高速磁浮列车复材横梁组成结构设计与分析

来源:用户上传      作者:刘鹏 袁雨青 虞大联 孙玉玺 薛健康

　　摘 要：高速磁浮列車横梁组成首次采用碳纤维复合材料设计，以期在降低横梁组成结构重量的同时，提高横梁组成的整体性能。本文研究了复材横梁组成的结构特点、仿真验证及制造工艺，同时阐述了研发过程中产生的关键技术和创新点。复材横梁组成满足时速600公里高速磁浮列车的运营载荷要求。
　　关键词：高速磁浮;横梁组成;碳纤维复合材料;结构设计
　　中图分类号：TB     文献标识码：A      doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.36.067
　　0 引言
　　高速磁浮列车横梁组成作为磁浮车辆的主要承力构件之一，结构承载形式、载荷工况都比较复杂。目前国内外磁悬浮走行机构横梁组成全部采用铝合金材质，横梁为挤压铝型材，横梁连接件为铝合金铸件，各零件之间通过铆接工艺组装。为满足时速600km的载荷要求，有必要研制新的复合材料横梁组成。碳纤维复合材料具有比强度比模量高、可设计性强、疲劳性能好等优势，在航空航天、轨道交通领域得到广泛的应用。
　　高速磁浮列车横梁组成首次采用碳纤维复合材料设计，结合复合材料成型工艺特点，充分发挥复合材料自身优势，以期在降低横梁组成结构重量的同时，提高横梁组成的力学性能、疲劳可靠性。本文详细介绍了复材横梁组成的结构特点、铺层设计、仿真认证以及制造工艺等内容，突出了设计过程中的关键技术和创新点。
　　1 结构设计Structure Design
　　横梁组成安装于高速磁浮列车夹层内，用于安装纵梁组成、摇枕、空簧安装梁、托臂等部件，并和托臂一起通过电磁铁为列车提供悬浮力、导向力和制动/牵引力。根据横梁组成的结构尺寸要求，横梁组成长3350mm、宽1000mm、高250mm，由两根横梁和两件摇枕支架组成，如图1所示。
　　1.1 复合材料横梁Composite Crossbeam
　　复合材料横梁为矩形外框加筋结构，在外框内部布置斜筋，并按载荷情况在斜筋局部区域增加铺层以满足横梁组成各载荷工况要求。
　　根据横梁组成受力特点，复合材料横梁为主要承力构件，为保证其承载能力与内部质量，横梁矩形外框与斜筋均采用热压罐工艺成型。斜筋与外框分别单独成型后，采用AW106/HV953结构胶进行胶接，并在端部和中部受力复杂部位增加铆钉连接防止脱粘，同时为了保证胶接质量和精度，将斜筋1和斜筋2分别等分成2部分后再进行胶接装配，复合材料横梁结构如图2所示。
　　1.2 铺层设计Laminate Design
　　复合材料横梁外框整体厚度7mm，采用碳纤维织物预浸料EM119/HFW200T/42铺贴成型，0°/±45°/90°铺层的比例为25/50/25，具体铺层方案为[（±45）/（0，90）/（±45）/（0，90）]4S，铺层示意如图3所示。
　　复合材料横梁斜筋整体厚度3mm，采用碳纤维织物预浸料EM119/HFW200T/42和单向预浸料EM119/HFW150U-A12/40混合铺层，并在局部区域进行加强，端部厚度为3.5mm，摇枕支架之间区域局部厚度为4mm，详细铺层信息如表1所示。
　　1.3 接口设计
　　横梁组成与各零部件的接口通过设置螺栓座的形式实现，为了保证复合材料横梁具有良好的受力状态，首先将螺栓座与金属内衬铆接为一个整体，然后与横梁铆接装配。其中，托臂安装位置受力较大、载荷复杂，为提高横梁的局部刚度和承载能力，在横梁端部增加U型连接件，如图4所示。
　　2 仿真验证
　　2.1 有限元计算模型
　　悬浮架横梁组成有限元计算模型采用MSC Patran/Nastran软件建立。横梁组成、纵梁、托臂、空簧支架及纵横梁连接座主要采用壳单元（CQUAD4和CTRIA3）模拟，摇枕支架和螺栓座等采用实体单元模拟（CHEXA、CPENTA和CTETRA），铆钉和螺栓采用紧固件单元（CFAST及CBUSH）模拟。
　　2.2 材料许用值
　　横梁组成采用损伤容限设计，进行大的型面上的强度校核时所采用的设计许用值（应变）如表2所示。
　　2.3 仿真分析结果
　　横梁组成中复材部分各静强度计算工况下的最小安全系数为1.04，出现在工况S5BA1下横梁外框与纵梁连接处，如图5所示。横梁组成静强度满足设计要求。
　　横梁组成中复材部分各疲劳工况下的最小安全系数为1.21，出现在工况A12A1下横梁端部斜筋截止位置，如图6所示，横梁组成疲劳强度满足设计要求。
　　3 关键技术
　　（1）利用复合材料的低密度、比强度比模量高等特性进行设计实现减重目标。充分利用复合材料铺层的可设计性，通过合理地选取铺层角度、铺层比和铺层顺序，实现以最小的重量达到使用要求。另外，复合材料横梁组成提高了整个结构的耐久性和疲劳性能，增加结构的使用寿命。单件复合材料横梁组成整体减重28.87%，实现了新一代高速磁浮列车的轻量化要求。
　　（2）本文独创性采用阳模铺贴，阴模固化的制备工艺。阳模铺贴保证铺贴压实，铺层不断开;阴模固化保证外表面质量;采用碳纤维均压板加airpad柔性均压板保证内部质量。
　　（3）针对国内尚无适用于轨道交通大型承力制件的成熟防火阻燃碳纤维材料体系，本设计以已有环氧树脂体系材料为基础，进行配方改良与工艺试验，最终开发满足轨道交通领域要求的高阻燃系列轨道交通专用材料体系，可满足EN45545中HL2要求。
　　4 结论
　　高速磁浮列车碳纤维复合材料悬浮架横梁组成，采用新型碳纤维复合材料替代传统铝合金结构，较原金属结构减重达30%，各项力学性能指标均达设计要求。本研究具有里程碑意义，是碳纤维复合材料制品作为磁浮列车的主承力结构的首次尝试，为碳纤制品在轨道交通领域批量生产起到良好的示范作用。
　　参考文献
　　[1]刘鹏，袁雨青，张佳卫，等.高速磁浮列车复合材料横梁纤维褶皱问题研究[J].现代商贸工业，2020，（9）.
　　[2]王建军，田爱琴，段浩伟.高速列车用A7N01P-T4铝合金板材可焊性研究[J].现代商贸工业，2017，（13）.
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