1.前言

集裝箱運(yùn)輸在提高運(yùn)輸裝卸效率，保證運(yùn)輸質(zhì)量和保護(hù)生態(tài)環(huán)境等諸多方面具有突出的優(yōu)越性，許多國家和地區(qū)都采取各種優(yōu)惠措施不斷擴(kuò)大集裝箱運(yùn)輸。我國的集裝箱運(yùn)輸從20世紀(jì)50年代開始起步，目前已成為我國鐵路貨物運(yùn)輸?shù)闹匾绞健?br />
　　然而，在鐵路集裝箱制造方面，由于技術(shù)和試驗(yàn)手段落后，存在著品種單一，自重偏高等問題，在很長一段時間只能生產(chǎn)鋼質(zhì)與鋁合金質(zhì)的集裝箱。近幾年，快速發(fā)展的輕質(zhì)，高強(qiáng)．高分子復(fù)合材料，以其具有高的比強(qiáng)度、好的疲勞性能、減振性能、耐化學(xué)腐蝕及耐熱性能，并易于維修、清理等特點(diǎn)，引起各有關(guān)方面的高度重視。對鐵路貨運(yùn)而言，一些易燃、怕濕、易腐蝕等貨物特別適合使用復(fù)合材料的集裝箱進(jìn)行運(yùn)輸。

　　在集裝箱制造使用的材料方面，曾出現(xiàn)過鋼質(zhì)箱、鋁質(zhì)箱和用合成材料制成的玻璃鋼箱。由于我國復(fù)合材料研究工作起步相對較晚，使得復(fù)合材料的性能難以滿足集裝箱設(shè)計(jì)的要求，特別是剛度問題和自重的矛盾，大大制約了復(fù)合材料集裝箱的研制。目前，我國復(fù)合材料研究取得了快速發(fā)展，生產(chǎn)工藝水平大大提高，復(fù)合材料板的強(qiáng)度和承載性能已經(jīng)超過普通的合金鋼(如16Mn鋼)。以往復(fù)合材料存在的塑料老化、連接處強(qiáng)度削弱大的缺點(diǎn)已基本克服，復(fù)合材料產(chǎn)品在許多行業(yè)中得到推廣應(yīng)用。我國研制復(fù)合材料集裝箱的外部條件已經(jīng)成熟。

2　鐵路集裝箱應(yīng)用復(fù)合材料的可行性

2.1　復(fù)合材料工業(yè)的發(fā)展

我國的復(fù)合材料研究起始于1958年。1961年研制成用于遠(yuǎn)程火箭的玻璃纖維酚醛樹脂燒蝕防火彈頭，1962年引進(jìn)不飽和聚酯樹脂、噴射成型和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)成型技術(shù)，并制造了玻璃鋼的直升機(jī)螺旋槳葉和風(fēng)洞葉片，同年開始纖維纏繞工藝研究并生產(chǎn)出批氧氣瓶等壓力容器。自20世紀(jì)70年代以后玻璃鋼復(fù)合材料逐漸轉(zhuǎn)向民用。1981年復(fù)合材料年產(chǎn)量為1.5萬噸，到1986達(dá)到6.5萬噸，年增長率為13％。1987年以后在國家改革開放政策指引下，大量引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)，形成了研究、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及原材料相互配套的較為完整的工業(yè)體系。到1995年國內(nèi)玻璃鋼產(chǎn)量已達(dá)到16.5萬噸，產(chǎn)品近2000種，機(jī)械化年生產(chǎn)能力達(dá)25萬噸。我國的玻纖工業(yè)2001年總產(chǎn)量已達(dá)到27萬噸。先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件正在由次承力件向主承力件過渡。在成型工業(yè)方面，先進(jìn)復(fù)合材料借助玻璃鋼成型技術(shù)逐步實(shí)現(xiàn)由手糊到機(jī)械化、自動化的轉(zhuǎn)變。
　　由于集裝箱結(jié)構(gòu)相對簡單，玻璃纖維基復(fù)合材料(玻璃鋼)完全能滿足設(shè)計(jì)要求，而玻璃纖維基復(fù)合材料正是目前我國復(fù)合材料工業(yè)的重點(diǎn)產(chǎn)品。目前復(fù)合材料工業(yè)的發(fā)展水平，完全適應(yīng)我國鐵路集裝箱制造的要求。

2.2　專用復(fù)合材料集裝箱的研制

近幾年，由于專業(yè)領(lǐng)域?qū)b箱的要求越來越高，特別是在航空領(lǐng)域，設(shè)計(jì)了一些專用集裝箱。復(fù)合材料集裝箱是以集裝箱在腐蝕、磨損、沖擊、載重、運(yùn)輸?shù)葟?fù)雜工況條件下長期使用為目的進(jìn)行設(shè)計(jì)的，通過合理設(shè)計(jì)使集裝箱具有適于運(yùn)輸?shù)母弑葟?qiáng)度或高比模量的力學(xué)性能。復(fù)合材料集裝箱的設(shè)計(jì)以材料設(shè)計(jì)為主線，功能設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為重點(diǎn)，三者相互協(xié)調(diào)，同步進(jìn)行。所用組分材料有增強(qiáng)材料、基體材料功能材料及輔助材料四類。增強(qiáng)材料有金屬纖維(或金屬層)，合成纖維，玻璃纖維；功能材料有耐磨、減摩、導(dǎo)熱、導(dǎo)電、耐腐蝕功能填料及助劑等；基體材料主要選用環(huán)氧樹脂和不飽和聚酯樹脂；輔助材料為固化劑、促進(jìn)劑、溶劑、增韌劑等。增強(qiáng)材料既發(fā)揮其力學(xué)性能，又同時發(fā)揮物理化學(xué)功能，從功能、結(jié)構(gòu)兩方面同時發(fā)揮纖維的作用。金屬纖維具有高彈性模量、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、高硬度的特性；合成纖維則耐腐蝕、耐磨損、高延伸率、低密度；玻璃纖維強(qiáng)度高、硬度大、透微波。纖維的多種功能與功能填料助劑的合理配合使超混雜復(fù)合材料的設(shè)計(jì)有較大的自由度，多相材料復(fù)合的界面技術(shù)可使非均質(zhì)纖維、微粒狀組分材料與基體樹脂可靠粘結(jié)，并使復(fù)合材料內(nèi)部的應(yīng)力平衡，以保持其良好的尺寸穩(wěn)定性和成型工藝可行性。

　　設(shè)計(jì)的專用集裝箱為空運(yùn)集裝箱，包括5 t集裝箱和2.5 t集裝箱兩種型號，目前已經(jīng)在軍隊(duì)物資空運(yùn)中進(jìn)行試用。采用復(fù)合材料設(shè)計(jì)的集裝箱主要有以下幾個特點(diǎn)。

　　(1)自重輕。以5 t集裝箱為例，外部尺寸為2991 mm x 2238 mm x 2438 mm，原有鋁合金結(jié)構(gòu)集裝箱設(shè)計(jì)自最達(dá)670 kg采用復(fù)合材料設(shè)計(jì)的集裝箱自重僅500 kg。

　　(2)耐腐蝕、耐磨損、抗沖擊。試驗(yàn)中，曾經(jīng)將集裝箱滿載從1.5m高度自由跌落，箱體完好如初，各組成部分均為正常狀態(tài)。

　　(3)可維修性好。試驗(yàn)中對集裝箱進(jìn)行人為破壞，用大錘將側(cè)壁鑿壞后進(jìn)行修補(bǔ)，通過進(jìn)行簡單的粘接打磨，集裝箱維修后除表面顏色略有差異外，整體性能未受影響。

 　 (4)中性價比較高。由于目前專用集裝箱為試制產(chǎn)品，造價相對較高，比鋼制集裝箱高約30％，若批量生產(chǎn)，造價能有較大幅度降低。同時，由于維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用相對較低，復(fù)合材料集裝箱的總體性價比是較高的。

　　專用復(fù)合材料集裝箱的研制成功，為復(fù)合材料集裝箱在鐵路貨運(yùn)中的應(yīng)用，起到了技術(shù)儲備及借鑒作用。

2.3　大型結(jié)構(gòu)化通用程序的應(yīng)用

近幾年，大型結(jié)構(gòu)化通用程序在新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中廣泛使用，為復(fù)合材料集裝箱設(shè)計(jì)提供了較好的設(shè)計(jì)平臺。大型結(jié)構(gòu)化通用程序設(shè)計(jì)復(fù)合材料集裝箱的流程見圖1。
      

大型結(jié)構(gòu)化通用程序ANSYS中，包括復(fù)合材料單元，集裝箱設(shè)計(jì)所采用的層合板單元，在該程序中也能夠應(yīng)用，這使得力學(xué)分析工作大大簡化，為復(fù)合材料集裝箱優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，提供了較好的設(shè)計(jì)平臺。圖2為用ANSYS分析得到的復(fù)合材料集裝箱整體叉裝變形云圖。圖3為該集裝箱的整體吊裝變形云圖。此外還可以得到其應(yīng)力云圖，由于篇幅原因，不再列舉。
           
                                                        

3　復(fù)合材料集裝箱在鐵路運(yùn)輸中存在的問題分析

(1)連接的可靠性問題。目前復(fù)合材料設(shè)計(jì)中，一般采用膠接與鉚釘連接共同受力的連接方式，這種連接的可靠性雖然已經(jīng)得到了其他行業(yè)的驗(yàn)證，但鐵路運(yùn)輸有其環(huán)境和功能的特殊要求，其可靠性問題有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

　　(2)質(zhì)暈監(jiān)控問題。傳統(tǒng)的質(zhì)量監(jiān)控手段對層合板結(jié)構(gòu)的集裝箱而言，很難保證其可行性。對金屬結(jié)構(gòu)的探索手段與控制指標(biāo)，在復(fù)合材料施工中無法應(yīng)用。因此，必須從規(guī)范入手，提供可供指導(dǎo)施工的質(zhì)量保證大綱。

　　(3)溫度及日曬。集裝箱運(yùn)輸，不可避免地要裸露于外部環(huán)境中，而日曬和溫度，特別是低溫，對膠的性能影響較大，對此需要進(jìn)行試驗(yàn)研究。

4　結(jié)束語

將復(fù)合材料集裝箱應(yīng)用于鐵路貨運(yùn)中，既滿足行業(yè)的發(fā)展需要：又節(jié)省大量的運(yùn)輸能源（復(fù)合材料自重僅為鋼材的1／6左右)。開展復(fù)合材料在鐵路集裝箱制造中的應(yīng)用研究，不僅能夠進(jìn)一步擴(kuò)大新型復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域，也為鐵路發(fā)展個性化專業(yè)運(yùn)輸起到積極的作用。現(xiàn)僅就復(fù)合材料應(yīng)用于鐵路集裝箱的可行性進(jìn)行了一些分析，以期能促進(jìn)鐵路集裝箱研制工作的發(fā)展。