【軌道交通】滿足高防火要求的集成輕型軌道車輛復合結構
Shift2 Rail European計劃等舉措鼓勵研究創新的鐵路產品解決方案，目的是將歐洲鐵路系統的運力增加一倍，提高其可靠性和服務質量，同時將生命周期成本減半。
降低現有金屬列車車廂結構的重量是實現這些目標的工作之一。車廂結構使用復合材料將減輕列車的總重量，從而增加其有效載荷(乘客和行李)和速度。
在AERFITEC聯盟(由Aernnova、Fidamc和Tecnalia組成)實施的PIVOT項目框架內，研究了不同材料的非熱壓罐(OOA)工藝，如浸漬、半預浸和拉擠成型，以開發可在一次成型工藝中生產高度復雜結構的工藝組合。
Tecnalia與AERFITEC聯盟PIVOT和PIVOT2項目(軌道車輛性能改進-授權協議777629和881807)的合作伙伴一起，致力于開發一種高度集成復合材料技術的列車車體，同時滿足EN 45545歐洲標準的嚴格防火要求。
減負策略
當前的列車車體由覆蓋有整流罩的金屬結構形成，整流罩具有空氣動力學、美學、維護、元件保護、安全等方面的功能。功能性，但絕不是結構性的。
承受主要機械應力的結構包括大量需要許多連接操作(用鉚釘、螺栓或焊接接頭)的零件，增加了制造成本。
Talgo的金屬列車車體結構的3D CAD和Tecnalia的簡化一次性復合材料結構的3D CAD(從左至右)
網格劃分和有限元分析
該項目的主要減重策略是通過使用具有高機械性能的復合材料的一次性制造工藝來統一整流罩和結構。為此，該團隊尋找滿足鐵路標準主要要求的商業材料，并特別關注防火煙毒(FST)復合材料，通過OOA制造工藝(如浸漬、拉擠成型和OOA半浸漬材料)選擇最合適的材料進行整合。組合和集成不同的制造技術是實現減重目標的關鍵。組合的主要優勢是可以靈活地尋求每種技術的最佳優勢，并根據最新應用定制屬性，但由于高度專業化，需要對不同技術有深入的了解。集成的主要優點是減少了不同部件之間的機械連接。
迭代設計過程包括通過有限元法(FEM)使用靜態和動態(固有頻率-模態)分析計算不同的結構配置，同時考慮運行時的負載規范和邊界條件的要求。
高級技術要求和規范
鐵路部門要求列車車體在機械應力、抗沖擊性、振動、聲學等方面符合某些高水平的要求和規范。本文重點介紹EN 45545中規定的鐵路車輛防火要求，其中防火性能要求取決于材料的固有性質，還取決于材料或部件在設計中的位置(內部或外部)、其具體用途(家具、電工或機械設備)、暴露和相對質量，以及材料的形狀、厚度和分布。
泰克納利亞公司的煙火毒性試驗
該研究基于評估材料是否符合EN- 45545-2的R7要求，考慮了危險等級(HL)，通過以下試驗進行:–根據ISO 5658 2:2006的火焰蔓延試驗；–燃燒反應試驗，量熱錐法，根據ISO 5660 1:2015；–根據ISO 5659 2:2017的規定，在50 kW/m2的熱攻擊下進行煙霧和毒性試驗，以計算Dsmax、Ds、VOF4和CITg。
制造過程:通過比例演示器進行微調
列車地板是框架最關鍵的結構部分，因為它通過車鉤接頭在不同列車車廂之間傳遞大部分載荷。
從13米長和2.8米寬的地板設計開始，耦合器區域(1×1.3米)的簡化比例演示器被設計用于驗證拉擠型材在泡沫芯夾層結構內的集成，并驗證半預浸材料在過渡區域的層壓和懸垂性，例如帶有耦合器的HVAC系統的后部集成區域。
為了制造驗證機，設計并制造了一個模具，在該模具中，最初，下蒙皮由具有“下降”的不同方向的不同層層壓而成?？v向和橫向拉擠型材安裝在下蒙皮上。使用薄膜粘合劑和填充膏，在型材之間完成泡沫芯的切割圖案。接下來，層壓上半預浸蒙皮，試圖使不同方向的層適應形成耦合器和HVAC間隙的幾何過渡。最后，使用用于壓實和固化的真空袋，在烘箱中在100℃下固化該部件4小時。銑削后獲得的結果如下所示。
概念整合結構(左)和地板耦合器區域(右)整合輕型軌道車輛復合結構的比例演示器的底面符合高防火要求。
制造過程:放大和實際測試驗證
一旦制造過程得到驗證，就決定制造一個完整列車車體部分的全尺寸演示器，以在INNOTRANS22上展示項目成果，inno trans 22是一如既往在柏林舉辦的鐵路行業參考展會。
在部件和必要模具的設計中獲得的所有知識都被復制，隨后制造了1:1比例的混合復合材料車體結構演示器，用于Talgo高速列車的中級客車，該演示器在每年在巴黎舉行的復合材料交易會JEC世界2023上展示和展出。
Talgo 350是一種已經在西班牙運行了15年的高速列車，Talgo HHR變體已經在沙特運行了5年。車身主要尺寸為:長12.140 mm寬2.942 mm高3.055 mm軸距:13.140 mm。車身分為兩個主要部分，在裝配過程結束時集成在一起:由鋁和CFRP制成的端壁，以及使用整體式、夾層式和拉擠型材制成的主管(車頂、側板和地板/主框架)。用于制造復合部件的技術(除了由Fiber Profil S.L .提供的拉擠型材)基于符合鐵路FST標準的CFRP semipreg材料的手工和半自動鋪設。這避免了在制造主管時在鋼和/或鋁上進行焊接。
完整截面的全尺寸演示器
CFRP車身的裝配圖(左)和內部視圖(右)
在2023年JEC世界移動星球上展出的演示者
總之，這項技術提供的優勢：
- 由于重量減輕了25%,有效負載能力更高
- 更低的能耗
- 簡化裝配過程(避免鉚接和焊接操作)
- 提高利益相關方對TRL 6/7的技術準備程度(TRL)
