1.前言

集裝箱運輸在提高運輸裝卸效率，保證運輸質量和保護生態環境等諸多方面具有突出的優越性，許多國家和地區都采取各種優惠措施不斷擴大集裝箱運輸。我國的集裝箱運輸從20世紀50年代開始起步，目前已成為我國鐵路貨物運輸的重要方式。

　　然而，在鐵路集裝箱制造方面，由于技術和試驗手段落后，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鋼質與鋁合金質的集裝箱。近幾年，快速發展的輕質，高強．高分子復合材料，以其具有高的比強度、好的疲勞性能、減振性能、耐化學腐蝕及耐熱性能，并易于維修、清理等特點，引起各有關方面的高度重視。對鐵路貨運而言，一些易燃、怕濕、易腐蝕等貨物特別適合使用復合材料的集裝箱進行運輸。

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

2　鐵路集裝箱應用復合材料的可行性

2.1　復合材料工業的發展

我國的復合材料研究起始于1958年。1961年研制成用于遠程火箭的玻璃纖維酚醛樹脂燒蝕防火彈頭，1962年引進不飽和聚酯樹脂、噴射成型和蜂窩夾層結構成型技術，并制造了玻璃鋼的直升機螺旋槳葉和風洞葉片，同年開始纖維纏繞工藝研究并生產出批氧氣瓶等壓力容器。自20世紀70年代以后玻璃鋼復合材料逐漸轉向民用。1981年復合材料年產量為1.5萬噸，到1986達到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，大量引進國外先進技術，形成了研究、設計、生產及原材料相互配套的較為完整的工業體系。到1995年國內玻璃鋼產量已達到16.5萬噸，產品近2000種，機械化年生產能力達25萬噸。我國的玻纖工業2001年總產量已達到27萬噸。先進復合材料構件正在由次承力件向主承力件過渡。在成型工業方面，先進復合材料借助玻璃鋼成型技術逐步實現由手糊到機械化、自動化的轉變。
　　由于集裝箱結構相對簡單，玻璃纖維基復合材料(玻璃鋼)完全能滿足設計要求，而玻璃纖維基復合材料正是目前我國復合材料工業的重點產品。目前復合材料工業的發展水平，完全適應我國鐵路集裝箱制造的要求。

2.2　專用復合材料集裝箱的研制

近幾年，由于專業領域對集裝箱的要求越來越高，特別是在航空領域，設計了一些專用集裝箱。復合材料集裝箱是以集裝箱在腐蝕、磨損、沖擊、載重、運輸等復雜工況條件下長期使用為目的進行設計的，通過合理設計使集裝箱具有適于運輸的高比強度或高比模量的力學性能。復合材料集裝箱的設計以材料設計為主線，功能設計、結構設計為重點，三者相互協調，同步進行。所用組分材料有增強材料、基體材料功能材料及輔助材料四類。增強材料有金屬纖維(或金屬層)，合成纖維，玻璃纖維；功能材料有耐磨、減摩、導熱、導電、耐腐蝕功能填料及助劑等；基體材料主要選用環氧樹脂和不飽和聚酯樹脂；輔助材料為固化劑、促進劑、溶劑、增韌劑等。增強材料既發揮其力學性能，又同時發揮物理化學功能，從功能、結構兩方面同時發揮纖維的作用。金屬纖維具有高彈性模量、導電、導熱、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合材料的設計有較大的自由度，多相材料復合的界面技術可使非均質纖維、微粒狀組分材料與基體樹脂可靠粘結，并使復合材料內部的應力平衡，以保持其良好的尺寸穩定性和成型工藝可行性。

　　設計的專用集裝箱為空運集裝箱，包括5 t集裝箱和2.5 t集裝箱兩種型號，目前已經在軍隊物資空運中進行試用。采用復合材料設計的集裝箱主要有以下幾個特點。

　　(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，原有鋁合金結構集裝箱設計自最達670 kg采用復合材料設計的集裝箱自重僅500 kg。

　　(2)耐腐蝕、耐磨損、抗沖擊。試驗中，曾經將集裝箱滿載從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。

　　(3)可維修性好。試驗中對集裝箱進行人為破壞，用大錘將側壁鑿壞后進行修補，通過進行簡單的粘接打磨，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品，造價相對較高，比鋼制集裝箱高約30％，若批量生產，造價能有較大幅度降低。同時，由于維修養護費用相對較低，復合材料集裝箱的總體性價比是較高的。

　　專用復合材料集裝箱的研制成功，為復合材料集裝箱在鐵路貨運中的應用，起到了技術儲備及借鑒作用。

2.3　大型結構化通用程序的應用

近幾年，大型結構化通用程序在新型結構設計中廣泛使用，為復合材料集裝箱設計提供了較好的設計平臺。大型結構化通用程序設計復合材料集裝箱的流程見圖1。
      

大型結構化通用程序ANSYS中，包括復合材料單元，集裝箱設計所采用的層合板單元，在該程序中也能夠應用，這使得力學分析工作大大簡化，為復合材料集裝箱優化設計工作，提供了較好的設計平臺。圖2為用ANSYS分析得到的復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力云圖，由于篇幅原因，不再列舉。
           
                                                        

3　復合材料集裝箱在鐵路運輸中存在的問題分析

(1)連接的可靠性問題。目前復合材料設計中，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得到了其他行業的驗證，但鐵路運輸有其環境和功能的特殊要求，其可靠性問題有待進一步驗證。

　　(2)質暈監控問題。傳統的質量監控手段對層合板結構的集裝箱而言，很難保證其可行性。對金屬結構的探索手段與控制指標，在復合材料施工中無法應用。因此，必須從規范入手，提供可供指導施工的質量保證大綱。

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

4　結束語

將復合材料集裝箱應用于鐵路貨運中，既滿足行業的發展需要：又節省大量的運輸能源（復合材料自重僅為鋼材的1／6左右)。開展復合材料在鐵路集裝箱制造中的應用研究，不僅能夠進一步擴大新型復合材料的應用領域，也為鐵路發展個性化專業運輸起到積極的作用。現僅就復合材料應用于鐵路集裝箱的可行性進行了一些分析，以期能促進鐵路集裝箱研制工作的發展。