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轨道交通装备复合材料设计问题及开发过程探讨

1轨道交通装备复合材料发展背景及现状

节能、绿色、环保、高效是轨道交通车辆发展的主要趋势和总体

要求。各种新材料、新工艺和新技术的涌现推动轨道交通车辆的不断

升级换代，必然要求轨道交通车辆的轻量化水平逐步提高。轻质化的

车辆可以降低运营能耗，改变中国高铁运营一直亏损的状态，提高中

国轨道车辆的国际市场竞争力。先进复合材料比金属材料更加优异的

力学性能和更轻质的特点，逐步成为替代铝合金材料的首选。

先进复合材料（主要指纤维增强树脂基复合材料）作为各向异型

材料，区别于以往的各向同性金属材料，且工艺选择多种多样，材料

复合方式多种多样，整个设计过程完全不同于金属材料。复合材料作

为内饰已经广泛应用于轨道交通，如天花板、内壁、座椅、小桌板、

格子间等。但是要达到大幅减重的目标，只有通过主/次承载结构材

料的复合材料化才能实现，主/次承载结构的复合材料结构设计需要

在保证原有安全性、可靠性及功能性的基础上实现比铝合金材料较多

的减重效果，需要攻克许多设计上的难题。先进复合材料的结构设计

本身就是一门很深的学问，尤其是对刚刚引进吸收国外先进技术的轨

道交通行业，很多设计准则问题还没有确定，需要不断优化、总结、

提高和再创新，轨道交通车辆复合材料设计领域充满了无限的发挥空

间。

近些年，中国轨道交通装备发展取得举世瞩目的成绩，成为中国

制造的闪亮金“名片”，中国高铁产业发展尤为迅速，高品质、高要求、

重创新，各种新材料、新工艺和新技术引入不断给高铁装备注入新的

活力。轨道交通车辆提速必然要求軌道交通装备的轻量化，除了改进

结构设计提高设计效率之外就是采用更轻质高强的材料，纤维增强的

复合材料因其较高的比强度和比模量成为首选。但是由于纤维增强复

合材料的各向异性特征，在设计过程中有别于之前的各向同性的金属

材料，且复合材料的特殊性质与金属材料不同，在进行功能性设计时

仍有许多要注意的事项。

2轨道交通车辆复合材料结构设计存在问题

2.1尺寸限界限制

在轨道交通车辆设计步骤中，首先要按照中国国家铁路集团有限

公司（以下简称“国铁”）的技术要求规格书进行设计，限制尺寸限界，

对于一些非关键性尺寸限制较多，使得原有结构在使用复合材料替代

时，在设计上没有充足的发挥空间。

2.2运营方的固定要求限制

国铁在招标之前会有对于车辆的外形及功能要求限制，包括车内

设备的安装、总体积、选用材料等，因为对于新材料的应用案例较少，

且复合材料与原有金属的本质属性不同，要求应区别于原金属材料，

因此受到较多的设计限制。

2.3实验数据不充足

对于轨道交通复合材料的应用结构设计，不仅需要车辆结构样件

的大量测试数据也需要大量材料基础试验数据的支撑，在材料选择之

初，足够的试验数据是复合材料设计值和许用值选用的基础。目前，

复合材料数据库大部分仍沿用美国CMH17协调委员会编著的《复合

材料手册》，随着材料技术的进步和成型工艺手段的不断发展，原有

的复合材料手册的数据已经不足以支撑现有的设计，亟需从国家或者

行业层面发起建立复合材料的数据库。

2.4设计准则不确定

复合材料的设计过程，不同的行业采用的设计准则不同，如风电

行业和航空航天行业研究多年自有一套自己的设计准则。对于轨道交

通而言，性质介于二者之间，又区别与二者，不能完全借用。基础力

学问题没有明确的设计准则的支撑，需要综合轨道交通自身的特点，

摸索出适合本行业的结构件复合材料设计准则，建立复合材料设计标

准。

2.5设计人员经验限制

轨道交通车辆的设计人员多为金属材料设计领域出身，对于复合

材料这种全新的物理属性材料接触时间不长，缺乏复合材料设计知识，

受限于以往的案例经验。他们不能够充分发挥复合材料的优势，对于

特定结构的设计只是采用简单的材料替代方法；对车辆的结构并没有

进行合理优化；选材过程没有可有效参考的准则或标准；对于成型工

艺手段没有充分的认识，造成过度设计，采取了较高的安全系数，达

不到有效减重的目标，不能发挥复合材料的优势。

针对以上在轨道交通车辆结构件复合材料设计过程中的关键性

问题，我们非常有必要根据现有国内外设计规范及准则，摸索总结出

适合我国轨道交通结构件复合材料设计的研发流程规范、设计准则、

标准规范及验证评价规范等一系列标准规范，指导后续产品开发及应

用。

3轨道交通车辆复合材料结构设计分析