西南交通大学硕士学位论文碳纤维复合材料在高速列车上的应用研究姓名：王明猛申请学位级别：硕士专业：车辆工程指导教师：肖守讷201205西南交通大学硕士研究生学位论文第１页捅要本文对５００ｋｍ／ｈ高速试验列车碳纤维复合材料车头罩进行了设计、分析和探讨。
在借鉴国内外碳纤维复合材料结构的设计和强度分析方法的基础上，结合真空导入成型工艺特点以及现有车头罩的性能，充分发挥碳纤维复合材料比强度和比刚度高的特性，设计了高速列车用碳纤维复合材料车头罩。
根据ＩＥＣ６１３７３．１９９９《铁道车辆设备冲击和振动试验标准》和ＧＢ／Ｔ３３１７．２００６《电力机车通用技术条件》的相关规定，对车头罩进行冲击工况、气动静载荷工况以及端部排障压缩工况下的强度、变形仿真计算分析。
以仿真计算结果为依据，采用真空导入工艺方法，试制了ＣＦＲＰ车头罩样件，并对其进行１３７ｋＮ端部排障压缩试验。
试验结果表明，该结构的力学性能符合要求。
说明该结构整体设计的合理性；数值仿真计算的准确性；同时也证明了数值仿真计算可以为复合材料的工程应用提供有意义的指导依据。
本文具体研究内容如下：（１）综述了国内外复合材料的理论分析以及工程应用的发展状况和研究方向，并针对复合材料在高速列车上的主承力件以及非主承力件的应用情况进行了分析和总结，阐述了碳纤维复合材料应用到５００ｋｍ／ｈ高速试验列车车头罩上的重大意义及可行性。
（２）简述了复合材料力学的基础理论，主要包括各向异性弹性力学基础，单层板的弹性特性，层合板的弹性特性等。
复合材料与各向同性材料不同，其弹性特性比较复杂。
准确的掌握单层板以及层合板的弹性特性，将为复合材料的开发和应用提供十分重要的理论及技术支持。
（３）简单介绍复合材料在ＡＮＳＹＳ中的分析方法和流程。
根据典型层合板的弹性特性，针对一简单对称层合板受ｘ、Ｙ方向拉力问题的算例，分别通过解析法理论计算和有限元法仿真计算，对比两种方法得到的各层正轴应力和偏轴应力，相对误差均在０．６３％以内。
F-22战斗机F-22 世界上第一种也是目前唯一一种投产的第四代超音速战斗机，它所具备的“超音速巡航、超机动性、隐身、可维护性”（即所谓的S4 概念，也有资料将“短距起落”包含在内，称为S5）成为第四代超音速战斗机事实上的划代标准。
它的任务包括：夺取制空权，向美军作战提供空中优势，在战区空域有效实施精确打击；防空火力压制和封锁、纵深遮断，近距空中支援。
与第三代战斗机相比，F/A-22飞机最具里程碑意义的技术特性是：采用全隐身与气动综合布局、持续的超音速巡航能力、过失速机动、短距起降、先进的机载设备和火控系统与综合航空电子系统。
F-22加速飞行即将跨越音速前F-22设计结构：F-22采用双垂尾双发单座布局。
垂尾向外倾斜27度，恰好处于一般隐身设计的边缘。
其两侧进气口装在翼前缘延伸面（边条翼）下方，与喷嘴一样，都作了抑制红外辐射的隐身性设计，主翼和水平安定面采用相同的后掠角和后缘前掠角，都是小展弦比的梯形平面形，水泡型座舱盖凸出于前机身上部，全部武器都隐蔽地挂在4个内部弹舱之中。
在平面内为带高位梯形机翼的带尾翼的综合气动力系统，包括彼此隔开很宽和带方向舵并朝外倾斜的垂直尾翼，并且水平安定面直接靠近机翼布置。
按照技术标准(小反射外形、用吸收无线电波的材料、用无线电电子对抗器材和小辐射的机载无线电电子设备装备战斗机，其设计最小有交错射面为0.1平方米左右。
F/A-22是美国战斗机中使用钛合金与复合材料最多的机型。
其中钛-64合金约36%、热定型复合材料约24%、铝合金约16%、钢约6%、钛-52222合金约3%、热塑复合材料约1%、其它约15%。
F-22机身蒙皮全都是高强度、耐高温的BMI复合材料。
新研究开发的高强度钴-62222合金，初问世就用在F—22上。
主起落架使用钢材。
武器舱门与起落架舱门使用热塑复合材料。
两侧翼下菱形截面发动机进气道为不可调节的进气道，为敷设发动机压气机冷壁进气道呈S形通道。
发动机二维喷管，有固定的侧壁和调节喷管横截面积及按俯仰±20°角偏转推力矢量而设计的可动上调节板和下调节板.4S特点：超音速巡航能力:说到超音速性能，首先要提到的就是超音速巡航能力。
关于四代机的几个技术问题四代战斗机（美、俄称五代机）没有国际公认标准。
美国F-22最初提的战技要求，强调要有所谓4S能力——超音速巡航、超机动、隐身、维修性可靠性。
此外还有“先发现、先攻击、先摧毁”和一些性能数据，如什麽高度、过载等要求。
现在前三个S比较公认，但不能认为缺一个S就不是四代机.。
每个国家是根据自己的经济实力、技术实力和军方要求研制新一代飞机。
这些要求有的互相有矛盾，强调了这个，别的就要有点损失。
所以这些要求的排序很重要，比如把隐身排第一，其它就要相对“让位”。
所以讨论此问题每个国家观点不一样，飞机研制是综合平衡的问题。
最早YF-22和YF-23竞标时，YF-23的隐身性能好于YF-22，但美国空军最终还是选择了YF-22。
本文重点讲前三个S的难点和矛盾以及一些有关四代机的话题。
超音速巡航先谈超音速巡航（超巡），即要求发动机不开加力飞超音速。
超巡最重要的是发动机和飞机阻力的问题。
一般要讨论飞机阻力都用阻力系数。
阻力等于4个参数乘在一起——大气密度，速度的平方，机翼面积，阻力系数。
而且为考虑别的方面，还要再乘以二分之一，因为二分之一乘以密度和速度的平方，称为“动压”，加二分之一就方便一点。
发动机推力要克服阻力，所以在设计新飞机有这个矛盾，考虑将难点压在哪一方面。
如果飞机已经尽一切办法将阻力减到最少，想达到超巡那就要看发动机。
相反如果发动机推力无法提高，就只能在气动上下死功夫，所以发动机和飞机设计单位往往有很多争论。
四代机以前的飞机要飞超音速，往往发动机要开加力，短时间推力很大、速度很快，但缺点是很耗油。
后来又想超音速，又想省油，就提出发动机不开加力长时间飞超音速，就是超音速巡航。
原来有的发动机开加力后的推力比不开加力要大50%甚至80%以上。
现在很多人谈发动机推重比要大，比如推重比10，但这是最大加力推力与发动机重量的推重比，要超巡还要重视发动机不开加力时的推重比要大。
计算飞机的阻力用的阻力系数分两部分，一个叫废阻力系数，就是和升力无关的那部分阻力。
