碳纤维复合材料在轨道交通车体中的轻量化应用分析

2021-08-05 13:14

     碳纤维复合材料拥有比金属材料更小的密度,在轻量化方面优势明显,力学性能优异,拉伸强度和比强度高,完全可以满足列车对材料性能的要求。在高速列车应用研制过程中,综合分析技术要求、材料性能、工艺、成本等因素,主承载结构优先选用碳纤维复合材料,次结构可采用玻璃纤维复合材料等材料,局部抗冲击部位可考虑选用芳纶纤维复合材料。

  国外纤维复合材料已在航空、船舶、汽车、体育用品等领域实现成熟运用,技术基础雄厚,在材料设计结构、制造工艺、服役性能及维护等多方面积累的丰富经验,为CFRP在高速列车领域的应用提供借鉴。

  碳纤维复合材料用于司机室的制作,与传统材料相比,可以实现减重30%的目标,并且噪音和振动的问题也得到有效地改善。除此之外,碳纤维铝蜂窝夹芯结构用于列车的车体制作,与传统铝合金车体相比,车体外壳的总质量可以降低40%,这对于实现汽车轻量化、提高列车运行速度有着很好的优势,经过测试,车体的静强度疲劳强度、防火安全性、模态特性等各项性能指标也能完全满足设计要求。

  应用玻纤和碳纤维通过缠绕工艺制成的车体,车辆减重10%,结合铝板夹泡沫芯的三明治结构,可以承受350kN的压缩、280kN的拉伸载荷。碳纤维复合材料整体成型的驾驶室端盖机车,芯材为聚氨酯泡沫,外蒙皮整体成型,内蒙皮三件拼合,经过一系列测试可知:整个司机室较传统钢结构减重30%~35%,同时抗击能力优良,耐0.9kg钢块300 km/h的冲击。

  国内关于碳纤维复合材料应用在轨道交通的研究起步较晚,但发展迅速,目前已完成了次承载件和零部件的研制与应用,例如高速列车司机室头罩、裙板、受电弓导流罩、内饰i板,低地板车的侧墙和顶板,城轨车辆司机室头罩、司机台,城际动车组裙板等。