轨道交通车辆用复合材料设计及应用标准现状思考

武舒然

（北京轨道交通技术装备集团有限公司，北京 100071）

轨道交通装备的发展追求更轻量化、更低全寿命周期成本等要求，复合材料是未来轨道交通车辆设计使用的最佳选择之一。随着人们对于复合材料的研究越来越深入，纤维增强体（如碳纤维、玄武岩纤维和竹纤维等）更多地被发掘出来，功能性（防火、导电等）的树脂基体也被开发出来，先进的生产制造工艺（RTM、VARI、预浸料真空袋压OOA和3D编织等）也应运而生[1]。先进复合材料作为结构材料和功能材料在轨道交通行业中得到越来越广泛的应用。

复合材料具有较高的比刚度和比强度，有更高的性能可设计性，同时拥有优异的疲劳性能、耐腐蚀性能，能够实现结构/功能一体化，因此得到广泛应用。轨道交通车辆中应用到复合材料最多的有传统玻璃钢制品、预浸料制品和蜂窝复合三明治结构等。高铁/高速磁浮车辆的整车范围内应用广泛（碳纤维、纸蜂窝复合结构和中空织物等），尤其车头、设备舱、裙板及内饰件等部位。

虽然复合材料甚至碳纤维材料应用越来越多，但由于历史相对较短，当前轨道交通行业使用的复合材料在技术标准上并不够完备，还无法完全满足复合材料开发应用需要，因此建立轨道交通车辆用复合材料测试和试验标准，搭建数据库具有重要意义（图1）。

图1 车辆用复合材料示意图

1 复合材料结构设计及应用

复合材料设计流程复杂，需要经过总体方案设计阶段、研发打样设计阶段及详细设计阶段，通过理论研究与试验验证综合判定方案可行性，如图2所示。在研发设计阶段，材料选型是很重要的部分，涉及材料许用值和结构设计值。同时，要建立材料规范、工艺规范，最小程度降低工艺变量对材料的影响，作为材料鉴定的重要部分。一个产品的全设计过程需要经过反复验证。

在轨道交通行业中，同样是按照图2流程进行设计。在目前的应用案例中，通常是结合运行环境，根据部件特点，选择合适的复合材料及层压板设计结构。现应用最为广泛的复合材料为玻璃纤维复合制品，若是考虑到轻量化或者其他功能需求，则考虑用碳纤维预浸料制品或者功能性材料，实现重量与成本的综合设计。结合仿真验证及试验验证，过程中发现缺陷再进行结构优化。

图2 复合材料结构设计流程

金属材料有足够的材料试验数据，相关标准和设计值可以直接从材料手册中查到，但复合材料的材料性能表征极为复杂。由于复合材料结构缺乏成熟的分析方法和足够的设计与使用经验，为保证其结构完整性，复合材料比金属结构更依赖于试样、元件、组合件和全尺寸部件等多个层次的设计验证试验方法来保证，即图3中的积木式验证方法。对于全尺寸部件的结构试验，按照实际的综合环境效应往往不可实现，因此最终验证缺乏可信度，但经过恰当组织的积木式验证，可以保证复合材料结构的强度验证在总体上是完整的[2]。

图3 复合材料积木式验证示意图

材料许用值是在一定的载荷类型与环境条件下，由单层级（试样）试验数据，按规定要求统计分析后确定的具有一定置信度和可靠度的材料性能表征值，是对材料体系力学性能的表征，是设计选材的主要依据。只有按照材料标准采购和现工艺规范制造材料，所确定的许用值数据才是认证机构可接受的。在设计时应注意并非材料性能越高越好，在一定范围内的数值才有足够的参考价值。

结构设计值在通常情况下是根据所设计具体结构的完整性要求（通常为强度、刚度、耐久性和损伤容限，包括满足使用条件下损伤无扩展要求），在代表结构特征的大量元件试验结果（设计许用值）基础上，结合设计师的设计和使用经验来确定的，并通过组合件（加筋板、接头等）进行验证。试验检测并非越多越好，根据主要影响因素，关注样品的破坏模式，获得需求的材料组合即可。增强纤维主要影响产品纤维方向的强度，浸润剂及胶粘剂主要影响界面性能，树脂主要影响热性能、层间性能、材料的韧性及某些化学性能。

国外用于轨道交通装备上的复合材料多为碳纤维或玻璃纤维增强复合材料，逐步从非承载结构扩展到主承载结构，典型案例包括日本新干线N700系、日本川崎重工开发的“efWING”转向架和韩国TTX摆式特快列车等，应用相对成熟，减重效果良好。国内对轨道交通装备复合材料的研发工作起步虽晚但进展迅速，应用越来越广泛。标准动车组的发展向世界展示了中国速度，成为中国对外的一张名片，在车辆中大量应用了轻量化复合材料，也实现了车辆的减重。

随着我国轨道交通行业车辆设计速度逐步提升，多耦合作用复杂性突出服役环境的复杂多变、重量—强度/刚度—载荷等矛盾突出、安全—防火等性能要求和节能环保等要求，材料性能要求更加苛刻，碳纤维CFRP复合材料成为提供解决方案的重要材料。碳纤维复合材料密度低，比强度和比模量高，还具有耐腐蚀、耐高温、耐摩擦、抗疲劳、电及热导性高、热及湿膨胀系数低、X光穿透性高和非磁体但有电磁屏蔽效应等特点。中车长客的光谷量子号，2018年在武汉东湖线投入运营，世界首辆碳纤维地铁车体，减重25%（理论可达35%）；中车四方的CETROVO（下一代地铁），亮相2018年柏林国际轨道交通技术展，全车碳纤维，车体减重30%，如图4所示。除此之外，碳纤维材料在车辆外部裙板及设备舱等部件也有研究应用。

图4 碳纤维车体及转向架

现阶段轨道交通车辆的设计流程依托于结构仿真，在结构造型、材料铺层设计之后，进行强度分析，并通过不断修改迭代，得到可靠方案。但基本的结构设计还是依托于金属结构，复合材料特性未得到充分发挥，对于设计师来讲也缺乏详细的参考标准。

2 复合材料标准现状

任何材料的研发和应用与标准化的支撑是密不可分的。目前标准化组织和标准体系包括国际标准化组织（ISO）、欧洲标准化委员会（CEN）、国家标准（GB）、美国试验和材料协会（ASTM）及其他标准（欧洲宇航标准、企业标准等）。

2.1 国外标准现状

高性能纤维增强复合材料诞生于60年代初，由于设计的需求，提出了复合材料力学性能的测试要求。由于对复合材料的特性和破坏机理认识很少，当时这些标准的制订主要参照相应的金属力学性能标准。迄今为止，复合材料力学性能表征方法的研究有了突飞猛进的进展，也结合复合材料飞机构件的使用经验，对相关测试标准经多次修订和增添，得到广泛认可后成为美国材料试验学会（ASTM）标准。

2.2 国内标准现状

国内复合材料应用发展较为迅速，但相关标准还不够成熟。我国各类别材料标准的分布情况[3]见表1，其中国内关于复合材料的标准非常少。

表1 国内现有标准情况

国内复合材料力学性能的测试标准可以分别从国家标准（GB体系）、国家军用标准（GJB体系）和航空工业行业标准（HB体系）中发现适用的标准。我国最早开展复合材料研究，是用于飞机结构。由于设计的需求，在1980年初期开始提出复合材料力学性能测试要求，并制订了首批测试标准。当时虽然也开展了一些标准试验方法的研究，但基本上是对当时ASTM标准的消化理解和国产化。截至本世纪初，相关标准还处于落后阶段，无法满足新材料和新型号的研制需求。

与ASTM相比，国内标准一般只针对单项复合材料的检测，而不适用于多向或织物复合材料；国内标准只适用于实验室的标准环境条件下的试验，对非实验室条件下的试验方法有待完善；国内标准中缺乏对于破坏模式的要求。以上种种问题均反映了国内复合材料设计标准的匮乏。

通过基本的力学性能测试，能够获取材料规范制定、强度分析与结构设计所需的基本性能数据。通过采用与结构设计铺层相同或等效的层压板各类力学性能试验（无缺口拉伸试验、无缺口压缩试验、开孔拉伸试验和开孔压缩试验等），获取后续结构验证、结构设计与强度校核所需的拉伸设计许用值、压缩设计许用值和剪切设计许用值等。所以针对复合材料相关标准的制定是设计基础，具有非常重要的意义。

复合材料设计值的确定涉及多种典型铺层和多种结构特性（如开孔、充填孔、挤压和冲击后压缩等），材料性能又与制造商的工艺有关，而此部分涉及专利特性，不易为其他研究单位获得，因此综合来讲，建立复合材料数据库这样庞大的工作开展起来非常困难且难以普及[4]。

2.3 轨道交通行业标准应用

目前，全国纤维增强塑料标准化委员会（SAC/TC39）归口制订/颁布了一系列复合材料力学性能测试的国家标准（GB/T 28891、GB/T 3354和GB/T 3355等），达到了国际先进水平。由于复合材料的复杂特性，不同行业的设计准则不同，航空、风电等行业的特有设计准则并不完全适用于其他行业。轨道交通行业标准比较局限，没有针对轨道交通行业的专用标准，层合板标准一般是按照GB/T 1446纤维增强塑料系列测试方法，即按照一般复合材料的设计基准来评判，且一般针对于较为规则的材料铺层结构。碳纤维材料和其他复合材料相同，也还没有形成轨道交通行业标准。

目前轨道交通车辆的内饰件、车头及车外设备等部件均有复合材料应用的身影，但针对金属结构来讲，复合材料的应用设计经验仍相对缺乏，大多数情况下复合材料设计师还是会依据经验沿用金属结构进行设计[5]，且经常将复合材料与金属结构配合使用，设计经过仿真计算没有问题，但经常会由于考虑安全造成设计冗余，无法较好地发挥出复合材料多元化设计及轻量化设计的优势。

因此，在积累经验的基础上，需综合轨道交通部件自身的特点，结合软件仿真及组件试验验证，积累基础数据，建立数据库，通过大量尝试逐渐摸索出适合本行业的结构件复合材料设计准则。

3 结束语

复合材料具有优异特性，随着工艺水平的不断提高，应用前景更加广阔，但复合材料设计过程较为复杂，需要基础力学测试标准和工艺规范的支撑，需要经过大量试验验证。轨道交通行业的复合材料应用案例相对较少，相关数据积累相对较少，行业内亟需建立起复合材料相关标准，积累起完备数据库，更好地指导车辆轻量化结构设计。