浅析碳纤维复合材料在高速列车中的应用

122 军民两用技术与产品 2018·4（下）
引言
随着我国高速列车的不断发展，运行速度越来越高，同时也对
列车性能提出了更高的要求，如更高的舒适性、安全性、节能环保等性能。

列车传统结构多采用金属材料，随着列车运行速度的提高，出现了冲击、噪声、振动等新的问题，并且金属材料对其工作环境要求较高，在恶劣的环境下，其使用寿命大大降低。

传统金属材料若要克服这些困难具有很大的技术难度。

碳纤维复合材料（CFRP ）的发展与在高速列车中的应用能够很好的解决列车的环境适应性、轻量化等问题。

关于碳纤维复合材料在高速列车中应用的研究对于我国高速列车的快速发展具有重要意义。

1 我国碳纤维复合材料在高速列车中的应用现状
虽然我国关于碳纤维复合材料在高速列车中应用方面的研究刚刚起步，但在短短的几年里发展迅速，在列车的次承载零部件中已大量采用了复合材料，如列车的内饰板、司机室头罩、受电弓导流罩、裙板等。

2 纤维复合材料性能分析
由表1不难看出，纤维复合材料比传统金属材料具有更小的密度，更高的比强度与拉伸强度，拥有优良的力学性能。

应用于高速列车中，完全能够满足列车轻量化、高力学性能要求。

同时，纤维复合材料具有很好的耐腐蚀性，可应用于各种复杂的工况，零部件的使用寿命更长。

表1 复合材料与金属材料性能对比
3 碳纤维复合材料试件制作及其性能分析
中车四方股份研制的标准动车组CFRP 设备舱，采用模块化设计结构，既可单件组装拆卸，也可模块整体装卸。

CFRP 在设备舱中的应用，最重要的是其结构的整体化。

结构整体化既是一种设计思路，也是一种制造思路，为了在工程上实现整体结构，应在产品研发过程中强化材料-设计-制造一体化的思想，分阶段引入积木式设计流程，形成高速列车复合材料结构设计方法。

在复合材料运用的积木式设计流程中，充分考虑高速列车强度要求高，疲劳强度大，耐碰撞，耐冲击，耐风沙磨损，耐大温差、大湿度变化，减振隔音效果高，隔热性好，电磁辐射性能优良，振动模态匹配复杂，寿命长等各种因素。

将顶层指标分解到相应零部件，纳入积木式各阶段，建立高铁产品特有的控制要素和目标域值，分流解决。

在本实例中，CFRP 被应用于横梁、弯梁、裙板、端板及底板等零部件中。

根据各零部件的结构及性能采取铺层设计，同时着手研发其成型工艺，并进行仿真验证。

各试件的结构设计及成型工艺
如下：
横梁：其横断面呈“工”字，属于主承载结构件。

材质采用T300级碳纤维复合材料，制造成型采取真空导入工艺，结构件装配通常采用铆接和胶接。

弯梁：其结构形式为箱型，矩形横断面，属于主承载结构件。

设计采用预浸料交叉铺覆，制造工艺采用具有较高的成材率的袋压成型技术，并能有效降低制造成本。

裙板：属于次承载结构件，为提高其力学性能采用蜂窝夹芯结构，其外层因容易受到砾石的冲击，要求有较高的抗冲击性，因此采用芳纶纤维布，内层则主要采用玻璃纤维布。

制造工艺采用模压成型技术。

底板：属于次承载结构件，也容易受到砾石冲击，要求力学性能与裙板相似，因此其结构设计形式、选材及制造工艺同裙板。

端板：属于次承载结构件，结构设计中增加了加强筋，内层采用单向布铺层，以增加端板的力学性能。

制造工艺采用模压成型技术。

各零部件的试验构件制造完毕后，对试件进行结构与材料的性能试验和仿真分析。

结构试验中主要检测试件的抗冲击能力、静强度及疲劳强度；材料试验中主要验证试件材料的防火性能、抗疲劳性能及力学性能等；仿真分析主要有试件的模态分析、结构强度分析及疲劳强度分析等。

对试件进行仿真分析时，为模拟列车实际工况条件，动载气动载荷选用±2500Pa ，静载气动载荷选用3550Pa 。

由实验结果可以看出，在动载荷作用下，横梁的连接孔位置的应力最大，为48MPa ，其最小安全系数σ动为4.75；静载荷情况下，应力集中处应力为72.2MPa ，其最小安全系数σ静为4.83。

因此，试件满足列车使用要求。

根据材料试验样品尺寸要求制作单层板、夹芯板、层合板等试样，在不同环境和温度下对试样进行平拉、层间剪切及拉伸强度等试验。

经大量样品试验验证，各种材料性能均符合使用要求。

对裙板及底板试件进行抗冲击试验，试验中冲击速度取250公里/时，试件受冲击后形成凹坑，但并未被击穿，符合设计要求。

如图1所示
：
图1 CFRP底板抗冲击性能试验
防火性能试验中，试件经燃烧后未出现破损、弯曲与变形情况，符合列车的防火性能要求。

4 结束语
通过分析与研究，碳纤维复合材料用于高速列车部分次承载件
（下转179页）
摘 要 文中阐述了碳纤维复合材料用于高速列车较传统金属材料的优越性及我国碳纤维复合材料在高速列车中的应用现状，对比分析了纤维复合材料的各方面性能，深入研究了碳纤维复合材料试件制作方法，并对试件进行了仿真分析。

碳纤维复合材料在高速列车中应用方面的研究对于提高我国高速列车研发水平，促进轨道交通产业发展具有重要意义。

关键词 碳纤维复合材料；高速列车；性能；应用文章编号：1009-8119（2018）04（2）-0122-02
浅析碳纤维复合材料在高速列车中的应用
盖克静1 高玉龙2
（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司国家高速动车组总成工程技术研究中心，青岛 266000；
2.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，青岛 266000）
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1 概述
布氏硬度是瑞典工程师J.A.布里涅耳于1900年提出的，它的
测量方法是用规定大小的载荷F ，把直径为D 的钢球压入被测材料表面，持续规定的时间后卸载，用载荷值（千克力，1千克力等于9.80665牛顿）和压痕面积（平方毫米）之比定义硬度值。

布氏硬度HB 的计算式为
：
（1）
（硬质合金球）试验的布氏硬度值；F ：试验力（N ）；d ：压痕平均直径（mm ）；D ：钢球（硬
质合金球）直径（mm ）。

布氏硬度的单位为N/mm 2
，但习惯上只写明硬度值而不标出单位。

1908年德国的E.迈耶尔指出，若要使不同直径的钢球在同一材料上测得同样的硬度，就需要改变载荷值，使压痕保持几何相似，
（2）11P 2、D 2分别为两组测量条件中的载荷值和钢球直径。

2 有限元模型
考虑到研究对象的对称性，只取1/4部分建立模型，待测试样的长宽高分别为40、40、80mm ，压头直径10mm 。

底面3刚体位移设为零，切面1、2为对称边界条件，面法线方向的位移设为零。

压头切面4为均布力，其值设为38.216，如图1所示。

选择一次完全积分单元C3D8（An8-nodelinearbrick ）来进行计算，如图2所示：
图1 模型尺寸和载荷示意图 图2 试件压头接触位置网格3 结果分析与讨论
为分析不同试件的屈服应力与硬度的关系，选取如下几组不同
属性的材料进行有限元计算。

表1 数值模拟结果
应力应变杨氏模量压头位移试件硬度试件180069000.52184.61601试件265050000.65146.71301试件350042000.85
111.8
1001压头
-----------69000
-------------
在不改变模型尺寸及加载条件的情况下，
依次选取表中的试件
属性进行计算。

图3显示了试件1在载荷作用下的应力云图。

图4绘出了试件压痕处的位移云图。

图3 应力云图结果 图4 压痕部分位移云图
在ABAQUS 后处理visualization 历史场量模块中可以读出图3所示压头顶点处的位移，由数值计算的压头位移值，经简单的几何关系运算，即可求出压痕直径d ，进而由式1求得试样硬度值，计算结果见表1。

由表中数据可见，随着试样屈服应力的增加，其硬度也随之增长。

由此说明，材料的硬度与强度之间存在定量的关系。

鉴于硬度测定简单，造成的表面损伤小，基本上属于无损或微损检测的范畴，因而可直接在零件上测定硬度。

因此，硬度作为材料、半成品和零件的质量监测方法，在机械制造、航空航天、材料和工艺研究等现代工业中得到广泛应用。

参考文献
1 ABAQUS 非线性有限元分析与实例.庄茁张帆岑松等.
2 金属材料布氏硬度试验.GB/T231.2-2012.
摘 要 布氏硬度是瑞典工程师J.A.布里涅耳于1900年提出的，它的测定方法简单，给零件造成的表面损伤小，因而在现代工业中得到了广泛的应用。

本文用ABAQUS 模拟了布氏硬度的测量方法，通过选取3组不同属性的材料进行有限元计算，证明了材料的硬度与强度之间存在定量的关系。

关键词 布氏硬度；有限元；ABAQUS 文章编号：1009-8119（2018）04（2）-0179-01
布氏硬度的有限元模拟
徐 策
（中航通飞研究院有限公司，珠海 519040）
（上接122页）
及非承载件，能够大大降低车体重量，其力学性能优于传统的金属材料，具有很好的耐腐蚀性和耐火发性，适用于各种复杂工况。

碳纤维复合材料拥有良好的抗冲击、抗疲劳、轻质、耐用等优异性能，该方面的研究对于提高我国高速列车研发水平，促进轨道交通产业发展具有重要意义。

参考文献
1 单勇，谭艳.复合材料在轨道交通领域的应用[J].电力机车与城轨车辆，2011，34（2）：9-12.
2 张凯函.浅议新材料在铁道车辆上的应用[J].中国高新技术企业，2009（9）：9-10.6
3 肖加余，刘钧，曾竞成，等.复合材料在高速列车上的应用现状与趋势[J].机车电传动，2003（S1）：49-52.。