双夹层中空夹芯结构轨道交通地板的设计及性能分析.doc

双夹层中空夹芯结构轨道交通地板的设计及性能分析匡宁朱冬进张守玉张艳红陈书云中材科技股份有限公司中车浦镇庞巴迪运输系统有 限公司摘要：中空夹芯复合材料具有优异的综合性能和可设计性，本文将其应用在轨道交通 领域，设计一种双夾层中空夹芯结构用于研制地板通过有限元分析方法对双夹 层结构设计方案的合理性进行验证，研宄了集中荷载和均布荷载作用下各层受 应力情况;开展Y研制地板的板芯剥离强度、抗拉强度、抗压强度、四点弯曲强 度、隔音性能、防火性能的测试，并与铝蜂窝夹芯结构的性能进行对比结果表 明双夹层结构中空复合地板具有更好的承载和抗分层性能，力学性能优于铝蜂 窝地板;其燃烧等级达到了 SF3级，毒性指数FEDS1，故防火性能与铝蜂窝地板 一样安全;且中空复合地板的隔音性能优于铝蜂窝地板，能满足更高的舒适性和 安全需求关键词：三维织物;中空复合材料;轨道交通地板;双夾层复合;蜂窝;作者简介：匡宁（1980-）,男，中材科技南京玻纤院创新中心办公室副主任， 高级工程师，主要从事特种结构纺织复合材料的研究与开发收稿曰期:2017-07-27The Design and Performance Analysis of a Rail Transit Floor with Double Hollow SandwichesKuang Ning Zhu Dong jin Zhang Shouyu Zhang YanhongChen ShuyunSinoma^Science & Technology CoAtd: CRRCPuzhenBombardier Transportation Systems Co., Ltd;Abstract：Because of its outstanding comprehensive properties and design freedom, the hollow sandwich composites were used in rail transit field. A double hollow sandwiches structure was designed and used to prepare a new floor. The double sandwich composite floor structure was analyzed using finite element method to verify the retionality of the design and study the stresses of each sandwich under concentrated load and uniformly distributed load. The mechanical properties, accoustic insulation and fire resistance were tested and compared with the honeycomb sandwich composite floor. The results have showed that the tensile strength, compression strength, core peeling strength and four-point bending strength of the hollow composite floor are greater than those of honeycomb composite floor, resulting in higher load-bearing and anti-delamination performance; the fire safety of the hollow composite floor ( with fire rating up to SF3 and toxicity index ^1) is same as the honeycomb composite floor; and the sound insulating property of hollow composite floor is also superior so that it can meet the higher requirements of comfortability and safety.Keyword：3D fabric; hollow composites; rail transit floor; double sandwich composite; honeycomb;Received： 2017-07-270前言随着轨道交通的迅猛发展，对车厢轻量化的要求越来越高，其中轻质高强地板 成为轨道交通地板的主要发展趋势。

目前，国内轨道交通地板主要使用夹芯结构， 如高速列车地板多采用泡沬夹芯结构地板U1，而对承载要求更高的地铁地板则 采用铝蜂窝夹芯结构地板但是泡沫夹芯结构地板力学性能存在局限性，后期修补难度大;而铝蜂窝夹芯结 构地板U1相对偏重，当重物从较高处落下，超过铝蜂窝所能承受压力时，容易 造成塌陷，很难修复，同时也不具备良好的隔音、降噪性能并且传统的泡沫和 蜂窝夹层结构地板由于蒙皮和中间芯层通过胶接工艺而成，异致其在使用过程 中容易分层，致使力学性能大幅度降低，最终导致材料失效，故抗分层性能差m从安全性及进一步减重考虑，需要开发出一种综合性能更加优异的新型夹 芯结构复合地板中空夹芯复合材料作为一种新型轻质材料，具有轻质高强、整体抗分层、可设计 等结构优势，中空夹芯复合材料（中空复合材料）的面层与芯层整体连接成型， 极大的克服了传统蜂窝、泡沬芯材等夹芯复合材料易分层、耐冲击性能差的缺点， 是一类高性能结构、功能材料（见图1）图1中空织物及中空夹芯复合材料 下载原图本文研究丫以中空复合材料为芯材，玻璃纤维增强复合板（玻璃钢）为上下表 层的新型轨道交通复合地板玻璃纤维中空织物是采用专利技术织造而成，结合 使用要求设计了一种双夹层中空夹芯复合地板结构，采用有限元分析方法，对 该结构的设计合理性进行分析评估，主要研究集中荷载和均匀荷载作用下板层 与芯层各部分的受力情况，通过权威测试，将研制的新型地板与铝蜂窩夹芯结 构地板（铝蜂窝地板）进行力学、隔音和防火性能比较。

1双夹层中空夹芯复合地板的设计l.i总体结构设计围绕新型地板抗压强度大于3 MPa,重量较铝蜂窝地板减重20%的设计要求利 用中空夹芯复合材料轻质抗分层、高强抗压的特点，设计了实心玻璃钢与中空复 合材料交替叠加后整体复合成型的双夹层结构，铺层顺序由下而上依次为:0. 75 mm实心玻璃钢复合材料、8 mm中空复合材料、0. 5 mm实心玻璃钢复合材料、8 mm 中空复合材料、0.75 mm实心玻璃钢复合材料，总厚度为18 mm,结构如图2中 所示该结构有效解决了低厚度中空复合材料刚度不足或是高厚度中空复合材料 抗压易失稳的问题图2双夹层地板结构示意图 下载原图1.2有限元模型的建立项目选取地板尺寸为:LXW=1 704圆X662圆，集中荷载区域尺寸为:aXb=12 mmX25 mm,如图3所示1.2.1基本假设为了对地板各层的受力情况进行分析，简化模型，作出如下假设:玻璃钢假设为 准各向同性材料，采用连续壳单元模拟；中空复合材料等效为均质结构，采用实 体单元模拟;玻璃钢弹性模量Es=30 GPa,中空复合材料的弹性模量为E-0. 5 GPa, vc=0 o图3地板尺寸 下载原图1.2.2建模图4为双夹层中空夹芯复合地板有限元模型。

图4双夹层中空夹芯复合地板有限元模型 下载原图1.2.3边界条件及荷载情况边界条件：四边简支集中荷载作用下，集中力加载在25 mmX12mm的矩形区域， 均布压力为6. 66 MPa均布荷载作用下，均匀荷载总的合力为6 000 N,均匀分 布在板的上表面1.2.4有限元分析图5和图6分别为集中荷载作用下复合地板底层和顶层中空复合材料的应力有限 元分析结果，应力值如表1中所示由表1可知，中空复合材料整体所受应力均 很小，底层中空复合材料所受应力小于顶层中空复合材料而顶层中空复合材料 所受米塞斯（Mises）应力最大值不超过2. 715 MPa,最大切应力不超过1. 2 MPa, 因此不会出现面外方向的压溃，也不会出现剪切破坏表1集中荷载作用下中空复合材料所受应力结果 下载原表图5集中荷载作用下底层中空复合材料应力结果 下载原图图7为集中荷载作用下复合地板顶层、中间层和底层玻璃钢的应力分析结果，应 力值如表2所示由表2中可知，底层玻璃钢所受应力值最大，中间层玻璃钢所 受应力值最小而顶层玻璃钢的Mises应力最大值低于55. 2MPa,中间层玻璃钢的Mises应力最大值低于28. 2 MPa,底层玻璃钢的Mises应力最大值低于61. 6 MPa,而玻璃钢的横向压缩强度大于150 MPa,因此不会出现强度破坏。

表2集中荷载作用下玻璃钢所受应力结果 下载原表图6集中荷载作用下顶层中空复合材料成力结果 下载原图图8为集中荷载作用下复合地板发生位移的有限元分析结果由图中可知，集中 荷载作用下，复合地板发生整体位移最大值为2. 584 mm，整体位移较小，复合 地板不会与下方器材接触，满足应用要求图9为均匀荷载作用下中空复合材料的应力有限元分析结果，应力值如表3所 示由表3中可知，在均布荷载作用下，中空复合材料受力很小，Mises应力最 大值不超过0.5MPa，最大切应力不超过0.2 MPa，因此地板不会遭到破坏，满 足强度要求阁10为均布荷载作用下复合地板顶层、中间层和底层玻璃钢的应力有限元分析 结果，应力值如表4所示由表4中可知，底层玻璃钢所受Mises应力最大值最 大，但也不超过6. 2 MPa,有较大的设计余量，故满足应用要求阁7集中荷载作用下玻璃钢的Mises应力结果 下载原阁图8集中荷载作用下复合地板整体位移（mm） 下载原图表3均匀荷载作用下中空复合材料应力结果 下载原表 图11为均布荷载作用下复合地板发生位移的有限元分析结果由图11可知，复 合地板整体位移为1. 22 mm,整体位移较小，复合地板不会与下方器材接触，满 足疲用要求。

表4均匀荷载作用下玻璃钢所受应力结果下载原表阁9均匀荷载作用下中空复合材料应力结果 下载原阁综上所述，在集中荷载作用下，双夹层中空复合地板的强度满足要求，且不出 现局部压入式破坏，集中力对中空复材的影响较小，整体刚度较大，满足刚度 要求在均布荷载作用下，双夹层中空复合地板的强度、刚度均满足设计要求 因此由有限元分析可知双夹层中空夹芯复合地板的设计方案合理，满足强度、刚 度要求2双夹层中空夹芯复合地板性能分析2. 1制备工艺双夹层中空夹芯复合地板采用真空导流成型工艺制备其成型过程是将增强材料 和树脂按设计方向和顺序逐层铺放到模具上，达到设计层数后，再通过抽真空、 加热固化、脱模、切割打磨等工序，从而得到双夹层中空夹芯结构复合地板制品 （如图12所示）阁1 0均说载作用下玻璃钢的Mises应力结果 下载原阁图1 1均匀荷载作用下复合地板整体位移 下载原图图1 2双夹层中空夹芯复合地板实物图 下载原图2.2测试性能对比分析对制得的双夹层中空夹芯复合地板进行综合性能测试，并与铝蜂窝复合地板的 性能进行对比研究，测试结果如表5所示由表5可知，中空复合地板的抗压强 度大于铝蜂窝地板，故承载性能更强。

且中空复合地板比铝蜂窝地板具有更好的 板芯剥离强度、抗拉强度和四点弯曲强度，故综合力学性能具有较大的优势，这 大。