先進(jìn)復(fù)合材料軌道交通車輛輕量化發(fā)展與思考

1、 先進(jìn)復(fù)合材料軌道交通車輛輕量化發(fā)展與思考 章瀟慧軌道交通是一種充分利用物理空間、對空間進(jìn)行三維拓展的交通方式，具有運輸能力大、準(zhǔn)時性高、安全性高、環(huán)境污染少等特點。大力發(fā)展軌道交通，是拉動區(qū)域經(jīng)濟(jì)的有效手段，是解決城市交通擁堵的根本方法，世界各國均認(rèn)同這一理念。近年來，我國高度重視軌道交通技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展，已經(jīng)成為世界領(lǐng)先的軌道交通強國。同時，國家為促進(jìn)軌道交通產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，出臺了一系列利好政策：2015年1月12日，我國發(fā)展和改革委員會發(fā)布關(guān)于加強城市軌道交通規(guī)劃建設(shè)管理的通知；2015年5月8日國務(wù)院發(fā)布的中國制造2025，先進(jìn)軌道交通裝備被列為10大重點發(fā)展領(lǐng)域之一；2016年5月，國家發(fā)

2、展改革委聯(lián)合交通運輸部印發(fā)交通基礎(chǔ)設(shè)施重大工程建設(shè)三年行動計劃，其中指出2016-2018年擬新建城市軌道交通2 000km以上，涉及的投資達(dá)1.6萬億元。在一系列國家級的頂層設(shè)計方案的指引下，各地方政府也相繼推出支持軌道交通建設(shè)的方案。在國家政策的扶植與引導(dǎo)和現(xiàn)實需求的牽引下，我國軌道交通技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入了加速階段。根據(jù)中國鐵路總公司公布的數(shù)據(jù)，截至2017年底，全國鐵路營業(yè)里程達(dá)到12.7萬km，比2016年增長2.4%（圖1），其中，高速鐵路營業(yè)里程達(dá)到2.5萬km。全國鐵路路網(wǎng)密度132.2 km/萬km2，比2016年增加3.0 km/萬km2。其中，復(fù)線里程7.2萬km，比201

3、6年增長5.4%，復(fù)線率56.5%，比2016年提高1.6%；電氣化里程8.7萬km，比2016年增長7.8%，電化率68.2%，比2016年提高3.4%。西部地區(qū)鐵路營業(yè)里程5.2萬km，比2016年增加1 663.5km，增長3.3%。有分析指出，“十三五”期間，中國軌道交通產(chǎn)業(yè)完成的投資量比“十二五”期間將增加 50%70%，近年來，大鐵路、城際和城軌產(chǎn)業(yè)年均的投資額均在萬億元人民幣以上。軌道交通技術(shù)及產(chǎn)業(yè)蘊藏十分豐富的投資機會與發(fā)展?jié)摿Γ瑢τ谲壍澜煌ㄟ@個龐大的產(chǎn)業(yè)體系而言，新材料的應(yīng)用與發(fā)展，將為軌道交通產(chǎn)業(yè)帶來無限的商機。材料是軌道交通產(chǎn)業(yè)鏈中最上游、最基礎(chǔ)的一段，支持著整個軌道交通

4、產(chǎn)業(yè)。與軌道交通產(chǎn)業(yè)相關(guān)的材料眾多，包括機車車輛與關(guān)鍵部件材料、車輪用材料、機車表面涂層與防腐材料、減振降噪材料、路基材料等。隨著軌道交通行業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，其對材料的輕量化需求也愈加顯著。輕量化對于車輛減重、提速、降噪、降低能源消耗具有重要的意義。通過新材料的替換以及材料工藝技術(shù)的進(jìn)步，可有效提升裝備的輕量化水平。一大批輕量化材料，如先進(jìn)復(fù)合材料、新型鋁合金、高強度鎂合金應(yīng)等，為軌道交通裝備的輕量化、減重提供了保障。以碳纖維復(fù)合材料為主要發(fā)展趨勢的先進(jìn)復(fù)合材料，是國民經(jīng)濟(jì)與國防建設(shè)不可缺少的重要新型戰(zhàn)略材料，也是軌道交通輕量化的重要發(fā)展手段。與傳統(tǒng)金屬材料相比，碳纖維復(fù)合材料具有密度小、強度

5、高、模量高等特點，并且在隔聲、隔熱、減振、防腐等方面性能優(yōu)異，廣泛適用于高端裝備的承載結(jié)構(gòu)?！笆濉眹铱萍紕?chuàng)新規(guī)劃中國制造2025均將碳纖維復(fù)合材料作為戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)進(jìn)行重點突破，中國中車科技發(fā)展“十三五”規(guī)劃明確提出“重點突破基于碳纖維等復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用”。1 先進(jìn)復(fù)合材料軌道交通車輛應(yīng)用現(xiàn)狀軌道交通車體結(jié)構(gòu)對牽引能耗的影響程度最大，是正常減重、輕量化的主要部件，其質(zhì)量約占整車的15%30%。若動車組車輛質(zhì)量減輕100 kg，則運行中可節(jié)能約100GJ牽引能量。目前的軌道車輛車體材料包括耐候鋼或低合金鋼、高強度鋼、鋁合金、不銹鋼等。其中，海洋性氣候的沿海地區(qū)和高原地區(qū)主要使用耐腐蝕

6、的不銹鋼；耐候鋼和低合金高強度鋼主要用于車體底架部件，牽引梁、枕梁、緩沖梁等；大多數(shù)國產(chǎn)車體結(jié)構(gòu)端底架部位采用耐候鋼、低合金高強度鋼（主要因為其良好的焊接性和疲勞強度）；其余承載部分采用 SUS301L系列奧氏體不銹鋼。實現(xiàn)車體結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕的重要方法是輕量化選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計。與鋼、鋁等傳統(tǒng)金屬材料相比，碳纖維復(fù)合材料為主的先進(jìn)復(fù)合材料在輕量化、節(jié)能、電磁屏蔽、碰撞吸能等方面具有明顯的優(yōu)勢。例如，采用碳纖維復(fù)合材料制作的司機室頭罩具，抗沖擊性能明顯提升，當(dāng)承受350kN的靜載荷時，抵擋1kg鋁彈的660 km/h的高速沖擊；高速列車車體和轉(zhuǎn)向架采用碳纖維，減重49%，輕量化節(jié)能效果顯著。國際上碳纖

7、維復(fù)合材料在軌道列車的應(yīng)用集中于車體、轉(zhuǎn)向架、車外設(shè)備和車內(nèi)裝飾。案例一：日本新型新干線N700系高速列車CFRP部件，利用碳纖維復(fù)合材料，設(shè)計和制造了分車體蒙皮、絕緣子（導(dǎo)電弓架邊緣）和客車窗框等。案例二：日本KAWASAKI（川崎重工）采用碳纖維，開發(fā)了第1代鐵道車輛用列車“efwing”?！癳fwing”采用為碳纖維側(cè)梁的柔性構(gòu)架，對原本剛性的轉(zhuǎn)向架進(jìn)行的革命性的改進(jìn)，經(jīng)過美國交通技術(shù)中心（TTCI）線路運行試驗，輪重減載率下降50%，車體外殼總減重40%。案例三：德國SIEMENS在新開發(fā)的列車車體側(cè)部使用了碳纖維復(fù)合材料。針對復(fù)合材料在軌道交通上的應(yīng)用，國內(nèi)相比國外而言起步較晚，但發(fā)

8、展較為迅速：2018年1月，中車長春軌道客車股份有限公司在軌道交通領(lǐng)域研制出具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的世界首輛全碳纖維復(fù)合材料地鐵車體（圖2）。全碳纖維復(fù)合材料整車較同類地鐵金屬車體減重約35%，從而對提高車體的運載能力、降低能源消耗等具有重大意義。2018年9月，德國柏林國際軌道交通技術(shù)展上，中國中車發(fā)布了下一代地鐵產(chǎn)品取得了令人矚目的成效，碳纖維復(fù)合材料車體、轉(zhuǎn)向架、司機室、設(shè)備艙的成功研制，使得整車減重15%，軌道交通業(yè)界對碳纖維復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用充滿期待。2 先進(jìn)復(fù)合材料軌道交通應(yīng)用的主要問題盡管全球軌道交通行業(yè)在利用先進(jìn)復(fù)合材料進(jìn)行輕量化研究方面做出了很大的努力，但是碳纖維等先

9、進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用與推廣，仍然受到了很大的限制。從發(fā)展現(xiàn)狀可以看出，碳纖維等先進(jìn)復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展還存在以下問題：處于研制早期階段，技術(shù)發(fā)展較慢，工藝成本高，研制周期長，效率低；共性技術(shù)研究嚴(yán)重不足，未形成統(tǒng)一研制流程規(guī)范；缺乏統(tǒng)一的產(chǎn)品平臺，資源共享不足。3 先進(jìn)復(fù)合材料軌道交通輕量化應(yīng)用的思考目前限制先進(jìn)復(fù)合材料在軌道交通車輛上應(yīng)用的最突出矛盾是工藝成本高、生產(chǎn)效率低。為此，我們可借鑒航空航天的先進(jìn)經(jīng)驗，利用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對軌道交通車體進(jìn)行設(shè)計和制造，實現(xiàn)降低工藝成本、提高生產(chǎn)效率的目標(biāo)。為推進(jìn)中車軌道交通裝備的輕量化發(fā)展進(jìn)程，中車研究院牽頭組織各相關(guān)子企業(yè)與俄羅斯中央特種機械研究

10、所進(jìn)行了技術(shù)交流和工作對接。2018年3月份，該所協(xié)助中車開展了高速列車車體的初步概念設(shè)計。經(jīng)過前期的技術(shù)交流，中俄雙方認(rèn)為復(fù)合材料網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)在400km高速列車、600km磁懸浮列車車體、司機室以及過渡車鉤等軌道交通車輛零部件領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景。以航空航天領(lǐng)域前期研究結(jié)果推測，采用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的軌道交通復(fù)合材料裝備，可比現(xiàn)有案例的復(fù)合材料軌道交通裝備再減重10%，裝配量降低20%，制造周期縮短15%，制造成本下降15%。3.1 先進(jìn)復(fù)合材料網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在復(fù)合材料工業(yè)中，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是最有希望實現(xiàn)長期尋求的輕量化和高強度雙重目標(biāo)的結(jié)構(gòu)材料。復(fù)合材料網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是一種主要應(yīng)用于抗屈曲結(jié)構(gòu)和加筋表面結(jié)

11、構(gòu)的網(wǎng)格，主要是因為復(fù)合材料網(wǎng)格結(jié)構(gòu)具有較大的截面慣性矩，并且具有較高的柔性。使用各向異性網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的先驅(qū)工作可以追溯到30年前，該技術(shù)現(xiàn)在主要由俄羅斯的中央特種機械研究所（CRISM）掌握，用于俄羅斯太空計劃。在俄羅斯，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的設(shè)計技術(shù)、成型技術(shù)、性能測試與表征等技術(shù)更加全面而深入，并且已采用各向異性網(wǎng)格復(fù)合材料網(wǎng)格結(jié)構(gòu)成功地進(jìn)行了40次衛(wèi)星發(fā)射。自1981年CRISM開展復(fù)合材料網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究以來，該技術(shù)經(jīng)過不斷發(fā)展和完善，在航天及軍工領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如圖3所示。1986年，該所成功研制伊爾-IL-114飛機的機身；2001年研制的質(zhì)子-M號適配器成功進(jìn)行第1次發(fā)射；2007年，

12、進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的適配器更加輕量化。目前該所正在進(jìn)行民用產(chǎn)品的開發(fā)，積極拓展復(fù)合材料網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用。自2010年以來，基于民用航空領(lǐng)域進(jìn)一步減重和降成本的目標(biāo)，歐盟第七框架計劃（Seventh Framework Programme，F(xiàn)P7）連續(xù)資助了3個項目以支持復(fù)合材料網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)在商用飛機機身的應(yīng)用研究，參與國家包括德國、俄羅斯、法國、荷蘭、瑞士、西班牙、英國、比利時、意大利等。在FP7項目中，提出了新機身的理念，如圖4所示，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)承受主要載荷，蒙皮滿足功能性要求，因此可降低蒙皮厚度，達(dá)到結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小和性能參數(shù)最佳的目的。與鋁合金的機身段相比，F(xiàn)P7項目研制的機身段減重高達(dá)5

13、4.5%。美國網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的歷史始于由等邊三角形組成的鋁等網(wǎng)格；這些結(jié)構(gòu)是由麥克唐納道格拉斯公司（現(xiàn)為波音公司的一部分）開發(fā)的，并且被用作Atlas和Delta運載火箭的級間。隨著近年來網(wǎng)格結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的迅速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴大，其潛在市場也變得十分可觀。研究發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)復(fù)合材料具有良好的承載能力，對損傷不敏感、易于修復(fù)，并且可靠性明顯提高，與夾層復(fù)合材料相比，具有更好的力學(xué)性能和多功能優(yōu)勢。不同的制備技術(shù)的出現(xiàn)，促進(jìn)了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的巨大發(fā)展，為其各種應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。3.1.1 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的類型及分類網(wǎng)格結(jié)構(gòu)有多種類型，它們表征了復(fù)合材料網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的參數(shù)和性能。網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是由螺旋

14、肋和環(huán)形肋部分組成的薄壁圓柱形或錐形材料，其與主軸成一定角度，如圖5所示。網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中沿2個方向布置的肋為角網(wǎng)格，沿3個方向布置的肋被稱為三向結(jié)構(gòu)或六角形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，而沿軸線正交布置的肋為四向結(jié)構(gòu)。圖5顯示了不同類型的復(fù)合材料網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。如果2個方向上的肋為正交的，則該結(jié)構(gòu)為正交網(wǎng)格，并且當(dāng)肋在3個方向上形成等邊三角形時，該網(wǎng)格結(jié)構(gòu)為等網(wǎng)格。目前，典型的六角形鋼筋結(jié)構(gòu)可以較好地解決節(jié)點處纖維嚴(yán)重累積、三角形結(jié)構(gòu)中存在的纖維架空現(xiàn)象問題，并降低節(jié)點處的纖維含量，提高節(jié)點的粘結(jié)強度。一般來說，基本的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是不需要蒙皮的。但是在實際設(shè)計和制造中，根據(jù)要求，可以采用單面或雙面蒙皮作為網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的蒙皮。根據(jù)網(wǎng)

15、格結(jié)構(gòu)的表面形狀，可將網(wǎng)格結(jié)構(gòu)分為內(nèi)表面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和外表面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。3.1.2 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的優(yōu)點與傳統(tǒng)的復(fù)合材料制品相比，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點：良好的可成形性。網(wǎng)格結(jié)構(gòu)及其蒙皮形成一個整體并共同固化，有助于提高網(wǎng)格桿與蒙皮連接的可靠性。設(shè)計靈活性?？梢詫W(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，以優(yōu)化設(shè)計素材中所用材料的特征和結(jié)構(gòu)的組合；這種組合可以根據(jù)外部荷載（如網(wǎng)格間距、寬度、高度和蒙皮層的放置）來調(diào)整網(wǎng)格結(jié)構(gòu)參數(shù)，以便最大限度地提升復(fù)合材料的強度和剛度。突出的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。網(wǎng)格結(jié)構(gòu)框架改善了蒙皮的局部壓曲臨界荷載，并提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和實際承載能力。結(jié)構(gòu)可靠性高。與夾層結(jié)構(gòu)相比，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)不易損傷、易維修且可在更多承重

16、構(gòu)件下增大承載能力。更高的比強度與比剛度。在復(fù)合材料網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中，纖維占其強度的95%以上，這在其他結(jié)構(gòu)中是很難實現(xiàn)，并且使用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)可使復(fù)合材料具有更強的競爭力。成本低、效益高。網(wǎng)格結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制品的質(zhì)量比金屬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)品輕50%左右，而且成本也更低。3.2 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的制造與加工纖維纏繞、編織和經(jīng)編網(wǎng)可用于形成若干網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，例如四邊形、三角形和六角形的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。網(wǎng)格制造工藝的主要目標(biāo)是為網(wǎng)格結(jié)構(gòu)提供優(yōu)良的機械性能及縱向加固。目前，復(fù)合材料網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的形成方法主要有：增加網(wǎng)格。加筋網(wǎng)格板是一種用于生產(chǎn)零件的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)型板，不適合用于制造回旋加速器本體結(jié)構(gòu)。手工鋪設(shè)技術(shù)。采用樹脂傳遞模塑（RTM）、高

17、壓釜模塑、高壓釜固化壓力法等技術(shù)，可以將長纖維束或切斷的短纖維束手動鋪設(shè)到網(wǎng)格槽中，形成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。手工鋪設(shè)技術(shù)比較簡單，但勞動強度高，生產(chǎn)效率低，不適合大規(guī)模、批量生產(chǎn)。纏繞成型。通過直接采用數(shù)控繞線機在網(wǎng)格槽進(jìn)行繞線，通過連續(xù)纖維纏繞形成復(fù)合材料網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，降低了生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品穩(wěn)定性能，并且易于實現(xiàn)批量生產(chǎn)。編織2（或更多）組紗線載體圍繞圓形框架反向旋轉(zhuǎn)形成編織預(yù)制件。編織網(wǎng)格預(yù)制件由2（或更多）組紗線交織而成，編織紗線從不同的方向引入，并且通過這種工藝制造的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是高度互連的，通常以平鋪狀或管狀形式形成2D或3D網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。經(jīng)編。使用經(jīng)編機根據(jù)不同的導(dǎo)桿配置和紗線運動，將紗線形成具有嚙

18、合環(huán)的網(wǎng)狀織物結(jié)構(gòu)，例如三角形、菱形或六角形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。3.2.1 加筋網(wǎng)格結(jié)構(gòu)網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)主要包括網(wǎng)狀加強結(jié)構(gòu)、編織和織構(gòu)結(jié)構(gòu)、纏繞網(wǎng)格和其他網(wǎng)格制備方法。對于復(fù)合材料的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，無論是從制備技術(shù)還是從結(jié)構(gòu)性能的角度來看，鑄件的制備是網(wǎng)格結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的關(guān)鍵因素。螺旋箍筋是網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中的主要承重構(gòu)件。雖然加筋肋是剛度和強度均低于單向?qū)雍辖Y(jié)構(gòu)的單向微結(jié)構(gòu)，但迄今為止工業(yè)化生產(chǎn)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的螺紋鋼筋模量是傳統(tǒng)單向復(fù)合材料的80%，而壓縮強度僅為傳統(tǒng)單向復(fù)合材料的40%。其原因是：螺旋箍的相互交叉使得纖維體積小于50%；纖維損傷（特別是高模量碳素纖維），使得與設(shè)備的接觸更加嚴(yán)重。為了解決這一問題，通常采用

19、硅橡膠模，可以方便地改造肋骨網(wǎng)格，解決側(cè)向壓力，優(yōu)化肋骨間的粘接方式。復(fù)合材料網(wǎng)格結(jié)構(gòu)模的分類如下：軟模。軟模法包括在彈性材料上開網(wǎng)格槽。美國空軍（USAF）飛利浦實驗室是這個領(lǐng)域的領(lǐng)航者，軟模用于太陽能板、整流罩和適配器的生產(chǎn)。但是，軟模法也有其缺點：產(chǎn)品表面粗糙，棒材尺寸不穩(wěn)定，軟模固化后需要進(jìn)行拆分以提取產(chǎn)品，成本高，并且脫模困難。用硬質(zhì)泡沫開槽模。與軟模法相似，纖維束和泡沫中的樹脂會形成溝槽并形成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。氣泡可以滯留在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，具有保溫隔音效果，氣泡還可以消除機械損傷、化學(xué)損傷或熱損傷等。這種方法的主要缺點是，由于網(wǎng)格節(jié)點纖維體積高達(dá)60%，并且連桿和節(jié)點位置的纖維組分僅為30

20、%，所以網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的性能遠(yuǎn)低于具有這種纖維體積含量的層狀復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。硬模法。硬模法（如金屬模）的缺點包括：纖維體積含量不能太高、勞動強度大等。然而，其優(yōu)點也很明顯，即產(chǎn)品的尺寸、穩(wěn)定性好、精度高。復(fù)合模法。在該方法中，模具可由2種或多種材料制成：一種材料提供剛性基材的熱穩(wěn)定性，用于形成整個輪廓形狀的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)（可選擇金屬或環(huán)氧樹脂）；另一種是具有高彈性模量的材料，用于增強已固定和成形網(wǎng)格材料。最常用的方法是采用硅橡膠?；旌霞夹g(shù)。首先，根據(jù)網(wǎng)格框架的形狀和功能要求，制作出專用的基底膜。接著，在底膜上鋪設(shè)膨脹墊，在纏繞或鋪設(shè)成形工具之后對預(yù)浸劑進(jìn)行固化，并使用固化留下的熱量使槽墊膨脹。然后，將預(yù)浸劑

21、從橫向網(wǎng)格框架擠出，以確保所生產(chǎn)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。膨脹模工藝法。Kim提出1，膨脹模工藝（見圖6）得利于金屬底板和對所需模具的多種形狀的擴展能力，并且因為模具的膨脹可以采用可拆卸螺栓固定在地板上。根據(jù)特定功能要求所需的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的形狀，在網(wǎng)格框架結(jié)構(gòu)上對各種幾何形狀進(jìn)行分組。在固化過程中，存在導(dǎo)致網(wǎng)格結(jié)構(gòu)膨脹和從網(wǎng)格框架的任一側(cè)擠出的反應(yīng)?？刂颇虊K尺寸的熱量和膨脹可以調(diào)節(jié)網(wǎng)格框架的壓力，從而確保網(wǎng)格框架的纖維體積含量，并保證網(wǎng)格框架的質(zhì)量。根據(jù)使用的何種工藝，可以在纏繞之前或之后在模具中放置鋼筋。拉擠-聯(lián)鎖工藝。Han提出的拉擠-聯(lián)鎖技術(shù)是一種適用于網(wǎng)格框架的簡單制備方法。圖7顯示了拉擠-聯(lián)鎖

22、工藝示意圖。首先，利用拉擠工藝生產(chǎn)出具有相應(yīng)尺寸的加強肋，網(wǎng)格框架的拉擠槽的肋以槽的形式相互鎖定到組合后的肋中。輸運床氣化技術(shù)（Transport Integrated Gasification，簡稱TRIG）工藝是由斯坦福研究所提出的，適用于錐形殼體、殼體或球形，是一種制備先進(jìn)復(fù)合材料網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的新方法。圖8顯示了TRIG加工工藝示意圖。該方法使用金屬管作為模具，并且固定殼體在管之間保留有用于交叉纏繞復(fù)合材料的間隙空間。整個網(wǎng)格結(jié)構(gòu)形成后，管將成為肋壁的一部分。3.2.2 編織和經(jīng)編網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)編織的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)采用編織技術(shù)生產(chǎn)網(wǎng)格復(fù)合材料。通過利用紡織和化學(xué)生產(chǎn)的基本原理，在織機上完成織造和樹脂整理

23、，從而得到復(fù)合材料網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。網(wǎng)格尺寸可根據(jù)材料的應(yīng)用情況進(jìn)行選擇。材料的選擇、工藝的采用、合理的織物整理方法、以及涂層干燥方法的實施均是復(fù)合材料網(wǎng)格化的關(guān)鍵，也是影響網(wǎng)格結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的功能與特征的重要因素。在組織結(jié)構(gòu)方面，與紗網(wǎng)結(jié)構(gòu)相比，普通網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有最簡單的組織、穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和清晰的網(wǎng)格。因此，一般采用平紋梭織。編織網(wǎng)格結(jié)構(gòu)復(fù)合材料采用弱捻或無捻紗線作為經(jīng)緯材料，編織成相對稀疏的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。由于傳統(tǒng)編織過程較長，織造后不易保持穩(wěn)定性，因此需要專用的編織機。編織機包括主體、經(jīng)紗輸送機和織造機。經(jīng)紗輸送機由底框、多個經(jīng)紗傳動軸和許多傳動軸支撐。主編織機設(shè)有經(jīng)紗升降裝置和電柜，用于在織造緯紗時將經(jīng)紗

24、上下分離。編織機的其他組成部分包括緯紗裝置、牽引裝置、平移裝置和切割裝置。編織網(wǎng)格織物整理包括在涂裝和干燥工藝中加入抗滑光劑。對編織網(wǎng)格織物進(jìn)行整理時需要考慮2個因素：整理劑的選擇和制備。網(wǎng)格結(jié)構(gòu)復(fù)合材料用整理劑必須具有一定的粘度，并且容易干燥。根據(jù)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的不同應(yīng)用，選擇不同的整理劑。干燥溫度和時間。該整理劑需要一定的溫度和時間來進(jìn)行干燥。在整理過程中，應(yīng)特別注意干燥溫度和干燥時間，并確保設(shè)備均勻干燥，以及在生產(chǎn)編織網(wǎng)格結(jié)構(gòu)復(fù)合材料時的所有重要參數(shù)。經(jīng)編網(wǎng)格結(jié)構(gòu)主要采用常用的玻璃纖維、高強度聚乙烯纖維、高強度聚酯、聚丙烯等加筋材料。經(jīng)編網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的主要工藝生產(chǎn)過程是原材料和織造技術(shù)的選

25、擇。根據(jù)應(yīng)用的需要，在經(jīng)編網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中使用不同的原料：對于一般應(yīng)用，通常使用聚酯、聚丙烯、玻璃纖維；對于一些特殊應(yīng)用，使用高性能材料，如碳纖維和芳綸纖維；通常使用較細(xì)的滌綸紗線作為加固物。經(jīng)編網(wǎng)格結(jié)構(gòu)采用單一或復(fù)式緯紗雙軸經(jīng)編機進(jìn)行全線生產(chǎn)。這種經(jīng)編機的主要生產(chǎn)商為2家德國公司：卡爾邁耶紡織機械公司和利巴紡織機械公司。一臺直線式緯紗雙軸向經(jīng)編機包括襯經(jīng)、緯紗和連接襯里。這3個系統(tǒng)被引入一個環(huán)形區(qū)域，然后通過編織運動連接成一個圓。將經(jīng)紗和緯紗的襯里捆綁在一起，從而形成一個雙軸向經(jīng)編網(wǎng)。單一緯紗機或嚙合拉舍爾機中可使用一個或多個內(nèi)置導(dǎo)桿，導(dǎo)桿不能重疊。然后，通過在一根或兩根導(dǎo)桿中以不同針距在針背處部

26、分穿入緯紗，以便生產(chǎn)出各種網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。一臺復(fù)式緯紗雙軸向經(jīng)編機（線緯雙軸向經(jīng)編機）包括襯經(jīng)、緯紗和連接襯里。這3個系統(tǒng)被引入一個圓形區(qū)域，然后通過編織運動被連接成一個環(huán)形網(wǎng)格。經(jīng)紗和緯紗的襯里被捆綁在一起，從而形成雙軸向經(jīng)編網(wǎng)。編織網(wǎng)的雙軸經(jīng)紗，在每個平鋪網(wǎng)格上進(jìn)行橫向和豎向編織，且不會相互交錯，但在更精細(xì)的連接中，會將經(jīng)紗和緯紗交匯處的襯里綁接在一起，形成一個強節(jié)點。對縱行線圈進(jìn)行加固，并將紋路加固并聯(lián)結(jié)在一起，以形成網(wǎng)格。3.2.3 纖維纏繞網(wǎng)格結(jié)構(gòu)當(dāng)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)受到軸向壓縮時，箍筋處于相當(dāng)?shù)偷睦鞈?yīng)力下，因此其性能并不重要，因為蒙皮（通常由環(huán)形線圈制成）幾乎不受軸向荷載的影響。螺旋鋼筋是網(wǎng)格結(jié)

27、構(gòu)中的主要承載件，其性能主要取決于制造工藝的參數(shù)（鋼筋的尺寸、張力、樹脂粘度等）和網(wǎng)格設(shè)備的成型。網(wǎng)格結(jié)構(gòu)制造工藝的主要類型如下：所采用的傳統(tǒng)增強法是一種自由成型纏繞技術(shù)，紗線按一定的角度和距離布置在心軸上。該成型方法成本很低，但網(wǎng)格成品的性能較差，如圓柱體的網(wǎng)格扭曲，以及縱筋端部網(wǎng)格嚴(yán)重偏離。輕質(zhì)泡沫芯材料的纏繞通常包括蒙皮傷口、蒙皮傷口內(nèi)注射模芯材料內(nèi)的蒙皮，然后在溝槽中纏繞縱向加強件，并最終從蒙皮中繞出。該成型方法成本適中、性能高、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)質(zhì)量好、承載能力佳、具有耐高溫、防潮、降噪效果好等特點。如果只有網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的外蒙皮，則拆除可能會引起機械損傷、化學(xué)損傷和熱損傷的泡沫模具。連續(xù)纖維纏繞、

28、布帶鋪設(shè)和RTM方法已應(yīng)用于網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)，具有實現(xiàn)全自動生產(chǎn)的巨大潛力。對于熱塑復(fù)合材料，即使沒有真空袋或高壓釜也可進(jìn)行固化。這樣，將大大降低生產(chǎn)成本。網(wǎng)格結(jié)構(gòu)可采用具有網(wǎng)格槽的金屬內(nèi)襯形成金屬復(fù)合材料，用作軸承箱和壓力容器。根據(jù)復(fù)合材料的特點，優(yōu)化網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和蒙皮層，使復(fù)合材料的強度和剛度達(dá)到最大。舉例來說，太陽能電池陣的典型網(wǎng)格框架板由2個平鋪復(fù)合材料網(wǎng)格板組成，該網(wǎng)格板由單向碳素纖維增強塑料通過纖維纏繞制成?？蚣苡?個平鋪網(wǎng)格復(fù)合材料板組成，使用框架式連接器組裝成三維面板。通過纏繞預(yù)拉伸的碳素纖維膠帶或?qū)⒋旨喚鶆虻劁佋谄戒佇妮S上的槽中，可以同時制造2個網(wǎng)格板。這些槽造于心軸的硅橡膠彈性涂

29、層中。一旦完成纏繞和固化，便可切割板材，并將其從心軸中取出。3.3 先進(jìn)復(fù)合材料網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在軌道交通車輛中的應(yīng)用與夾層結(jié)構(gòu)相比，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的一個重要優(yōu)點就是其可靠性高；網(wǎng)格結(jié)構(gòu)對損傷不敏感，易于修復(fù)，而且多重承載也不會降低結(jié)構(gòu)的承載能力，因此其應(yīng)用廣泛，市場潛力可觀。復(fù)合材料網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格結(jié)構(gòu)這一概念前景廣闊。在航空工業(yè)中，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)或網(wǎng)格結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于商用飛機的機身結(jié)構(gòu)，因為基本的承載元件是由單向碳-環(huán)氧復(fù)合材料制成，與鋁原型相比，質(zhì)量減少了30%40%。此外，薄織物外蒙皮在張力作用下不會開裂，在受到撞擊時也不會分層。另一個優(yōu)點是，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)完全一體。在生產(chǎn)時，裝配部件和附件是通過卷繞程序與機身結(jié)構(gòu)一并制造的。除了