Wraz z szybkim rozwojem branży transportu kolejowego w Chinach, a także nową koncepcją rozwoju oszczędzania energii i przyjazności dla środowiska, lekkość stała się przedmiotem zainteresowania nowoczesnego projektowania i produkcji pojazdów. Kompozyty z włókna węglowego charakteryzują się lekkością, wysoką wytrzymałością, odpornością na korozję, niskim kosztem i łatwością projektowania, przetwarzania i modyfikacji. Jest to ważny sposób na uświadomienie sobie lekkości karoserii.
- Dobór materiałów i projektowanie konstrukcji
Tradycyjna osłona kabiny metra jest wykonana z tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem szklanym, które jest wykonane z materiału warstwowego z pianki z włókna węglowego. Składa się z dwóch cienkich i sztywnych paneli kompozytowych z włókna węglowego jako lekkiej i wytrzymałej konstrukcji, która składa się z paneli wewnętrznych i zewnętrznych oraz grubego i lekkiego rdzenia piankowego.
Charakteryzuje się wysoką wytrzymałością właściwą, wysokim modułem właściwym, dobrą udarnością, pochłanianiem dźwięku, pochłanianiem drgań i izolacją cieplną. Materiał wzmocniony włóknem węglowym jest wykonany z T700 i żywicy epoksydowej, a rdzeń warstwowy to pianka T90.150. Osłona głowy kabiny metra wykorzystuje technologię zintegrowanego formowania autoklawu, a przednia szyba jest zainstalowana pośrodku, a otwór montażowy lampy jest zarezerwowany. W wielowarstwowej konstrukcji maski kabiny warstwa środkowa pełni głównie rolę płyty nośnej i formowania maski.
- Optymalizacja wolnego rozmiaru
Zgodnie z ogólnym układem wymiarów wewnętrznych i zewnętrznych paneli maski kabiny, orientacja włókien jest ułożona wzdłuż kierunku przenoszenia siły warstwy, a wymagania dotyczące obciążenia ścinającego i zginającego są zintegrowane, aby zmaksymalizować wysoką wytrzymałość i sztywność włókna kierunek osiowy.
Liczba kierunków warstw powinna być jak najmniejsza. Ogólnie przyjmuje się cztery kierunki warstw: 0 °, 90 ° i ± 45 °. Wśród nich warstwa 0 ° ma korzystny wpływ na przenoszenie i nośność siły osiowej; Warstwa ± 45 ° działa buforowo na obciążenie ścinające i bardzo pomaga w poprawie procesu; Warstwa 90 ° może kontrolować sztywność boczną i dostosowywać współczynnik Poissona. Przy faktycznym wytwarzaniu konstrukcji przez firmę Bosch, grubość każdej warstwy jest całkowitą wielokrotnością minimalnej grubości pojedynczej warstwy, a łącznie stosuje się 16 warstw o różnych kształtach. Grubość każdej warstwy wynosi 0.15 mm, a stosuje się odpowiednio 6/6/2 warstwy 0 °, 90 ° i ± 45 °.
3. Optymalizacja kolejności układania
W projektowaniu optymalizacji strukturalnej kompozytów z włókna węglowego na bazie laminatów konieczna jest optymalizacja kolejności układania w stos. Kolejność układania materiałów kompozytowych nie tylko wpływa na właściwości mechaniczne laminatów z włókna węglowego, ale także wpływa na proces.
Ponieważ kształt każdej warstwy jest wycinany przy optymalizacji dowolnego rozmiaru, wiele warstw nie jest w pełni zakrytych w wewnętrznych i zewnętrznych panelach okapu, więc układ kolejności układania jest ogólnym układem, a faktyczne układanie w lokalny obszar okapu będzie inny.
Aby poprawić ogólną wydajność formowania warstwowej struktury piankowego rdzenia maski silnika i uniknąć nagłej zmiany stopniowanej grubości w obszarze zmiany grubości laminatu, wewnętrzną i zewnętrzną powierzchnię laminatów warstwowych należy całkowicie pokryć zakryć ogólną strukturę kaptura. Jednocześnie, w celu poprawy odporności nakrycia głowy na uderzenia, w najbardziej zewnętrznej i wewnętrznej warstwie wyników optymalizacji sekwencji układania dodano warstwę pełnej skali ± 45 °.
4. Określenie wyników optymalizacji
Po serii optymalizacji projektowania i ciągłych modyfikacjach technologii układania, ostateczna jakość osłony kabiny z włókna węglowego wynosi 27%. Pełnowymiarowa struktura o jednakowej grubości przed optymalizacją wynosi 188.4 kg, a zoptymalizowana jakość jest zmniejszona o około 137.5 kg. Oryginalna jakość maski kabiny z włókna szklanego wynosi 218.4 kg i przyjęto jakość konstrukcji warstwowej z pianki CFRP. Zmniejszył się o około 37%.
Można uniknąć strukturalnej redundancji i zwiększyć naprężenie strukturalne, optymalizując strukturę laminatu kompozytowego, rozsądnie rozmieszczając materiały i wywierając potencjalne właściwości materiałów. Pod warunkiem spełnienia wymagań wytrzymałości, sztywności i stabilności uzyskuje się idealny efekt lekkości.
