復合材料車體連接結構性能分析及測試

武娟娟，郭金城，萬志華，景化冰，邱海峰

(中車唐山機車車輛有限公司，河北 唐山 063000)

0 引言

隨著軌道交通車輛的發展，列車運行速度提升，節能環保等需求不斷提高，軌道交通車輛的輕量化設計成為新一代列車研制的重要方向及難點之一。采用輕質高強復合材料替代現有材料是直接有效的輕量化方法。目前在役的低速列車車體一般采用碳鋼或不銹鋼材質，高速動車組車體采用鋁合金材質。相比鋁合金等輕質金屬材料，碳纖維復合材料具有輕量化、高強度、高耐候的優異綜合性能，且在風電、航空、航天、船舶等大型裝備領域具有較成熟應用，成為實現軌道交通車輛輕量化目標的優選方案。

近些年，研究人員對復合材料車體設計及制造技術進行深入研究并取得一定成果。2018年中車四方股份公司與中德軌道交通技術聯合研發中心自主研發的碳纖維材料地鐵車輛亮相柏林國際軌道交通技術展，碳纖維增強復合材料在車體結構中的使用率達到了70%，其重量與傳統鋁合金車體相比減輕30%；同年，中車長客股份公司研制的全碳纖維復合材料地鐵車體下線，該車體采用薄壁筒形整體承載結構，車體外形尺寸為19 000 mm×2 800 mm×3 478 mm，車體減重30%以上，抗振動能力也較同類金屬車體提高了18%以上；太原科技大學劉東強[1]等人針對節能車輕量化和穩定性的要求,提出了一種一體化車體制作方案，該方案采用碳纖維真空導入工藝，在保證車體力學性能的情況下有效減輕節能車的重量。通過研究發現，若采用一體成型，由于車體尺寸大，模具及工藝成本高，批量化生產效率低，市場難以接受。中車唐山公司劉宇[2]等人研究了模塊化車體結構，通過車體部件的模塊化設計，再采用膠鉚連接方式進行部件連接，在重量與成本之間尋求平衡。

復合材料部件的力學性能常常會因為連接處的薄弱而嚴重下降，連接是復合材料車體制造的關鍵步驟，研究復合材料部件之間的連接技術有利于提高車體整體性能。

1 復合材料部件連接技術

華東交通大學黃志超[3]等人對比了復合材料傳統機械連接、膠接連接、縫合連接、Z-pin連接、混合連接、冷碾鉚接等連接技術的優缺點及應用性。結果表明：在復合材料連接工藝中，機械連接技術成熟、運用最廣泛，混合連接是機械連接的拓展，縫合連接和Z-pin連接常作為輔助連接，膠接技術逐漸成熟。

根據力學性能需求，目前軌道交通復合材料車體的基材為環氧樹脂，熱固性復合材料可以使用的連接方法一般為機械連接和膠接。機械連接無需進行表面處理，不受熱循環及高濕度環境的負面影響，具有較好的承載能力，容易檢測，因此得到了廣泛應用。F-22戰機的每個機翼需要的螺栓孔在一萬以上，但是機械連接引入的開孔導致應力集中會影響復合材料的強度[4]。膠接是將兩種物理化學性質不同的材料通過膠黏劑粘接成型為一個具有一定力學強度的接頭的過程，膠接同時可滿足密封性能。因此，目前軌道交通車輛車體部件之間的連接通常采用膠鉚連接方式，在滿足強度需求的同時也滿足密封性能。影響接頭強度的因素較為復雜，Ahmad[5]等人將力學性能實驗與有限元仿真進行結合，在準靜態加載的情況下較好地預測了碳纖維復合材料層合板螺栓連接結構的雙剪破壞模式，得到的力學性能數據與之吻合性較好。

為探究復合材料車體部件間的連接結構的力學性能，截取復合材料車體分段對接處局部結構進行驗證試驗，連接接頭位置及連接形式如圖1及圖2所示。以工字梁結構作為典型連接結構，采用鉚接和膠接混合連接方式，對連接結構使用abaqus軟件進行仿真分析，并制備連接結構樣件對其進行力學性能測試。

圖1 分段式車體結構

圖2 A-A部件連接結構

2 連接結構模擬仿真分析

2.1 有限元模型建立

根據模型對稱性，建立一半模型并加載對稱約束。鉚釘孔周圍細化網格，最小尺寸為0.5 mm。復合材料蒙皮使用連續殼單元SC8R，根據蒙皮厚度在厚度方向建立3層或6層單元。膠層根據實際厚度建立實體cohesive單元COH3D8。鉚釘建立實體單元C3D8R，與復材件建立約束，鉚釘與周圍復材結構建立摩擦接觸。整體有限元模型如圖3所示。

圖3 整體有限元模型

復合材料連接處層合板使用準各項同性鋪層方式；結構膠定義初始破壞強度；泡沫簡化為彈性材料，沒有考慮其破壞性能；鉚釘使用鋼材料。材料參數見表1。

表1 材料參數

2.2 復合材料損傷準則確定

復合材料層合板的失效使用hashin準則，該準則可以區分纖維拉伸、纖維壓縮、基體拉伸和基體壓縮4種損傷模式，其判定標準如下:

纖維拉伸失效(σ11≥0)：

纖維壓縮失效(σ11<0)：

基體拉伸失效(σ22+σ33≥0)：

基體壓縮失效(σ22+σ33<0)：

復合材料接頭膠層的破壞采用Abaqus中的cohesive模型，將材料描述為Ⅰ型張開型裂紋、Ⅱ型滑開型裂紋、Ⅲ型撕開型裂紋三種模式(圖4)，并分別輸入每種模式對應的模量、強度和斷裂能。膠層的失效采用traction-separation準則，膠層分層由峰值強度(N)和斷裂能力(GTC)表征，膠層初始損傷采用二次應力交互準則。

圖4 膠層失效裂紋模型

2.3 模擬仿真計算結果

將連接接頭一端固定約束，假設將夾持區域等效為剛性，有限元模型中忽略金屬結構區域，在另一端直接加載位移約束。

經Abaqus有限元軟件模擬仿真計算，拉伸工況下，當支反力達到71.68 kN時，中間膠初始失效；當支反力達到79.35 kN時，中間位置基體拉伸失效(圖5)；支反力達到92 kN后，發生基體破壞(圖6)，但暫未影響其承載力。

圖5 中間膠初始失效

圖6 中間位置基體拉伸失效

壓縮工況下，當支反力達到92.45 kN時，泡沫最大應力超過其強度值發生初始破壞(圖7)；當支反力達到138.9 kN時，兩側膠層初始失效(圖8)。

圖7 泡沫初始破壞

圖8 兩端膠層初始失效

仿真計算結果表明，在拉伸載荷工況下，該復合材料連接結構件中間位置性能較弱，膠層、基體先發生破壞；壓縮載荷工況下，首先發生泡沫斷裂，然后是兩端膠層破壞，并得到相應的破壞強度。

3 連接結構力學性能測試

3.1 連接結構樣件制備

連接結構樣件的原材料選用25K碳纖維雙軸向經編織物預浸料，纖維方向為0 °和90 °，面密度為400 g/m2。上下蒙皮鋪層設計為[(+45/-45)/(0/90)]s，樣件中工字梁、端部C型封口件鋪層設計為[(+45/-45)/(0/90)]2s。膠接部分選用7240結構膠，楊氏模量為3 500～4 000 MPa。樣件及各組成部分采用袋壓成型工藝進行制備。

根據連接結構尺寸要求，在樣件上開孔并拉鉚連接，開孔時在鉆頭鉆出面用厚制板靠緊樣件以減少樣件表面纖維的破壞，開孔完成后在孔內使用鉚釘進行拉鉚，鉚釘為SLP-UP-R7。對樣件進行檢測，樣件長度為500 mm，寬度為210 mm，粘接面厚度為9.5 mm，粘接平面度為0.55 mm，制件整體質量為5 882 g。連接結構樣件如圖9所示。

圖9 連接結構力學測試樣件

3.2 連接結構性能測試

力學性能測試環境溫度為23 ℃±3 ℃，相對濕度為50%±10%，測試設備為微機控制電子萬能試驗機。將試驗樣件安裝在實驗室固定支架上進行拉伸及壓縮性能測試，如圖10所示。

拉伸力學性能測試結果如圖11、圖12所示，壓縮力學性能測試結果如圖13、圖14所示。

圖11 拉伸測試載荷—位移

圖12 拉伸測試0 °方向應變—載荷

圖13 壓縮測試載荷—位移

圖14 壓縮測試0 °方向應變—載荷

拉伸力學性能測試實驗中最大破壞力為199 kN，此時位移為3.34 mm，應變片測試點最大應變均超過3 000微應變。壓縮力學性能測試實驗中最大破壞力為113.9 kN，此時位移為2.06 mm，應變片測試點最大應變均超過570微應變。拉伸失效后樣件上下表面無變化，側面有裂紋產生。由試樣斷口可以發現，試樣失效主要原因為工字梁層間開裂。試樣失效模式與仿真結果基本相同。樣件裂紋如圖15所示。

圖15 樣件側面裂紋

4 結論

本文選擇分段式車體部件之間的工字梁膠鉚連接結構作為復合材料連接結構的典型樣件，使用abaqus軟件對碳纖維增強復合材料、PET泡沫、玻璃鋼組成的連接方式為膠接鉚接混合的樣件進行有限元分析并進行試驗室測試。試驗表明，該連接結構在施加拉伸載荷情況下工字梁處發生拉伸破壞，損傷方式為層間剝離，樣件失效模式與仿真結果基本相同。試驗數據可用于復合材料車體車身分段對接處的連接整體設計的仿真分析輸入及判定依據。后續若提高該結構的承載性能，可通過加強工字梁設計進行性能提升。