Shift2 Rail European计划等举措鼓励研究创新的铁路产品解决方案，目的是将欧洲铁路系统的运力增加一倍，提高其可靠性和服务质量，同时将生命周期成本减半。

降低现有金属列车车厢结构的重量是实现这些目标的工作之一。车厢结构使用复合材料将减轻列车的总重量，从而增加其有效载荷(乘客和行李)和速度。

在AERFITEC联盟(由Aernnova、Fidamc和Tecnalia组成)实施的PIVOT项目框架内，研究了不同材料的非热压罐(OOA)工艺，如浸渍、半预浸和拉挤成型，以开发可在一次成型工艺中生产高度复杂结构的工艺组合。

Tecnalia与AERFITEC联盟PIVOT和PIVOT2项目(轨道车辆性能改进-授权协议777629和881807)的合作伙伴一起，致力于开发一种高度集成复合材料技术的列车车体，同时满足EN 45545欧洲标准的严格防火要求。

减负策略

当前的列车车体由覆盖有整流罩的金属结构形成，整流罩具有空气动力学、美学、维护、元件保护、安全等方面的功能。功能性，但绝不是结构性的。

承受主要机械应力的结构包括大量需要许多连接操作(用铆钉、螺栓或焊接接头)的零件，增加了制造成本。

 

Talgo的金属列车车体结构的3D CAD和Tecnalia的简化一次性复合材料结构的3D CAD(从左至右)

 

网格划分和有限元分析

该项目的主要减重策略是通过使用具有高机械性能的复合材料的一次性制造工艺来统一整流罩和结构。为此，该团队寻找满足铁路标准主要要求的商业材料，并特别关注防火烟毒(FST)复合材料，通过OOA制造工艺(如浸渍、拉挤成型和OOA半浸渍材料)选择最合适的材料进行整合。组合和集成不同的制造技术是实现减重目标的关键。组合的主要优势是可以灵活地寻求每种技术的最佳优势，并根据最新应用定制属性，但由于高度专业化，需要对不同技术有深入的了解。集成的主要优点是减少了不同部件之间的机械连接。

迭代设计过程包括通过有限元法(FEM)使用静态和动态(固有频率-模态)分析计算不同的结构配置，同时考虑运行时的负载规范和边界条件的要求。

高级技术要求和规范

铁路部门要求列车车体在机械应力、抗冲击性、振动、声学等方面符合某些高水平的要求和规范。本文重点介绍EN 45545中规定的铁路车辆防火要求，其中防火性能要求取决于材料的固有性质，还取决于材料或部件在设计中的位置(内部或外部)、其具体用途(家具、电工或机械设备)、暴露和相对质量，以及材料的形状、厚度和分布。

 

泰克纳利亚公司的烟火毒性试验

该研究基于评估材料是否符合EN- 45545-2的R7要求，考虑了危险等级(HL)，通过以下试验进行:–根据ISO 5658 2:2006的火焰蔓延试验；–燃烧反应试验，量热锥法，根据ISO 5660 1:2015；–根据ISO 5659 2:2017的规定，在50 kW/m2的热攻击下进行烟雾和毒性试验，以计算Dsmax、Ds、VOF4和CITg。

制造过程:通过比例演示器进行微调

列车地板是框架最关键的结构部分，因为它通过车钩接头在不同列车车厢之间传递大部分载荷。

从13米长和2.8米宽的地板设计开始，耦合器区域(1×1.3米)的简化比例演示器被设计用于验证拉挤型材在泡沫芯夹层结构内的集成，并验证半预浸材料在过渡区域的层压和悬垂性，例如带有耦合器的HVAC系统的后部集成区域。

为了制造验证机，设计并制造了一个模具，在该模具中，最初，下蒙皮由具有“下降”的不同方向的不同层层压而成。纵向和横向拉挤型材安装在下蒙皮上。使用薄膜粘合剂和填充膏，在型材之间完成泡沫芯的切割图案。接下来，层压上半预浸蒙皮，试图使不同方向的层适应形成耦合器和HVAC间隙的几何过渡。最后，使用用于压实和固化的真空袋，在烘箱中在100℃下固化该部件4小时。铣削后获得的结果如下所示。

 

概念整合结构(左)和地板耦合器区域(右)整合轻型轨道车辆复合结构的比例演示器的底面符合高防火要求。

制造过程:放大和实际测试验证

一旦制造过程得到验证，就决定制造一个完整列车车体部分的全尺寸演示器，以在INNOTRANS22上展示项目成果，inno trans 22是一如既往在柏林举办的铁路行业参考展会。

在部件和必要模具的设计中获得的所有知识都被复制，随后制造了1:1比例的混合复合材料车体结构演示器，用于Talgo高速列车的中级客车，该演示器在每年在巴黎举行的复合材料交易会JEC世界2023上展示和展出。

Talgo 350是一种已经在西班牙运行了15年的高速列车，Talgo HHR变体已经在沙特运行了5年。车身主要尺寸为:长12.140 mm宽2.942 mm高3.055 mm轴距:13.140 mm。车身分为两个主要部分，在装配过程结束时集成在一起:由铝和CFRP制成的端壁，以及使用整体式、夹层式和拉挤型材制成的主管(车顶、侧板和地板/主框架)。用于制造复合部件的技术(除了由Fiber Profil S.L .提供的拉挤型材)基于符合铁路FST标准的CFRP semipreg材料的手工和半自动铺设。这避免了在制造主管时在钢和/或铝上进行焊接。

 

完整截面的全尺寸演示器

 

CFRP车身的装配图(左)和内部视图(右)

 

在2023年JEC世界移动星球上展出的演示者

总之，这项技术提供的优势：

• 由于重量减轻了25%,有效负载能力更高
• 更低的能耗
• 简化装配过程(避免铆接和焊接操作)
• 提高利益相关方对TRL 6/7的技术准备程度(TRL)