摘要：轨道车辆中从转向架、车体的主体结构到内装墙板、座椅以及地板、卫生间，复合材料的应用已经处处可见，并且所占比例越来越高。复合材料以更高的强度更轻的重量受到客户的青睐，大部分地铁车辆的司机室、高速列车的扰流罩都是用玻璃钢材料制作，司机室前端地板、低地板电车的车顶也大量使用三明治结构，车体主结构和转向架的碳纤维结构的研发也在逐步推进。
关键词：复合材料 玻璃钢 碳纤维
1 概述
随着轨道车辆的广泛使用和高速发展,高速城际列车和城市轨道列车的使用要求越来越高,要求有更高的强度、更轻的重量、更高的行驶速度、更优越的乘坐体验以及更高的安全性。从转向架、车体的主体结构到内装墙板、座椅以及地板、卫生间，复合材料的应用已经处处可见，并且所占比例越来越高。
2、复合材料及其种类
复合材料是由两种或多种不同性质的材料用物理和化学方法在宏观尺度上组成的具有新性能的材料。一般复合材料的性能优于其组分材料的性能，并且有些性能是原来组分材料所没有的，复合材料改善了组分材料的刚度、强度、热学等性能。
根据复合材料中增强材料的几何形状，复合材料可分为三大类：
（1）颗粒复合材料。由颗粒增强材料和基体组成。
（2）层合复合材料。由多种片状材料层合而成。
（3）纤维增强复合材料。由纤维和基体组成。
轨道列车上用到的最多的是层合复合材料和纤维增强复合材料两种，下面我们主要了解以上两种。
3、层合复合材料
"三明治"复合材料，如果单一材质结构在横断面处一分为二，并且加入轻质量的中间层的话，其抗弯刚度会显著增加，这种现象一般被成为“三明治效应”。
"三明治"复合材料一般是由上面板、上面板与芯材的粘结层、芯材、下面板与芯材的粘结层以及下面板所构成,这5 个要素组成了1 个整体的夹层结构（图1）。
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蜂窝铝地板的优点是：重量轻，相同重量下刚度大，能隔音降噪。所以在轨道车辆的地板上广泛应用。
4、纤维增强复合材料
纤维增强复合材料按纤维种类分为玻璃纤维（其增强复合材料俗称玻璃钢）、硼纤维、碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维和芳纶纤维。
轨道列车上常用的纤维为玻璃纤维、以及日后有可能广泛使用的碳纤维。
4.1 玻璃纤维
它是最早使用的一种增强材料,玻璃纤维的直径为5~20μm,它强度高、延伸率较大，可制成织物；但弹性模量较低，约为7X10e4MPa,与铝接近。地铁的司机室头罩外形，动车的车钩开闭罩，以及扰流罩，动车的盒子间都是使用的玻璃纤维材料。
4.2 碳纤维
它是用各种有机纤维经加热碳化制成。主要以聚丙烯烃腈或沥青为原料，纤维经加热氧化、碳化、石墨化处理而制成。碳纤维可分为高强度、高模量、极高模量等几种，后两种需经2500℃~3000℃石墨化处理，又称石墨纤维。其密度比玻璃纤维小，模量比玻璃纤维高好几倍，因此碳纤维增强复合材料已应用于宇航、航空等工业部门。碳纤维的应力应变关系为一条直线，碳纤维断裂前是弹性体，高模量碳纤维的最大延伸率为0.35%,高强度碳纤维的延伸率可达1.5%。碳纤维的直径一般为6~10μm.碳纤维的热膨胀系数与其他纤维不同，具有各向异性。
5、几种常用的基体
（1）树脂基体
它分为热固性树脂和热塑性树脂两大类。热固性树脂常用的有环氧、酚醛和不饱和树脂等，他们最早应用于复合材料。环氧树脂应用最广泛，其主要优点是粘结力强，与增强纤维表面浸润性好，固化收缩小，有较高耐热性，固化成型方便。酚醛是指耐高温性好，吸水性小，电绝缘性好，价格低廉。聚酯树脂工艺型号，可室温固化，价格低廉，但固化时收缩率大，耐热性低，他们固化后都不能软化。
热塑性树脂有聚乙烯、聚酰胺（又称尼龙）、聚碳酸酯、聚丙烯树脂等，他们加热到转变温度时会重新软化，易于制成模压复合材料。
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几种常用树脂性能列于表1中，
（2）金属基体
（3）陶瓷基体
（4）碳素基体
它主要用于碳纤维增强碳基体复合材料，这种材料又称碳/碳复合材料。以纤维和基体的不同分为三种：碳纤维增强碳、石墨纤维增强碳、石墨纤维增强石墨。
6、复合材料的基本构造形式
（1）单层复合材料
（2）叠层复合材料
（3）短纤维复合材料
7、复合材料的优点
（1）比强度高
（2）比模量高
（3）材料具有可设计性
（4）制造工艺简单、成本低
（5）某些复合材料热稳定性好
（6）高温性能好
8、复合材料的缺点
（1）材料各向异性严重
（2）材料性能分散度较大
（3）材料成本较高
（4）有些复合材料任性较差，机械连接较困难
9、复合材料层合板强度的有限单元法
复合材料的就位特性，各向异性和层状性所产生的各种复杂的力学现象，使得有限元计算技术对求解复合材料及其结构的力学问题得到了相当广泛的应用。在这一领域可分为两个分支：一是有限元法应用于复合材料结构（如板、壳等）力学问题；二是有限元技术应用于复合材料细观力学行为的模拟分析。前者追求真实工程环境下工程结构问题的解决，后者侧重于材料细观结构与力学性能的关系分析。目前，市面上大部分有限元分析软件都支持多层板单元的创建模型。下面我们以一个例子来看一下，如何用Nastran进行复合材料的分析，以及对分析的结果进行评价。
9.1 某高速轨道车辆车下扰流罩的分析
图3为扰流罩的三维模型
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每一个单元的铺层布置都是按照0度、90度、-45度、45度的铺层角度层叠布置创建多层板单元模型，如图5为例。
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随着复合材料逐步广泛的使用，市场对复合材料铺层优化的需求、对复合材料结构安全性的评价一定为更加旺盛，所以掌握一种对复合材料分析评价的方法很有必要。
参考文献：
1. Femap& NX Nastran 基础及高级应用[M]，罗旭，赵明宇，清华大学出版社，2009年11月第一版
2．ANSYS Workbench15.0完全自学一本通[M]，许进峰，电子工业出版社，2014年9月第一版
3.基于ANSYS的复合材料有限元分析和应用[M]，李占营 阚川 张承承，中国水利水电出版社，2017年8月第一版