轻量化·碳纤维地铁司机室头罩如何通过结构优化来达到轻量化的_复合材料_轨道交通_材料

轻量化·碳纤维地铁司机室头罩如何通过结构优化来达到轻量化的

随着我国轨道交通行业的快速发展，以及节能降耗和环境友好等新型发展理念的提出，轻量化已成为现代车辆设计与制造关注的热点。碳纤维复合材料具有质量轻、高强度、耐腐蚀、成本低，以及易于设计、加工、改型等特点，用来制造列车结构件，是实现车体轻量化的重要手段。

1.材质选择与结构设计确定

传统的地铁司机室头罩采用的是玻璃钢材质，博实采用的是碳纤维泡沫夹芯材质，是由两块薄而刚的碳纤维复合材料板作为内外面板和一块厚而轻的泡沫夹芯组成的轻质量高强度的结构。具有比强度高、比模量高、抗冲击性能好、吸音减振隔热等特点，碳纤维增强材料选择的是T700和环氧树脂制成，夹层芯采用的是T90.150泡沫。地铁司机室头罩采用热压罐一体成型的工艺，中间安装挡风玻璃，并留有车灯安装孔。司机室头罩三明治夹层结构中，中间层主要是起支撑面板和头罩成型的作用。

2.自由尺寸的优化

自由尺寸优化根据司机室头罩内外面板整体尺寸布局，考虑铺层沿力的传递方向布置纤维走向，同时综合剪切和弯曲载荷要求，最大限度的利用纤维轴向所具有的高强度和高刚性。铺层方向数尽量少，一般多采用0°、90°和±45°四种铺层方向。其中0°铺层有利于轴向力的传递和承载力；±45°铺层对剪切载荷有缓冲的作用，并且对改善工艺有着较大的帮助；90°铺层控制横向刚度和调整泊松比。博实在实际制作的结构制作中，各铺层厚度采用的是最小单层厚度的整数倍，共采用16层不同形状的铺层块叠加而成，每层厚度均为0.15mm，其中0°、90°、±45°的铺层数分别使用了6/6/2层。

3、铺层顺序的优化

基于铺层的碳纤维复合材料结构优化设计中，对铺层顺序的的优化是必不可少的，复合材料的铺层顺序不仅影响到碳纤维材料层合板的力学性能，还会影响到其工艺。由于在自由尺寸优化中对各铺层的形状做了裁剪，其中很多铺层并未全尺寸覆盖在头罩的内外面板，所以该铺层顺序方案是整体的布局，在头罩局部区域实际铺层会有所不同。为了改善司机室头罩泡沫夹芯结构的整体成型性能，避免层合板厚度变化区域出现阶梯状厚度突变，夹芯层合结构的内外表面应有全尺寸的铺层来包裹头罩的整体结构。同时，为了提高头罩的抗冲击能力，在铺层顺序优化结果的最外层和最内侧增加±45°的全尺寸铺层。

4.优化结果确定

经过一系列的优化设计以及铺层工艺的不断修改，最终博实制作的碳纤维司机室头罩的铺层结构总质量为137.5kg，优化前的全尺寸等厚结构质量为188.4kg，优化后的质量减少了27%，原来的玻纤材质司机室头罩结构质量为218.4kg，采用碳纤维复合材料泡沫夹芯结构后质量下降37%左右。优化复合材料铺层结构、合理布局材料，发挥材料潜在性能，从而可以避免造成结构富余，并提高了结构应力。在满足强度、刚度和稳定性的要求下，达到了较为理想的轻量化效果。

来源：江苏博实碳纤维

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来源：碳纤维生产技术

碳纤维复合材料在石油工程中的应用

本文摘要：（由ai生成）碳纤维因轻质高强、耐腐蚀耐高温及优良导电性，在油气开采、超高压连续管及海洋平台等领域应用广泛。在抽油杆中提升开采效率，超高压连续管中增强耐压与耐疲劳性能，海洋平台中减轻重量与压力载荷。但国内碳纤维生产技术待突破，需加强产学研合作与国家扶持，提升市场竞争力与自主创新能力。碳纤维是一种纤维状的碳材料，最大的特点就是轻质高强，密度不到钢的1/4，但拉伸强度是普通钢的7～9倍。具有优异的耐腐蚀性和耐高温性，并且还具有与铜相似的导电性能，是集优良的电学、热学和力学性能于一体的新型材料。碳纤维是在1000℃以上的惰性气体中，利用高温分解法对有机纤维(聚丙烯腈、沥青等)进行烧制，去除纤维中除碳以外的其他元素即得到碳纤维。碳纤维一般不单独使用，而是作为增强材料，添加到树脂、金属、陶瓷或者是混凝土当中构成复合材料，其中应用最多的是碳纤维增强树脂。碳纤维从诞生到现在，已经广泛应用于航空航天、高端工程装备、重大基础建设结构工程、压力容器以及体育休闲用品等领域。（1）在抽油杆中的应用在油气开采业中，抽油杆是采油系统的主要部件，传统的钢制抽油杆在柔韧性和抗腐蚀性方面存在不足，在开采“三高井”或超深井时损耗较大，相比之下，碳纤维材料抽油杆由于其出色的力学性能和机械强度，在油气开采业正得到广泛应用。目前，碳纤维抽油杆已经在国内很多油田得到广泛应用，中国石油集团大港油田、中国石化集团胜利油田等油田都开展了碳纤维抽油杆技术推广。2015年，由中国石油集团钻井工程技术研究院江汉机械研究所研制开发的碳纤维连续抽油杆作业机在新疆油田完成首次下井试验。试验在位于新疆油田采油二厂五区553 井区的克503井进行，该井深2068 m，设计使用碳纤维连续抽油杆1080m，泵挂深度1799.47m，下入抽油泵后反复循环抽水作为模拟抽油试验。试验的成功有望解决深井、超深井和腐蚀井的开采难题，对于降低抽油井能耗和提高抽油效率具有重大意义。（2）在超高压连续管中的应用碳纤维复合连续管由碳纤维增强环氧树脂结构层和热塑性内衬构成，外部由耐磨热塑性材料包覆。目前，2in常规连续管QT-1000的破裂压力仅为140MPa，不能满足超高压水射流钻井技术的需要。而商业应用的碳纤维复合管破裂压力能够达到207MPa，满足超高压水射流作业要求，如图1所示。内压为83MPa的条件下，2inQT-1000 连续管起下钻16次后即失效，QUALITY TUBING公司的Incoloy-625连续管的疲劳寿命为70次，而FIBERSPAR SPOOLABLE PRODUCTS 公司的碳纤维复合连续管的疲劳寿命超过2000次，如图2所示。图1 2in不同材质连续管破裂压力对比图2 82MPa压力下2in不同连续管疲劳寿命（起下钻次数）（3）在海洋平台中的应用海洋中蕴藏着丰富的油气资源，油气勘探开发正在由陆地向海洋，由浅海大陆架逐渐向深海延伸。然而，海洋中环境复杂多变，复杂的海水含盐量很高，对设备设施具有极强的腐蚀性，很多设备设施都是以钢材料为主，这就无形中增加了开采成本，同时也加大了作业风险。碳纤维材料的低密度、高性能、高强度能够有效缓解钢制材料在深海环境所承受的重量和压力载荷。在深海油田所使用的平台脐带缆、锚固缆绳和油井口连接到平台的管材（立管）都可以用碳纤维材料部分代替，这样能够有效降低平台的重量以及所承受的压力，节约成本。一个1500 m的深海作业平台，钢制缆绳使用量大约为6500t，如果用碳纤维材料缆绳替代能够减少1/6的重量，并且相比于钢制材料，碳纤维材料的使用深度能提高一倍，而且碳纤维材料的柔韧性也更便于运输和施工作业。碳纤维及其复合材料在石油工程领域具有广阔的应用前景，国内制约碳纤维发展的决定性因素是生产技术瓶颈，产品质量产量和成本导致缺乏市场竞争力，因此亟待解决技术问题，发展高级别产品。只有在技术上取得突破，才能提高市场竞争力，打破国际垄断。石油企业应与相关高校和科研院所加强合作，联合开展碳纤维复合材料的攻关研究。同时，国家应当加大对碳纤维行业的扶持力度，鼓励石油企业研发和生产碳纤维材料，提高企业的自主创新能力，使企业能够拥有自主技术和知识产权。来源：石油工程科技动态特别声明:公众号部分文章和图片来源于网络，发布的目的在于传递更多信息及分享，并不代表本公众号赞同其观点和对其真实性负责，也不构成任何其他建议。版权归原作者所有，任何组织或个人对文章版权或内容的准确性存在疑议，请第一时间联系我们，我们会及时修改或删除。广告免责声明:为了公众号稳定发展，本公众号会不定时承接行业广告、产品推广、会议培训推广等广告展示方式有文章前/中/后以图片形式展示、软文展示、产品链接展示等。本公众号只提供发布平台，对广告内容的真实性或有效性不做评价，请自行判别。所有广告内容及相关事项与本公众号无关，特此声明。来源：碳纤维生产技术