1.目的及意义

(1)研究背景

《中国制造2025》明确指出，2020年中国新车整体油耗降至5L/100km^[1]。交通运输系统作为能源消耗的主体，实现节能减排的关键途径是轻量化^[2][3]。轻量化是降低油耗、节省能源的主要途径之一，轻量化主要包括材料轻量化、结构轻量化和制造轻量化^[4]。在众多的轻量化材料中，碳纤维复合材料具有优异的综合力学性能：比强度（强度与密度之比）、比模量（模量与密度之比）和比吸能（有效破坏长度内单位质量吸收的能量）高^[5][6]，在等刚度或等强度设计原则下，碳纤维复合材料结构比低碳钢结构减重50% 以上，比镁／铝合金结构减重达30% ，同时其装配零件数量可减少70%；拥有良好的抗疲劳性、耐腐蚀性，零件使用寿命高^[7]。适于作为结构材料达到减重、节省能源的目的。

本设计基于某交通装备实际台式框架结构件，通过刚度和强度等代计算，设计基于碳纤维复合材料的台式框架结构替代原有结构，在保证强度刚度的同时，极大的降低台式框架结构的质量，节约能耗，从而实现节能减排。并开展相应强度分析，计算减重效果。同时碳纤维复合材料的优异性能也有利于提高台式框架结构使用的可靠性。

(2)国内外研究现状

国外对碳纤维复合材料在在交通装备中的应用研究起步较早，在汽车、飞机、舰船和轨道交通等都有相应的应用^[8]，在碳纤维结构设计优化、成型工艺的研究都有成果^[9]。国内在这些方面的研究开始较晚，尚处在起步阶段，但是发展迅速，未来仍要加大研发投入^[10]。

1碳纤维材料主要应用

国外轨道交通装备碳纤维复合材料的应用研究较为成熟，在主承载件及次承载件中均已得到成功应用。2000年法国TGV双层客车的车体采用碳纤、玻纤混合织物夹层结构，较铝合金车身减重25%。2007年日本的N700系列采用碳纤维复合材料减重近10t，加速性能和极速性能分别提高了62.5% 和8%。2008年韩国TTX列车的车顶、侧墙和端墙均采用碳纤维夹层结构，较铝合金车身减重39%^[11]。

2014 年，川崎重工研发世界首个CFRP（增强碳纤维）构架和悬挂功能的转向架efWING。与传统的钢制构架相比，重量降低约 40%，相当于每车减 900 kg，这一显著的减重效果提高了能源的利用率^[12]。

国内方面，青岛四方在碳纤维复合材料的应用比较成功，采用模块化设计理念，研制了某动车设备舱。长春客车采用流线型车头的试制样车中的前端车钩头盖；并探讨采用碳纤维制造受较大载荷的车顶导流罩，受成本制约未进行生产；在新一代长客动车组应用了碳纤维内饰部件^[13]。