问题描述

根据国家“双碳”发展战略部署，时速600公里高速磁浮、时速400公里及以上动车组及双层动车组为代表的超高速列车凭借高速高效、轻量智能、节能环保的优势，必将成为未来主流产品，而解决其存在的高速-能耗-低碳、轻量-安全-大载荷突出矛盾是今后发展最主要问题。因此，寻求综合性能优良的新材料、新结构，突破传统金属材料的局限 ，形成更轻、更强的材料-结构-工艺一体化核心技术解决方案，是确保高速列车领域技术引领地位、扩展国际话语权的基础，也将为国家战略新型材料在高端装备领域应用提供产业牵引。

以碳纤维为代表的国家战略新型材料，具有高强度、高模量、耐腐蚀、耐疲劳、可设计性强等优异性能，是解决高速-能耗-低碳、轻量-安全-大载荷矛盾问题、实现高速列车轻量化的绝佳选择。

1. 技术问题：

（1）如何借鉴高速动车组研发流程，结合复材积木式验证方法，形成顶层设计、层层分解、仿真-试验对比分析、循环迭代的科学高效的研发流程？

（2）如何建立轨道车辆行业复合材料专有数据库，打造涵盖试样-元件-组件-大部件的多层次仿真试验平台，形成完善的研发能力？

（3）如何结合仿真分析指导试验策划，验证整车及各系统部件强度、刚度、防火及电磁兼容等综合性能？

（4）如何基于材料-结构-工艺一体化及力学、防火、噪声、电磁兼容等功能一体化理念，开发高效低成本的材料选型技术？

（5）如何基于柔性理念，兼顾产品的力学、功能性、工艺性，建立高速列车专属的铺层设计技术？

（7）如何解决高速列车车体、转向架等大型部件的损伤容限、检测效率、原位检测能力及开发大型件内缺陷检测方法等问题？

（8）如何基于前期积累的试验数据，持续完成复合材料工程基础数据库，形成高速列车用复合材料系统系统标准体系？

（9）如何建立高速列车车体、转向架等厚大复杂部件的修复相关技术，包括修复检测、评估、工艺、体系及标准等？

2. 工艺问题：

（1）如何开发基于拉挤、编织、缠绕等核心工艺及相关辅助工艺的高速列车专属成型工艺体系？

（2）如何提升复合材料拉挤工艺的自动化水平，如原材料的自动化识别和上料、自动送丝及位置在线矫正、自动化浸胶以及产品在线自动检测？

（3）如何解决编织工艺中轴向纤维比例低、张力不均、纤维角度偏差、编织条纹混乱等问题，保证大曲率大厚度复杂承载部件成型及高效率制造？

（4）如何解决缠绕工艺中质量不均、空隙率大、树脂分布、气泡含量多等问题，提供纤维准确率高、连续性好的一体化解决方案？

3. 产线问题：

（1）如何建立适合复合材料产品生产的智能化生产线，包括智能视觉识别系统、机器学习、大数据处理等配套技术？

（2）如何开发针对复合材料列车总装中自动化定位、自动化钻孔铆接、自动化涂胶、自动化尺寸测量和检测的复合材料产品组装生产线？

（3）如何开发薄壁多腔、低成本自动化的型材高精度拉挤与高效低成本RTM等工艺技术与配套系统装备生产线？

（4）如何建立适合高速列车转向架产品的编织、缠绕工艺生产线，包括自动化模具预处理、自动化在线线型设计、自动化打磨和加工？

问题背景

据调研，近20年以来，欧美、日韩各国复合材料技术基础雄厚，从头罩吸能元件、过渡车钩、受电弓等零部件，到司机室、车体、转向架等大型部件均有不同程度的尝试，尚未形成高速列车批量化复材产品，主要问题是（1）未形成材料、设计、仿真、工艺、检测、试验、修复及回收在内的针对复合材料轨道车辆的全寿命周期技术闭环；（2）未针对最终产品质量、成本及连续生产能力体系化开展高速列车复合材料大型部件专属工艺的技术攻关；（3）未建立高速列车复合材料大型部件自动化制造、组装及检测产线，整体生产效率低下，工艺过程繁琐，过程控制难度大，人员占用率高，制造成本难以控制。

目前，国内外碳纤维复合材料在各领域的应用受限于复合材料相关技术、工艺及产线领域的攻关，急需关键技术突破、工艺水平提升、产线自动化的协同攻关。

最新进展（截止问题发布年度）

近年来，中车青岛四方在中德研发中心，基于下一代地铁车辆轻量化研制，自主完成了车体、构架主承载部件的自动化拉挤、编织和缠绕为典型工艺的产品研制，系统解决了金属车辆部件自重大、强度低、耐候性差、振动噪声大等问题该车辆曾荣获2019中国国际工业博览会科技创新奖。同年，下一代地铁列车通过了线路运营考核，试验证明综合指标优良，整车减重13%、节能20%以上、降噪3dB，全寿命周期内预期可节约运营成本2千余万元。该车辆的研制及碳纤维复合材料的工程应用，为下一代高速列车解决高速-能耗-低碳、轻量-安全-大载荷的矛盾难题，向更高速高效、轻量智能、节能环保开发提供强有力的技术支撑。

基于下一代地铁车辆轻量化技术，相继开发了青岛地铁1号线车体、转向架，京雄高铁司机室、设备舱，600公里磁悬浮车体等高速列车部件、车体等产品，在夯实已有技术成果的前提下，完善技术开发流程，突破核心工艺主要技术屏障，规划复合材料部件产线自动化、智能化，为下一代超高速轨道交通车辆装备产品用关键技术突破、核心工艺开发、配套产线建设奠定基础。

重要意义

基于碳纤维复合材料技术的时速400公里及以上超高速轨道交通车辆装备批量化产品将属国际首创，可突破碳纤维复合材料在轨道交通装备领域的应用瓶颈，解决行业内高速列车产品可持续发展的难题；为高速列车专属复合材料技术民用化奠定了基础，促进高端复合材料技术的低成本、高附加值产业化，完成企业转型为先进轨道交通原创技术策源地规划；行业内需（3-5万吨/年复合材料产品）可实现全国碳纤维应用增长翻倍，推动上游原丝、树脂等开发及其他轻量化装备领域的协同发展，经济和社会效益显著。总之，发展高速列车专属碳纤维复合材料技术是抢占轨道交通技术制高点，践行“交通强国”战略的有力举措，将实现我国轨道交通技术持续引领的目标。