随着我国轨道交通行业的快速发展，以及节能降耗和环境友好等新型发展理念的提出，车辆结构轻量化已成为现代车辆设计与制造关注的热点。碳纤维复合材料具有质量轻、强度高、耐腐蚀、成本低，以及易于设计、加工、改型等特点，用以制造列车结构件，是实现车体轻量化的重要手段。

作为非承载结构以板壳形式设计的列车司机室头罩，非常适合采用碳纤维复合材料进行轻量化设计。挪恩复材的研究人员为我们分享了一些针对现有轨道交通车辆司机室结构的要求以及优缺点分析的文献，文献认为碳纤维复合材料司机室这一设计有着很大的发挥空间。

得益于国内碳纤维技术的飞速发展，很多有关碳纤维部件的设想已有了实施方案，其中就包括碳纤维复合材料头罩。但目前现有关于碳纤维复合材料头罩的研究主要集中在复合材料的选择和复合材料司机室头罩的结构性能分析上，对于碳纤维复合材料在设计过程中的材料布局、铺层方向和铺层顺序等可设计性分析言之甚少，未能充分发挥碳纤维复合材料的轻量化潜能。

本文以某款地铁车辆司机室头罩结构为研究对象，基于有限元分析，对司机室头罩碳纤维泡沫夹心结构进行分步优化设计。通过自由尺寸优化、尺寸优化以及铺层顺序优化，对碳纤维内外面板的铺层厚度、方向及顺序进行优化，得到最终铺层方案，为碳纤维复合材料司机室头罩轻量化设计提供技术参考。

司机室头罩多采用泡沫夹心结构，本文选择T700碳纤维为增强体和环氧树脂为基体材料的单向碳纤维层合板为夹心结构内外面板，夹层芯材采用T90.150泡沫。

利用有限元模拟软件，对司机室头罩结构建模。由于司机室头罩除了自身重力载荷外，还要承受各个方向的冲击加速度载荷以及运营过程中的气动风压载荷，所以除了优化空间之外，还应了解司机室头罩的气动风压载荷。

自由尺寸优化

自由尺寸优化根据司机室头罩内外面板整体尺寸布局，考虑铺层方向，得到每个角度铺层的材料总体裁剪分布。即根据工况载荷要求，尽量沿力的传递方向布置纤维走向，同时综合剪切和弯曲载荷要求，最大限度利用纤维轴向所具有的高的强度和刚度特性。

铺层方向数应尽量少，一般多选择0°、90°和±45°四种铺层方向。其中0°铺层有利于轴向力的传递和承载；±45°铺层对剪切载荷有缓冲作用，同时可以改善工艺性；90°铺层控制横向刚度和调整泊松比。该优化阶段通过定义超级层将同一方向上的铺层集中规整为一层，大大减少了模型中总铺层数。同时，其忽略铺层顺序的影响，简化了模型，提高了优化收敛计算效率。

为使复合材料的基体沿各方向均匀受载，任一方向的铺层厚度最小控制在总厚度的10%，最大比例控制在总厚度的60% 。另外，为了避免结构中由于±45°铺层不对称造成的扭转应力，优化时应确保±45°铺层的形状和厚度相同。

自由尺寸优化结果中，铺层厚度变化连续，并不具有可制造性。实际结构中，各铺层厚度应是制造条件中最小单层厚度的整数倍。同时，为了避免零星的铺层区域和降低裁剪加工难度，需要调整各铺层块形状，删除零星的铺层块，连接过小的铺层块，并光顺铺层块边界。在此基础上进行尺寸优化，将自由尺寸优化结果离散化，得到每个角度铺层的精确厚度分布。

基于铺层的复合材料结构优化设计中，对铺层顺序的优化是必不可少的一步。复合材料的铺层顺序不仅影响到复合材料层合板的力学性能，还影响到层合板的工艺性能。层顺序优化的目的是获得层合板结构的最大刚度系数矩阵，从而使结构的刚度达到最大。

在尺寸优化结果的基础上，通过计算不同的铺层顺序组合，可得到特定工况和约束下的最佳铺层方案。为了避免将同一方向铺层集中放置，应尽量使各方向单层沿层合板厚度均匀分布。此处约束相同角度铺层数不得大于两层，即最多两层相邻相同角度的铺层。

根据以上三个阶段的优化设计以及复合材料铺层工程经验修改得到的最终司机室头罩铺层结构总质量为137.5kg，优化前的全尺寸等厚结构质量为188.4kg，优化后质量下降了约28%；司机室头罩原玻璃纤维材质结构质量为218.4kg，采用优化后的复合材料泡沫夹心结构质量相对下降37%；优化前最大失效因子为0.256，优化后最大失效因子提高到0.678，但都小于1，在材料安全使用范围内。

基于地铁司机室头罩夹心结构的有限元模型，采用自由尺寸优化、尺寸优化和铺层顺序优化的三步优化设计方法，能够根据载荷工况以及约束条件合理布局碳纤维复合材料铺层，发挥复合材料的优异性能，快速有效地得到最佳设计方案。

但苏州挪恩复合材料的陈工认为，结合挪恩长久以来在碳纤维部件定制加工方面的经验，若想将优化设计应用于实际工程中，还需结合工程实际及经验对优化过程进行修正，这样得到的优化设计方案才可以真的应用于实际生产中。