 300km/h 的沖擊。意大利 ETR500 型高速列車(chē)上，內(nèi)部結(jié)構(gòu)邊墻、天花板和行李艙采用高比剛度復(fù)合材料夾層板（兩層 Tedlar 聚氟乙烯塑料薄層中夾有 Nomex蜂窩芯材），頭部采用Kevlar 纖維和環(huán)氧樹(shù)脂模壓成型，剛性和抗沖擊性良好，列車(chē)時(shí)速 300 公里。 法維萊受電弓采用芳綸纖維復(fù)合材料，減重 30%～40%，空氣動(dòng)力學(xué)性能良好。德國(guó)福伊特公司（Voith） 研制的 Galea 車(chē)前碰撞吸能元件， 總質(zhì)量約 90 kg，滿足防火、噪聲、隔熱等要求，已用于200 km/h 以上的城際列車(chē)。此外，Voith 研制的應(yīng)用于故障列車(chē)牽引操作的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料過(guò)渡車(chē)鉤，結(jié)構(gòu)極其緊湊，總質(zhì)量?jī)H23 kg，比鋼鐵過(guò)渡車(chē)鉤減重達(dá) 50%，單人就可攜帶進(jìn)行安裝。

非承載件車(chē)型

歐洲的車(chē)體復(fù)合材料結(jié)構(gòu)多樣， 制造工藝異彩紛呈。圖 6 為歐洲各類(lèi)復(fù)合材料車(chē)體照片。龐巴迪研制的旅客捷運(yùn)系統(tǒng)車(chē)體，由6 個(gè)玻璃鋼模塊組成，底架采用不銹鋼，通過(guò)膠粘和螺栓連接形成整體承載結(jié)構(gòu)，總長(zhǎng) 12 m，運(yùn)行速度 80km/h，載客量100 人。 瑞士辛德勒公司應(yīng)用玻纖和碳纖維繞成的車(chē)體， 車(chē)輛減重 10%，運(yùn)行時(shí)速 140 公里。磁懸浮列車(chē)采用鋁板夾泡沫芯的三明治結(jié)構(gòu)，可以承受350 kN 的壓縮、280 kN 的拉伸載荷。 瑞典斯德哥爾摩地鐵列車(chē)，側(cè)墻、地板和頂蓋均為不銹鋼三明治夾 PMI 泡沫芯結(jié)構(gòu)，端梁嵌入在三明治結(jié)構(gòu)中。側(cè)墻的總厚度減少 120 mm，增加了室內(nèi)空間。

歐洲各類(lèi)復(fù)合材料車(chē)體

高速列車(chē)領(lǐng)域以法國(guó)TGV 雙層車(chē)體（如圖 7 所示）為代表，實(shí)現(xiàn) CFRP 車(chē)體結(jié)構(gòu)的重大突破。 CFRP 雙層車(chē)體標(biāo)準(zhǔn)模塊，5m/節(jié)，采用蜂窩夾層復(fù)合材料和真空袋壓固化成形，較鋁制車(chē)減重>25%，通過(guò)線路運(yùn)行驗(yàn)證了 CFRP在強(qiáng)度、沖擊、防火、降噪、隔熱等性能方面的優(yōu)點(diǎn)和工業(yè)可行性。

法國(guó) TGV 雙層客車(chē)

歐洲對(duì)轉(zhuǎn)向架的壓制同樣采用材料-結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，但僅限于研究測(cè)試階段，尚未投入大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。 圖 8 為歐洲試驗(yàn)的轉(zhuǎn)向架產(chǎn)品照片。 德國(guó) 20 世紀(jì) 80 年代中期開(kāi)發(fā)的 HLD-E 型轉(zhuǎn)向架是世界上臺(tái)復(fù)合材料構(gòu)架（FVW 構(gòu)架）的轉(zhuǎn)向架，時(shí)速 200 公里，并通過(guò)了靜態(tài)模擬試驗(yàn)和耐久性試驗(yàn)。隨后又相繼開(kāi)發(fā)了HLD-L 型和 HLD-300 型轉(zhuǎn)向架。 2012 年，雷丁大學(xué)成功研制了 GFRP 轉(zhuǎn)向架，其構(gòu)架結(jié)構(gòu)為上、下兩構(gòu)架型式，各包括兩根側(cè)梁和一根橫梁，各構(gòu)架分別采用整體成型。

 歐洲試制的復(fù)合材料轉(zhuǎn)向架

國(guó)內(nèi)軌道交通裝備碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用研究起步較晚，但發(fā)展迅速，目前已完成了次承載件和零部件的研制與應(yīng)用（如圖 9 所示），諸如高速列車(chē)司機(jī)室頭罩、裙板、受電弓導(dǎo)流罩、內(nèi)飾板，低地板車(chē)的側(cè)墻和頂板，城軌車(chē)輛司機(jī)室頭罩、司機(jī)臺(tái)，城際動(dòng)車(chē)組裙板等。 2011 年底在中車(chē)青島四方股份落成的 500km/h 高速試驗(yàn)車(chē)上采用了碳纖維復(fù)合材料車(chē)頭罩。其抗沖擊性能和力學(xué)性能優(yōu)良，能耐住 1 kg 鋁彈的 660 km/h 高速撞擊和 350 kN的靜載荷，阻燃性能 S4 級(jí)（DIN 5510-2）。 其內(nèi)飾板采用玻纖+紙蜂窩結(jié)構(gòu)，減重 30%， 導(dǎo)流罩利用中空織物整體成型， 減重約50%。此外，四方股份與恒神共同研制的城際動(dòng)車(chē)組用碳纖維設(shè)備艙裙板已于 2013 年底裝車(chē)試運(yùn)行中。相比鋁合金減重≥30%，抗沖擊性能優(yōu)異（UIC-651，未擊穿），阻燃性能達(dá)到 S3，SR2，ST2 級(jí)（DIN5510-2），車(chē)體油漆劃格達(dá)到1級(jí)水平。

 國(guó)內(nèi)纖維復(fù)合材料應(yīng)用實(shí)例

總體來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)從材料、工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)及驗(yàn)證各環(huán)節(jié)進(jìn)行了大量研究，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，為推動(dòng)纖維復(fù)合材料全方位工程化應(yīng)用、提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組設(shè)備艙實(shí)施實(shí)例

中車(chē)四方股份研制的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組CFRP設(shè)備艙，采用模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，既可單件組裝拆卸，也可模塊整體裝卸。 CFRP在設(shè)備艙中的應(yīng)用，重要的是其結(jié)構(gòu)的整體化。結(jié)構(gòu)整體化既是一種設(shè)計(jì)思路，也是一種制造思路，為了在工程上實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)，應(yīng)在產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中強(qiáng)化材料-設(shè)計(jì)-制造一體化的思想，分階段引入積木式設(shè)計(jì)流程，形成高速列車(chē)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。在復(fù)合材料運(yùn)用的積木式設(shè)計(jì)流程中，充分考慮高速列車(chē)強(qiáng)度要求高，疲勞強(qiáng)度大，耐碰撞，耐沖擊，耐風(fēng)沙磨損，耐大溫差、大濕度變化，減振隔音效果高，隔熱性好，電磁輻射性能優(yōu)良，振動(dòng)模態(tài)匹配復(fù)雜，壽命長(zhǎng)等各種因素。將頂層指標(biāo)分解到相應(yīng)零部件，納入積木式各階段，建立高鐵產(chǎn)品特有的控制要素和目標(biāo)域值，分流解決。

設(shè)備艙中主要采用CFRP的結(jié)構(gòu)件為彎梁、 橫梁、裙板、底板和端板，如圖10所示。

 CFRP 各構(gòu)件

首先針對(duì)各結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)及服役狀況，對(duì)其結(jié)構(gòu)、鋪層設(shè)計(jì)及成型工藝進(jìn)行具有針對(duì)性的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，再進(jìn)行仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證，以保證滿足裝車(chē)運(yùn)行條件

彎梁：設(shè)備艙的主承載結(jié)構(gòu)件，屬于箱型梁結(jié)構(gòu)，斷面為矩形。采用CFRP預(yù)浸料交叉鋪覆設(shè)計(jì)，采用袋壓成型工藝制造，得到的樣品成品率較高，制造成本降低。

橫梁：設(shè)備艙的主承載結(jié)構(gòu)件，為工字梁結(jié)構(gòu)，選用T300 級(jí) CFRP，主要組裝方式為膠接和鉚接；采用真空導(dǎo)入技術(shù)成型。

裙板：設(shè)備艙的次承載結(jié)構(gòu)件，采用弧形芳綸蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)以玻璃纖維布為主，外層對(duì)抗礫石沖擊性能要求較高，選用芳綸纖維布，提高其耐沖擊性；選用模壓成型工藝。

底板：設(shè)備艙次承載結(jié)構(gòu)件，采用平面芳綸蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，對(duì)抗礫石沖擊性能要求較高，與裙板相似，因此底板的鋪層和成型工藝與裙板相同。

端板：設(shè)備艙次承載結(jié)構(gòu)件，采用帶加強(qiáng)筋的平面結(jié)構(gòu)，內(nèi)部使用單向布鋪層，提高端板橫縱向性能；選用模壓成型工藝。

CFRP各構(gòu)件試制完成后，對(duì)其進(jìn)行仿真分析及材料和結(jié)構(gòu)試驗(yàn)驗(yàn)證。仿真試驗(yàn)包括固結(jié)強(qiáng)度分析、疲勞強(qiáng)度分析、模態(tài)分析等，材料試驗(yàn)則包括基本力學(xué)性能試驗(yàn)、疲勞性能試驗(yàn)、抗沖擊試驗(yàn)、防火性能試驗(yàn)等，結(jié)構(gòu)試驗(yàn)包括骨架、端板、裙板等模塊的靜強(qiáng)度試驗(yàn)、疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)、振動(dòng)沖擊試驗(yàn)等。

材料試驗(yàn)中，對(duì)單層板、層合板及夾芯板進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)驗(yàn)證，其中包括的拉伸強(qiáng)度、層間剪切、平拉強(qiáng)度等，詳見(jiàn)圖 12。 在不同溫度、環(huán)境下驗(yàn)證樣品 4 000 余件，各項(xiàng)力學(xué)性能滿足設(shè)計(jì)要求。

材料力學(xué)性能試驗(yàn)

選用 CFRP 底板進(jìn)行抗沖擊試驗(yàn)，時(shí)速 250 公里垂直沖擊樣品，沖擊后樣品如圖 13 所示。 沖擊過(guò)后底板樣品未擊穿，與鋁合金樣品的抗沖擊性能相當(dāng)，滿足裝車(chē)運(yùn)營(yíng)要求。

底板抗沖擊性能試驗(yàn)照片

對(duì) CFRP 樣品進(jìn)行防火試驗(yàn)， 圖 14 為燃燒前后樣品的表面宏觀形貌，樣品在燃燒前后并無(wú)彎曲、變形、燒損等異常出現(xiàn)，滿足標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組對(duì)材料防火性能的要求。

防火試驗(yàn)燃燒前后樣品形貌照片

按照積木式測(cè)試方法， 材料性能滿足條件的情況下對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)， 首先對(duì)骨架進(jìn)行靜強(qiáng)度試驗(yàn)，靜載荷從 7.1 kN開(kāi)始遞增加載，直至破壞。骨架承受載荷為 28 kN，安全系數(shù) 3.94。 其次對(duì)底板進(jìn)行疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)， 疲勞載荷為±2 500 Pa 氣動(dòng)載荷，1 000 萬(wàn)次后樣品未發(fā)生疲勞失效。 按照 IEC61373 中 1 類(lèi) A 級(jí)進(jìn)行振動(dòng)沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)后各部件無(wú)損壞、無(wú)裂縫、無(wú)松脫、無(wú)明顯變形。 結(jié)構(gòu)件的整體力學(xué)性能滿足裝車(chē)運(yùn)用條件。

中車(chē)四方股份首次在高速列車(chē)中進(jìn)行 CFRP 大型結(jié)構(gòu)件應(yīng)用，相對(duì)于鋁合金結(jié)構(gòu)，CFRP 的采用使設(shè)備艙減重 35%，可承受振動(dòng)、地面效應(yīng)及風(fēng)沙沖擊和高溫、高濕、風(fēng)雪侵蝕，各項(xiàng)指標(biāo)滿足時(shí)速350 公里運(yùn)營(yíng)要求。 本列車(chē)已于 2015 年 6 月出廠，目前已進(jìn)入大西線進(jìn)行350 公里試驗(yàn)考核和長(zhǎng)期跟蹤，狀態(tài)良好。

 結(jié)束語(yǔ)

碳纖維復(fù)合材料既可以應(yīng)用于列車(chē)內(nèi)飾、 受電弓和設(shè)備艙等非承載、次承載部件，又可以應(yīng)用于車(chē)體、轉(zhuǎn)向架這類(lèi)主承載部件。 如果實(shí)現(xiàn)全面采用CFRP 等復(fù)合材料的中長(zhǎng)期規(guī)劃發(fā)展， 以每年 3 000 列機(jī)車(chē)計(jì)算，車(chē)體對(duì) CFRP 的需求量為 156240 t/年，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架需求 40 320 t/年，內(nèi)飾用量為 40 725t/年，整車(chē)共計(jì)276 832 t/年。

除此之外，考慮城軌、地鐵的應(yīng)用情況，CFRP 等復(fù)合材料的用量將增加一倍以上，即使保持多樣性選擇，僅部分車(chē)輛使用，需求量依然驚人。如此巨大的需求規(guī)模將促進(jìn)新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提高高速列車(chē)的技術(shù)水平。面對(duì)挑戰(zhàn)，尚需做好以下準(zhǔn)備：

1） 加大國(guó)家對(duì)高鐵 CFRP 復(fù)合材料應(yīng)用方面的政策支持力度， 推動(dòng)國(guó)家對(duì)高鐵CFRP 復(fù)合材料應(yīng)用方面的項(xiàng)目支持；

2） 建立、完善高鐵CFRP復(fù)合材料應(yīng)用相關(guān)的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)及驗(yàn)收規(guī)范；

3） 鼓勵(lì)國(guó)內(nèi)廠家和研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行高鐵CFRP復(fù)合材料應(yīng)用的戰(zhàn)略思考，積極參與產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)。

當(dāng)前中國(guó)正處在軌道交通建設(shè)的繁榮時(shí)期，已經(jīng)成為世界上大的城市軌道交通市場(chǎng)。 這是一個(gè)嶄新的、大有可為的應(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)抓住這一契機(jī)，建立產(chǎn)、學(xué)、研、用一體化研究平臺(tái)，深入研究具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的復(fù)合材料制造技術(shù)及其批量化產(chǎn)品，進(jìn)一步推動(dòng) CFRP在軌道車(chē)輛領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用，特別是在大型、復(fù)雜、通用的承載結(jié)構(gòu)件上應(yīng)用，促進(jìn)我國(guó)高速軌道交通事業(yè)的發(fā)展。

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