张虎
摘要：碳纤维复合材料因具有密度低、耐腐蚀好等优点，得以广泛用于航空航天、轨道交通、汽车等领域。基于此，选取碳纤维复合材料为对象，在阐述碳纤维复合材料优点、特点及其在不同领域使用等内容基础上，通过体—壳混合单元创建相应的碳纤维复合材料转向架计算模型，对其超常、模拟运营载荷条件下静强度及疲劳强度进行评估，结果表明：使用T700碳纤维/环氧复合材料设计的转向架结构简单，其静强度、疲劳强度较好。
关键词：碳纤维复合材料;铁路机车;设计;转向架;疲劳强度
中圖分类号：TQ050.43;U260.331
文献标识码：A文章编号：1001-5922（2022）06-0044-06
Application of carbon fiber composite materials in the design of railway locomotive bogies
ZHANG Hu
（Guoneng Baoshen Railway Group Maintenance Branch， Yulin 719316， Shaanxi China
）
Abstract：Carbon fiber composite materials are widely used in aerospace， rail transit， automobile and other fields due to their low density and good corrosion resistance. Based on this， this paper selects carbon fiber composite materials as the object， and on the basis of expounding the advantages and characteristics of carbon fiber composite materials and their use in different fields， creates a corresponding carbon fiber composite material bogie calculation model through the body-shell hybrid element. The static strength and fatigue strength are evaluated under abnormal and simulated operating load conditions. The results show that the bogie designed with T700 carbon fiber/epoxy composite material has a simple structure with good static and fatigue strength.
Key words：carbon fiber composite material; railway locomotive; design; bogie; fatigue strength
随着铁路交通行业的快速发展，各国把高度铁路运输列入用于缓解航空、水路及公路运输一种重要的途径，对机车速度、经济及其舒适性提出更高的要求。为达到铁路机车运行实际需求，机车应具有性能好、舒适度好、结构简单等优点。基于此，采用质量轻、性能好的复合材料代替传统金属材料制作铁路机车各部件成为发展的必然趋势。转向架是支撑铁路机车及承受车辆载荷，确保整个机车平稳运行的重要部件，对其开展轻量化设计成为必然的趋势。与传统钢材料相比，碳纤维复合材料具有抗击强度好、裂纹扩散迅速等优点，将其用于地铁机车转向架，对于机车轻量化、节能效果好等具有重要的意义。本文针对铁路机车转向架开展仿真计算，包含静强度、疲劳强度，结果表明：碳纤维复合材料用于设计铁路机车转向架强度能达到实际工况要求，其力学性能满足设计要求。
1概述碳纤维复合材料
1.1碳纤维复合材料主要优点
转向架是轨道交通车辆的重要承重部件，对机车安全、平稳性运行产生重要的影响。转向架质量占据整个机车质量40%以上，其减重效果对促进整个机车减重意义重大[1]。采用传统金属材料在确保强度基础上，转向架的减重空间比较小，无法达到轻量化这一目标。碳纤维复合材料显示出比模量及比强度高等特点，具有良好的减重效果，尤其对存在较高刚度或者变形要求这种结构。性价比、可靠性高：碳纤维复合材料用于飞机结构中已有数十年的历史，积累了丰富的设计、制造经验，技术比较成熟[2-3]。与金属结构相比，碳纤维复合材料性价比高、成本低等特点，成为结构轻量化目标得以实现的较好选择。运用碳纤维复合材料日益成熟的液体成型工艺，把一系列的零件依托机械连接完成复杂结构组间，简化成一次成型零件，不仅可以减少零件及其紧固件数量，还可达到低成本制造这一目标。必须注意，碳纤维复合材料液体成型工艺实际使用过程中，根据精确地管道输送及温度压力等指标自动控制为基础，但这种工艺应用并不是很广。液体成型工艺划分为树脂膜渗透（RFI）、真空辅助成型工艺（VARI）等。其中，VARI工艺主要优点在于无需预浸料、成本低、原材料利用率高，满足常温或温度不高大型壁板结构件的生产过程;RFI工艺中树脂沿着厚度方向进行流动，极易发生浸润纤维，无预浸料，但这种工艺获得的制品表明质量及尺寸精度不佳，适合用于生产大平面或者简单曲面零部件。
1.2碳纤维复合材料特点分析
铁路建设作为一项耗资较大的工程，且具有较高的修建成本、后期维护消耗大等特征，大比例使用碳纤维复合材料有利于降低地铁自重，缩减不必要能耗，这些节约量在长时间运营背景下也是比较可观的数据。新一代地铁通过先进的碳纤维复合材料制造转向架，能有效减少其维修保养频次，对于降低损耗及成本具有重要的意义。
碳纤维复合材料主要特点为质量轻、强度大等，成为比较理想的结构材料。有学者研究指出，与金属材料相比，较碳纤维复合材料强度、比模量高1～7倍，碳纤维复合材料与铝合金密度分别为2.7、1.57 g/cm，处于相同的结构下，采用碳纤维复合材料能够减重1/2。碳纤维复合材料强度、比模量依次是铝合金6～7倍、3～4倍[4-5]。但是，与金属材料有所不同，碳纤维复合材料不存在屈服过程，其能够随着载荷增加直到破坏。金属材料自身的疲劳强度一般仅占其静强度30%～50%，碳纤维复合材料疲劳强度则是其拉伸强度70%～80%，甚至更高[6]。碳纤维复合材料对于疲劳载荷不够敏感，抗疲劳损伤性能更强。金属材料发生疲劳破坏，如果裂纹扩展至相应的尺寸后，材料破坏展现出瞬时性、难以预测性等特点，从而降低其可靠性、安全性[7]。碳纤维复合材料对于扩展裂纹敏感度比较低，其纤维与基体界面能有效阻止裂纹扩展，即使发生损伤，也慢慢扩展，并未瞬时破坏，进行破坏前并未出现明显的征兆。碳纤维复合材料显示出良好的抗冲击性，如果受到碰撞可以吸收大量的能量。碳纤维复合材料、金属材料损伤扩算形式依次为面内分层、穿透裂纹，受损结构内碳纤维复合材料显示出持久的承载性能。如果处于恶劣的环境下，碳纤维复合材料耐腐蚀性更好，金属材料则应给予化学防护，其维护成本更高。
1.3碳纤维复合材料在各领域的应用
1.3.1航空航天领域
复合材料在航空航天领域具有成熟的应用经验，选取碳纤维复合材料对其结构进行设计，为这类材料在其他领域的应用提供一定的借鉴。从国防军工领域分析，碳纤维复合材料是航空航天制造中使用的主要原材料，在飞机主、次承载结构件及部分特殊位置使用随处可见。德国在20世纪80年代开始进行复合材料用于转向架方面的研究，德国联邦铁路公司与MBB公司及DAIMLER Benzj集团下属子公司之间进行合作，研制出这个时期世界上首辆采用复合材料设计的转向架。如今，国内外常把碳纤维/环氧马复合材料用于战斗机主翼、蒙皮、机身等位置，有利于提升飞机结构耐腐蚀及抗疲劳性能，对于飞机发挥着良好的减重效果。自民用领域分析，具有555座A380超大型远程宽体客机（如图1所示）因采用大量碳纤维复合材料创造航空飞行史的奇迹。飞机所用复合材料部件大于总质量25%，22%是碳纤维增强复合材料，3%则首次用到民用飞机GLARE纤维—金属板材料[8]。所用复合材料部件包含减速板、整流罩等结构。
1.3.2建筑工程
复合材料在建筑领域也有非常广泛的应用，例如：桥梁、高层建筑等，湖南湘西的矮寨大桥，如图2所示。
在2012年3月31日正式通车，这也是世界上跨峡谷跨径最大的钢桁梁悬索桥，其预应力筋材使用碳纤维，把吊索相应的拉力传送至地面。与传统钢绞线比较，采用碳纤维预应力筋材料展现出高强度、密度低、耐腐蚀等特点，有利于提升整个桥梁的安全裕度[9]。
1.3.3体育器材领域
复合材料具有良好的设计性，从而为其在体育器械领域提供良好的条件。各种体育器械对其性能的要求有所不同，例如：强度、尺寸、刚度等。通过碳纤维复合材料制作钓鱼竿，因其具有良好的抗弯稳定性，在羽毛球拍、滑雪板等体育器械中得到广泛的应用。
1.3.4车辆制造领域
复合材料在汽车制造领域具有非常广阔的应用空间，可用于制作保险杠、方向盘、发动机等部件。如：日本东丽公司是世界上较大的合成纤维生产制造企业，在2011年12月3日东京车展上展示概念车TEEWAVE AR1，如图3所示。
这辆车作为一款敞篷概念跑车，整个车采用0.16 t碳纤维复合材料用来制造车体、轮毂等部件，能有效减少钢板用量。这辆跑车整车质量明显超越普通同款车辆刚性、安全性，且整車强度、安全度有明显的提升。
2碳纤维复合材料在有限元中的应用
2.1有限元基本方式
有限元法作为工程领域使用广泛的计算方式，对非线性、复杂边界条件等问题进行处理比较方便。有限元分析法基本思路就是把物体看成由有限单元构成的整体，依托对单元节点位移或应力实施求解[10]。在有限元分析中，可选取节点位移或应力当做变量，按照所取变量差异，计算包含位移法、混合法等，位移法就是使用最多的方法，其步骤如图4所示。
2.2ANSYS及其在碳纤维复合材料中的应用
ANSYS是美国公司研发的融合结构、电磁学等为一体的大型有限元分析软件，在航空航天、造船、水利等方面具有广泛的应用价值。ANSYS配置与不同CAD软件相应的对接接口，顺利完成数据传输、共享操作，便于开展工作。ANSYS分析主要步骤：前处理旨在对三维实体模型及有限元模型进行创建、处理;定义载荷及其边界条件，再次核查载荷信息、单元类型、边界等信息，设计求解控制选项完成计算;ANSYS主要提供2个后处理，包含一般后处理：用来显示、输出模型在某个时刻、载荷步求解结果;时间历程后处理：查看模型在某个时间范围内模型指定节点计算结果会由于时间的变化而改变，这也是瞬态问题进行处理时常用的模型。利用后处理器观察结算结果，并对其结果展开分析[11-12]。依托颜色云图、等值线图等方法检查计算结果，也可借助直线查看数据文件对计算结果展开分析。
工程应用领域，比较常见的复合材料就是通过高性能纤维或叠层物组合起来，例如：碳纤维环氧树脂等材料。与传统各向同性材料比较，建模过程更加复杂。碳纤维复合材料力学性能与材料主方向存在密切的关系。基于此，要重点关注挑选单元类型。ANSYS软件支持采用专门层合类型单元对碳纤维复合材料三维网格单元予以定义及分析。通过ANSYS软件对碳纤维复合材料开展计算，单元选择：对不同结构及其计算结果的要求，通过ANSYS软件对碳纤维复合材料结构进行分析，提供一些单元类型，如表1所示。
ANSYS模型创建包含直接建模、CAD软件导入这2种方式，对简单模型能直接放在ANSYS软件内实施建模，对复杂形状模型，支持在CAD建模内开展接口导入，有利于节省建模时间[13]。叠层结构作为复合材料的主要特征，每层主方向也有所不同;叠层属性配置方法如下。各叠层开展属性定义：这种方式自下至上逐层进行叠加，如果叠加是对称结构，可只对一半叠层材料进行定义[14]。一般情况下，模型部分层出现在某个特定位置，对属性进行定义时，部分丢失层单元可把其厚度定义成零，从而了解层合板结构的连续性。对每个单层，可依托界面定义命令定义各项参数，也可借助制定截面形状对单层予以定义。各参数包含铺层后、材料属性等。层定向角作为2个坐标系X轴间的夹角，缺省条件下，层与单元坐标系之间的夹角是0°。铺层厚度，即当每一层厚度是常数，用户只要定义节点厚度;反之，必须依次输入几个节点厚度，促使层厚度缩减至零。不同层积分点数目用来评估各层求解结果精度。对比较薄的单层，如果与其他层一同使用，仅采用一个积分点即可。对层数比较少的叠层结构，积分点数量需要随之增加，缺省状态下节点数一般定义成3。
3铁路机车转向架模型设计
转向架作为铁路机车一种重要的承载结构，也是安装其他零部件的基础，其是否可靠直接影响铁路机车安全运行及其行驶质量。基于此，转向架结构强度是否达到设计要求，与铁路机车安全、可靠的运行存在密切的联系。文中铁路机车转向架通过T700碳纤维/环氧复合材料展开设计。其通过一体成型工艺完成设计，包含左、右纵梁和中间横梁，上部设计空气弹簧座，2根横梁外侧包含齿轮箱传动系统、横向止挡座等。由于碳纤维复合材料弹性比较好，转向架设计中取消传统横、纵向减震器，对轴箱定位系统实施优化处理，通过拉板结果为其提供较大的横、纵向刚度用于承担单方面的载荷; 轴箱弹簧只是提供垂向刚度，完成相应的定位刚度解耦，为定位系统提供合理的静挠度[15-16]。转向架材料力学参数如表2所示。碳复合材料经缠绕成型为单向板，后通过加热成型等方法制作完成。
4转向架疲劳及静强度计算
对铁路机车转向架强度计算载荷根据《动力单元—转向架和走行机构—转向架架构结构强度试验》相关规范[17]，依次对其超常、运营状态下的载荷展开计算。其中，超常载荷旨在评估转向机的静强度，模拟运营载荷用来判断其疲劳强度。
4.1建立有限元模型
转向架属于H形封闭箱型梁结构，其主体使用碳纤维复合材料，由CATIA创建三维模型，通过壳单元和实体单元相结合的方式完成有限元离散处理。转向架主体选取四边形SHELL191单元，不同支撑座挑选六面体SOLID45单元，均为8节点，针对壳体一壳单元之间存在的自由度不够协调问题，通过MPC算法予以处理。合理设置壳体一壳单元之间的接触关系，通过按照要求对其连接参数进行设定，一系轴箱依据转向架受力状况创建相应方向的弹簧单元，便于模拟实际状况。根据上述要求，转向架有限元模型通过多个实体单元、壳单元及节点构成，结果如图5所示。
4.2转向架载荷及工况
4.2.1超常及模拟运营载荷
超常载荷作为转向架实际运行过程中可能出现的最大载荷，超常条件下，转向架载荷包含其自身所出现载荷及不同部件反作用载荷[18]。超常工况条件下垂向载荷根据轴重求解：
4.2.2强度评价结果分析
（1）静强度。根据碳纤维复合材料最大的应力失效准则，其破坏过程均为逐层失效的，如果承受应力满足材料的最低强度要求，这一层开始失效，复合材料层合板中应力需要重新分配[19-20]。当材料主方向任意一个满足材料相对应的强度值，会出现破坏。最大应力失效准则具体条件下为：
某些运营及超常载荷不同工况条件下转向架最大压应力、拉应力等指标如表3所示。
由表3可以看出，碳纤维复合材料转向架在超常（工况14）以及短路（工况18）状态下压缩安全裕度比较低，最低值为1.05，最大、最小主应力主要处于一系拉板安装座及其二系簧座位置，成为转向架承受拉压应力最大的部位，为结果比较危险的区域。这表明，对不同静载荷条件下转向架静强度进行求解，拉、压安全裕度均超过1，满足静强度评估要求。
（2）疲劳强度。对13种工况下计算结果最大、最小主应力予以提取，将经验Goodman曲线每一个点坐标均通过（S，S）形式出现，根据下列式子求出节点的平均应力S及其应力幅值S。
（3）通过一系列的计算，文中制定共13个疲劳工况，把转向架母材不同节点平均应力及应力幅值放入Goodman疲劳曲线内展开对比，上述节点均处于母材疲劳曲线之内，碳纤维复合材料转向架主体结构疲劳强度达到设计要求，比较危险的节点参数如表4所示。
5结语
综上所述，对起停频繁的地铁机车而言，碳纤维复合材料用于转向架設计，不仅可以降低机车运营能耗，更能助力中国碳纤维复合材料在转向架领域的进步，促使中国高铁在国际市场中更有竞争力，充分显示出新型轻量化材料的功能。
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