Với sự phát triển nhanh chóng của ngành vận tải đường sắt của Trung Quốc, cũng như khái niệm phát triển mới về tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường, trọng lượng nhẹ đã trở thành trọng tâm của thiết kế và sản xuất phương tiện hiện đại. Vật liệu tổng hợp sợi carbon có các đặc điểm là trọng lượng nhẹ, độ bền cao, chống ăn mòn, giá thành thấp và dễ thiết kế, gia công và sửa đổi. Nó là một phương tiện quan trọng để nhận ra trọng lượng nhẹ của thùng xe.
- Lựa chọn vật liệu và thiết kế cấu trúc
Vỏ cabin tàu điện ngầm truyền thống được làm bằng nhựa gia cố sợi thủy tinh, được làm bằng vật liệu bánh mì xốp sợi carbon. Nó được tạo thành từ hai tấm composite sợi carbon mỏng và cứng như một cấu trúc có trọng lượng nhẹ và độ bền cao, bao gồm các tấm bên trong và bên ngoài và một lõi xốp dày và nhẹ.
Nó có các đặc tính của cường độ riêng cao, mô đun riêng cao, chịu va đập tốt, hấp thụ âm thanh, hấp thụ rung động và cách nhiệt. Vật liệu gia cố bằng sợi carbon được làm bằng T700 và nhựa epoxy, và lõi bánh sandwich là bọt T90.150. Nắp đầu của cabin tàu điện ngầm áp dụng công nghệ đúc tích hợp autoclave, kính chắn gió được lắp ở giữa và lỗ gắn đèn được dành riêng. Trong cấu trúc bánh sandwich của máy hút mùi cabin, lớp giữa chủ yếu đóng vai trò hỗ trợ bảng điều khiển và hình thành mui xe.
- Tối ưu hóa kích thước tự do
Theo bố cục kích thước tổng thể của các tấm bên trong và bên ngoài của mui xe, hướng sợi được bố trí dọc theo hướng truyền lực của lớp, và các yêu cầu về tải trọng cắt và uốn được tích hợp để tối đa hóa độ bền và độ cứng cao của sợi. hướng trục.
Số lượng hướng lớp nên càng ít càng tốt. Nói chung, bốn hướng lớp 0 °, 90 ° và ± 45 ° được chấp nhận. Trong số đó, 0 ° ply có lợi cho việc truyền và khả năng chịu lực dọc trục; ± 45 ° ply có tác dụng đệm đối với tải trọng cắt và giúp cải thiện quá trình; 90 ° ply có thể kiểm soát độ cứng bên và điều chỉnh tỷ lệ Poisson. Trong chế tạo cấu trúc thực tế của Bosch, độ dày của mỗi lớp là bội số của độ dày lớp đơn tối thiểu và có tổng cộng 16 lớp có hình dạng khác nhau được sử dụng. Độ dày của mỗi lớp là 0.15mm, và 6/6/2 các lớp 0 °, 90 ° và ± 45 ° tương ứng được sử dụng.
3. Tối ưu hóa trình tự đặt
Trong thiết kế tối ưu hóa cấu trúc của vật liệu tổng hợp sợi carbon dựa trên các tấm, cần phải tối ưu hóa trình tự xếp chồng. Trình tự xếp chồng của vật liệu composite không chỉ ảnh hưởng đến các tính chất cơ học của các tấm sợi carbon, mà còn ảnh hưởng đến quá trình.
Bởi vì hình dạng của mỗi lớp được cắt để tối ưu hóa kích thước tự do, nhiều lớp không được bao phủ hoàn toàn trong các tấm bên trong và bên ngoài của mui xe, do đó, bố cục của trình tự đặt là bố cục tổng thể, và bố trí thực tế trong khu vực địa phương của mui xe sẽ khác nhau.
Để cải thiện hiệu suất hình thành tổng thể của cấu trúc bánh sandwich lõi xốp của mui xe cabin và tránh sự thay đổi đột ngột của độ dày bậc trong khu vực thay đổi độ dày của tấm, bề mặt bên trong và bên ngoài của các tấm bánh sandwich phải được bao phủ hoàn toàn để che cấu trúc tổng thể của mui xe. Đồng thời, để cải thiện khả năng chống va đập của vỏ bọc đầu, một lớp toàn dải ± 45 ° đã được thêm vào ở lớp ngoài cùng và trong cùng của kết quả tối ưu hóa trình tự xếp chồng.
4. Xác định kết quả tối ưu hóa
Sau một loạt thiết kế tối ưu hóa và liên tục sửa đổi công nghệ lắp đặt, chất lượng cuối cùng của mui xe bằng sợi carbon là 27%. Cấu trúc kích thước đầy đủ và độ dày bằng nhau trước khi tối ưu hóa là 188.4kg, và chất lượng được tối ưu hóa giảm khoảng 137.5kg. Chất lượng mui xe bằng sợi thủy tinh ban đầu là 218.4kg và chất lượng của cấu trúc bánh sandwich xốp CFRP được chấp nhận. Nó giảm khoảng 37%.
Có thể tránh được sự dư thừa về cấu trúc và có thể tăng ứng suất cấu trúc bằng cách tối ưu hóa cấu trúc laminate tổng hợp, sắp xếp hợp lý các vật liệu và sử dụng các đặc tính tiềm năng của vật liệu. Trong điều kiện đáp ứng các yêu cầu về cường độ, độ cứng và độ ổn định, hiệu ứng nhẹ lý tưởng sẽ đạt được.
