欧洲国家针对复合材料转向架技术的应用研究开始得最早, 德国设计制造了世界上首个由先进玻璃纤维复合材料制成的转向架构架, 如图1所示.该转向架构架的设计目标是减轻转向架重量、减少零件数量、提高运行性能(主要指舒适性和受力程度)、减小声扩散以及降低维修成本.最终完成的转向架构架重量约为500 kg, 可使每节车厢在转向架上减轻3 t重量.对该转向架构架进行了静态试验、疲劳试验、最高时速250 km/h的线路试验和最高速度350 km/h的稳定性试验, 试验结果满足相关要求.1988年, 该复合材料转向架构架被装在一列城际列车上进行线路运营考核, 经过3年上百万千米的运行, 没有发现任何损坏、磨损或断裂.尽管试验和试运营结果初步证实了复合材料应用于转向架结构的可行性, 但鉴于成本缺乏竞争力, 该技术没有在后续的现车产品中得到推广和应用^{[9, 10, 11, 12]}.英国设计制造了一种由玻璃纤维增强复合材料制成的转向架构架— — GRP25, 如图2所示, 这个转向架用于25.5 t轴重的客车, 整个转向架构架玻璃纤维的体积分数约为46%, 总重量比安装有相同制动系统的钢转向架构架轻了1 t.Hou等^[13]使用有限元软件Marc分析了该转向架构架在横向、垂向、纵向、扭转等静载荷条件下的刚度和应力水平.分析结果显示, 构架大部分应力是由垂直载荷引起的, 由纵向、扭转载荷引起的应力变化非常小, 并且与材料强度相比, 各个方向的应力水平都较低.Chvojana等^{[14, 15]}对该转向架构架进行了静态、扫频和谐振试验, 并开发了一种振动试验台, 使用电动-液压测试系统来获得整个轨道车辆在不同工况以及使用不同悬架参数时的性能, 测试评估包括阻尼系数、固有频率以及梁应变和变形等参数.法国阿尔斯通公司的Maurin等^[16]研究了复合材料转向架构架侧梁的机械可靠性, 并对该转向架构架进行了1 600万次循环的疲劳试验, 试验结果满足要求.

图1

Fig.1

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	图1 德国复合材料转向架[12]Fig.1 German composite bogie[12]

图2

Fig.2

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	图2 GRP25转向架[13]Fig.2 GRP25 bogie[13]

亚洲国家中, 日本的川崎重工公司于2013年6月发布了其研发的efWING转向架, 如图3所示, 该转向架采用碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics, CFRP)制造, 并对转向架结构做了重大改进, 通过采用弓形弹簧的结构形式, efWING将传统车辆采用的钢制侧架和螺旋弹簧这些单独组件的功能结合起来, 以简化设计.与传统钢转向架相比, CFRP转向架减重了40%, 设计寿命为40年, 对这个转向架进行了滚动台、防火、线路试验, 结果均满足要求^{[12, 17]}.efWING转向架的创新结构设计给了从业者很大的启发.韩国铁路研究院的Jung等^[18]设计制造了玻璃纤维增强复合材料(Glass Fiber Reinforced Plastics, GFRP)转向架构架见图4, 并针对该复合材料转向架构架进行了大量研究.Kim等根据JISE 4207和UIC 515/615-4标准, 利用蔡-吴失效准则和Goodman图, 评价了GFRP复合材料转向架构架的疲劳强度^[19]; 通过模态测试评估了复合材料转向架构架固有频率, 并使用有限元方法验证了测试结果^[20]; 比较了3种不同转向架结构:常规钢、无一系悬挂的复合材料和具有锥形橡胶一系悬挂的复合材料转向架的动态特性; 利用高压釜固化方法(Autoclave Curing Method, ACM)制造了复合材料转向架材料构架, 在临界垂向、扭转载荷下进行了静态试验, 评估了横梁和侧梁之间连接区域处的应力和挠度^[21]; 使用有限元方法评估了2个具有不同侧梁高度的复合材料转向架构架的结构静态和疲劳安全性^[22]; 并分别采用高压釜固化法和树脂传递成型法(Resin Transfer Moulding Method, RTM)制造了复合材料侧梁, 比较了它们在垂向载荷条件下的变形、总重以及疲劳性能^[23]; 分析了弯曲载荷下复合材料转向架构架中使用的两种T型接头的极限强度和失效模式^[24].韩国研究者对复合材料转向架的研究方法以试验为主, 仿真验证参考传统金属材料转向架的评价标准, 未能针对转向架的结构特点和复合材料的特殊性能提出具有创新性的方法.北京大学的姚凯等^[25]设计了一种用于城市磁悬浮列车转向架构架的复合材料滑撬, 结构见图5, 介绍了具体的模具设计和制造过程, 并分别进行了3点弯曲试验和有限元分析以评估该结构的静态强度, 试验结果表明, 与传统金属材料相比, 玻璃纤维增强复合材料滑撬可满足承重要求, 重量减轻约30.9%.在2018年柏林国际轨道交通技术展上, 中国中车(CRRC)发布了新一代碳纤维地铁车辆“ CETROVO” , 该地铁车辆采用先进的碳纤维复合材料技术, 车体、转向架构架、司机室、设备舱及设备机体等均使用碳纤维复合材料制造, 其中, 转向架构架减重40%, 结构如图6所示^[26].

图3

Fig.3

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	图3 日本efWING转向架[17]Fig.3 Japanese efWING bogie[17]

图4

Fig.4

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	图4 韩国GFRP转向架构架Fig.4 Korean GFRP bogie frame

图5

Fig.5

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	图5 磁悬浮列车转向架构架及其滑撬结构Fig.5 Configuration of maglev train bogie frame and coasting block

图6

Fig.6

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	图6 中国中车碳纤维复合材料转向架构架Fig.6 CRRC CFRP bogie frame

复合材料在转向架构架上应用的尝试已有30余年历史, 但至今各国大都处于理论研究与试验验证或小范围试用阶段, 未能投入大规模实际应用, 也未形成统一可靠的行业设计与验证规范, 复合材料转向架的设计验证工作多以航空届复合材料结构标准或设计金属材料结构的经验为参考, 采用试验为主、仿真为辅的手段, 因此, 为了最大限度地开发复合材料的潜能, 降低研发成本, 完善复合材料转向架构架结构设计的技术手段, 需要针对转向架服役环境和载荷条件, 特别是疲劳载荷, 广泛深入地开展纤维增强复合材料结构的理论研究.

复合材料具有各向异性与不均匀性, 与金属材料相比, 复合材料在疲劳载荷作用下的损伤机理十分复杂, 如图7所示, 具体区别表现在^[27]:

图7

Fig.7

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	图7 复合材料层合板在循环载荷下的损伤机理[28]Fig.7 Damage mechanisms in composite laminate under cyclic loading[28]

1)与金属相比, 复合材料表现出更好的抗疲劳性.复合材料的疲劳率(拉-拉疲劳强度与静态拉伸强度的比值)一般大于0.4, CFRP可以达到0.9, 而金属一般小于0.5, 铝只有0.3;

2)复合材料对压缩疲劳载荷更加敏感, 某些复合材料在压缩载荷下的疲劳率可低至0.3, 复合材料在压-压状态下的疲劳强度远低于拉-拉状态的, 而金属则相反;

3)损伤累积过程不同, 如图8所示, 金属总疲劳寿命中的相当大一部分为逐渐失效且损伤不可见的阶段, 金属刚度在疲劳过程中没有显著降低.但在复合材料疲劳过程中, 仅需几百次加载循环便会出现损伤, 甚至在高应力水平的第一次加载循环中就会出现损伤, 这种早期的破坏之后是材料性能逐渐退化的第二阶段, 第三阶段则出现更严重的破坏类型, 如不稳定的分层扩展和纤维断裂, 最终结构整体失效.

图8

Fig.8

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	图8 复合材料和金属在疲劳载荷下损伤演化过程比较[29]Fig.8 Comparison of the damage evolution process of composites and metals under cyclic loading[29]

影响复合材料层合板疲劳性能的因素很多, 包络纤维和基体类型、纤维方向、纤维体积分数、平均应力与应力比、加载频率、环境因素(湿热)等, Ansari等^[30]详细论述了这些条件的具体影响.为了准确描述复合材料的疲劳损伤和寿命, 各国学者们开展了大量研究, 可将针对复合材料层合板疲劳行为的分析方法分为3种^[31]:疲劳寿命模型, 基于剩余刚度或剩余强度的唯象模型和渐进损伤模型(机理模型).

2.2 剩余刚度/强度模型

剩余刚度或剩余强度模型使用一个宏观的描述刚度或强度逐渐退化的演化规律, 如图9所示, 来表征复合材料的疲劳过程^{[28, 29, 31, 34, 44, 45, 46]}.但剩余强度不能通过无损检测方式测量, 且剩余强度的退化对于损伤累积不敏感^[47], 它在开始时变化非常缓慢, 在临近失效时快速下降, Chou等^[48]引入了一个术语“ 突然死亡(sudden-death phenomenon)” 来描述这种现象.剩余刚度模型需要大量的拟合参数, 这些参数没有实际的物理意义且需要通过大量实验获得^[34], 剩余强度和剩余刚度模型的显著缺点是它们无法考虑复杂的加载模式, 并且无法在多轴应力场下预测复合材料的寿命^[49].

图9

Fig.9

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	图9 复合材料强度和刚度在常幅疲劳载荷下的退化[50]Fig.9 Degradation of composite material’ s strength and stiffness during constant amplitude fatigue loading[50]

分层是复合材料层合板在疲劳载荷下一种最常见的次临界损伤模式, 分层可能由不同的来源引起, 例如基体裂纹、自由边处的奇异应力, 外部冲击或制造缺陷, 它不会导致结构的直接失效, 但会造成结构的刚度损失和局部不稳定, 这反过来会导致结构最终失效, 对于分层疲劳损伤机理的研究十分重要.预测疲劳作用下复合材料层合板分层损伤的方法可以分为4类^{[84, 85, 86, 87]}:

1)基于应力/应变的模型, 利用材料的应力或应变来描述分层扩展^[86].

2)基于断裂力学的方法^{[88, 89]}, 以线弹性断裂力学为基础, 将分层扩展与断裂力学性质(如应力强度因子或应变能释放率)联系起来, 形成类似Paris准则的形式, 一般使用虚拟裂纹闭合技术^[90](Virtual Crack Closure Technique, VCCT)计算应变能释放率.

3)内聚力模型(Cohesive Zone Model, CZM)^{[91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 100, 101, 102, 103, 104]}, 将层合板两层之间的界面用内聚力单元来建模, 这些单元不具有恒定的刚度, 其本构关系由牵引力-位移模型描述.引入损伤参数用于逐步降低单元的刚度, 模拟损伤的增长.

4)扩展有限元方法(EXtended Finite Element Method, XFEM)^{[105, 106, 107, 108, 109]}, 是一种“ 无网格” 有限元技术, 可以更灵活地模拟裂纹扩展, 即可以在任意位置对分层进行建模, 而无需预设裂纹面或裂纹路径.

在结合有限元软件进行复合材料层合板疲劳分层分析的方法中, 基于内聚力模型的方法的研究最为广泛.Amiri-Rad等^[96]提出了预测高周循环载荷下层合板疲劳裂纹扩展的二尺度损伤模型.Jimenez等^[94]研究了高周分层疲劳内聚力模型对参数如形状、强度、刚度的敏感性.Nixon-Pearson等^{[91, 92]}利用试验和仿真方法研究了准各向同性碳纤维/环氧树脂开孔层合板在疲劳载荷下的损伤起始和扩展行为, 损伤形式只考虑了基体裂纹和分层, 仿真过程中利用基于Paris准则的内聚力单元模拟基体裂纹和分层以及它们的相互作用.Tao等^[95]提出了一种改进的四积分点内聚力模型, 用于复杂三维情形下的疲劳损伤模拟.Iarve等^{[108, 109]}建立了一种完整用于模拟层合复合材料中复杂基体开裂和分层的三维分析方法, 利用正则化有限元方法来插入基体裂纹, 利用内聚力单元模拟分层.Fang等^[110]利用结合了连续损伤和离散裂纹的方法, 用于带孔复合材料元件的疲劳损伤表征和的疲劳剩余强度预测.Nojavan等^[103]提出了一种不基于Paris准则的疲劳内聚力模型, 可以预测复合材料在有无初始裂纹或应力集中时的疲劳裂纹萌生和扩展, 提供了一种将裂纹萌生机制纳入现有内聚力方法而无需调整内聚力参数(如韧性和内聚强度)的新途径.

但是上述方法几乎都是唯象的, 即基于观察到的宏观材料行为, 而不是基于对分层扩展微观机理的理解, 它们的核心理念都是对Paris准则的扩展, 必须通过曲线拟合确定参数.未来的工作不应集中于在基于Paris准则的模型中添加更多参数以使其与实验数据更接近, 而是要阐明分层所涉及的物理过程与由此产生的宏观行为之间的联系.

复合材料转向架构架的应用是轨道交通领域追求新技术、新材料、低能耗的必然趋势, 但这种复合材料大型主承载结构的疲劳损伤分析与寿命预测工作仍面临着诸多困难与挑战, 主要包括以下几点:

1)复合材料层合板结构在疲劳载荷下的损伤表征和寿命预测方法以宏观唯象模型为主, 这些模型之间的区别在于表征失效起始以及性能(剩余强度和刚度)退化的方法不同.这些模型中的大多数主要集中在层内疲劳损伤累积而不考虑层间疲劳损伤, 并且仅基于平均宏观应力估计渐进损伤, 而没有进一步探讨微观层面的损伤发展机制, 难以准确地描述各种损伤模式的形成机理、相互作用以及失效顺序, 且对通过实验获取参数的依赖性较强, 虽然基于多尺度方法的模型可以部分解决上述问题, 但是目前的研究还不成熟, 因此, 需要发展能完整地考虑全部失效模式及其相互作用, 并可以量化微观损伤对宏观响应影响的可靠模型.

2)一直以来对疲劳分层萌生现象的研究较少, 分层萌生一般用宏观唯象的S-N曲线来描述, 但为了解决分层萌生问题, 需要通过细观力学分析来研究基体裂纹与分层萌生的耦合作用与机理.

3)对于疲劳载荷下分层扩展的数值模拟方法以内聚力方法为主, 但基于Paris准则的疲劳内聚力模型依然具有宏观唯象性, 且模型中的参数需要大量特定的实验来获取, 而基于细观损伤的内聚力模型设定了诸多假设, 并需要依靠试错法来确定相对准确的参数, 因此, 需要对现有内聚力方法进行改进或结合使用其他方法如XFEM方法, 建立简单高效的疲劳分层扩展模型.

4)现有的复合材料疲劳模型一般针对特定的材料属性、铺层方式和载荷形式, 模型的通用性和普适性问题需要解决, 同时需要考虑更复杂的加载条件如多轴谱载荷, 以及环境因素的影响.

5)复合材料的损伤多尺度分析以及疲劳寿命预测方法的发展均受限于其计算效率低下, 较高的计算成本使其难以应用于大规模工程结构分析中, 因此, 发展基于多尺度方法的疲劳寿命模型需要着重解决计算效率问题.