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研究领域

团队研究方向、主攻目标

交通运输装备轻量化和交通运输装备关键新材料的自主创新对我国当前交通运输制备制造业的可持续发展和走向世界具有重要意义。

总体而言,以高速列车为代表的交通运输装备轻量化包含以下四方面的含义:轻量化设计、轻量化材料、轻量化制造技术和轻量化的动力-制动系统。

轻量化设计:结合最新的材料损伤、失效机制和新的结构力学等理论,采用全新的设计标准、设计理念(有限寿命、等寿命、等强度等)以及更准确的材料-结构强度计算方法,同时引进最先进的制造技术、制造理念和结构优化思想,进行复杂系统的一体化设计,具有功能-结构-材料一体化、设计-制造-使用-回收一体化等突出优点。

轻量化材料:以轻金属及其合金材料和先进复合材料为代表的低密度、高强度材料的统称。轻量化金属材料以镁合金 (密度 1.7g/cm^3,比强度200)、铝合金(密度2.7g/cm^3,比强度130)、钛合金(密度 4.5g/cm^3,比强度250)为代表。其中铝合金加工和应用技术最为成熟。主流的飞机结构基本采用铝合金结构。 各国时速200公里以上高速列车车体均采用铝合金型材焊接结构(韩国除外)。由于镁合金的密度和性能优势,业界普遍预测,飞机、汽车和高速列车的下一代主体结构材料将是镁合金。以铝合金、镁合金为基体、用高强度材料增强的铝基、镁基复合材料具有比基体金属更优异力学性能,已经在高温、耐冲击结构领域得到越来越多的应用。

轻量化制造技术与装备:先进的设计和材料需要先进的制造技术才能转化为真正轻量化装备。轻量化先进材料成型技术、连接技术、后处理技术和表面防护技术是轻量化目标的最终保证。如铝合金、镁合金的短流程生产技术、大规格产品(大规格挤压型材、宽幅板材等)生产技术是目前其在交通运输装备中应用的关键,焊接和其他连接技术则成为主要的制造成本构成要素。

轻量化动力系统:对于车载动力系统,弓网供电系统已经成为轨道列车动力系统的首选,蓄电池、燃料电池、电-混合动力和先进内燃机等动力源和转向、变速、驱动系统,制动系统等技术研发存在大量创新空间。

镁合金是最典型的高强度轻金属材料,在轻量化轨道交通运输装备领域具有十分广阔的应用前景,对减重节材、节能降耗、减振降噪以及打造具有完全自主知识产权的特色轨道交通装备,具有重大现实经济技术意义和长远的社会意义。

镁合金-铝合金-钛合金蜂窝结构具有结构强度高、质量轻、冲击变形过程平缓、吸收冲击能量可控等优点,除了用于高速运载结构底板、门、顶板、壁板等部件之外,尚能够大幅减轻承载结构重量,降低运行能耗。同时,镁合金具有优越的减振性能,也是目前已知金属材料中损耗因子最高的,对未来高速列车减振降噪具有重要意义。另外,特殊的缓冲吸能轻金属材料可将高速运载工具的动能转换和消耗掉,起到缓冲和保护乘员安全的作用,对高速列车的安全防护具有重要的应用价值。

镁和镁合金密度仅有铝合金的2/3,钢的1/4,为我国最具资源、环保和可持续发展特色的高强度金属结构材料。本团队前期研发的镁合金轨道交通装备,特别是研制中的镁合金客车车体具有首创性,有着重量轻、振动小、电磁屏蔽性强等一系列优势,是符合建设创新型国家,进行经济社会可持续发展,实现产业结构调整和经济发展模式转变、建设人文交通、绿色交通的战略目标的重要举措。

我国轨道交通运输装备制造业的巨大需求和我国镁资源优势构成了镁合金工业发展的良好机遇。团队成员前期针对镁合金轨道客车车体及制造技术与装备开展了大量的研究工作,取得了镁合金列车卧铺、镁合金蜂窝板等一系列成果,获得相关发明专利14项, 实用新型专利12项,国际专利(PCT)2项,已申请相关专利20多项,目前正在全力进行镁合金新能源汽车和轨道列车应用相关技术和装备的研究。

本团队主攻镁合金轨道交通运输装备轻量化产品、技术和装备,同时就铝合金、钛合金、铜合金等有色金属的材料学、材料加工新技术、新装备以及工业应用进行应用基础研究和应用技术开发。在教学、科研特别是研究生教育方面,完善和充实当前西南交大材料科学与工程学院的学科体系,立足于材料领域工程技术特色、创新型人才培养。

当前研究课题和教学项目 

1、高强度镁合金和镁基复合材料制备成型、宽幅型材挤压技术与装备研究

针对高强度镁合金和镁基复合材料需求, 以及当前大规格镁合金型材工艺不稳定、 难矫直、 成本高等现状, 开发宽幅薄壁镁合金型材模具设计、 挤压及矫直等关键技术,满足轨道客车对镁合金型材的实际要求。

(1)高强度镁合金和镁基复合材料制备与高效率(半固态)成型、镁合金宽幅型材模具设计及挤压工艺技术和镁合金型材的矫直工艺技术,  建立宽幅镁合金型材组织性能调控制度;

(2)镁合金大规格型材及板材的半固态高效率成型技术与装备;

(3)大塑性、高韧性镁合金成分优化设计与制备工艺设计;

(4)镁合金熔液的纯净化技术、大规格铸锭技术、复杂断面型材生产技术与装备;

(5)基于热力学计算和有限元数值模拟,研究镁合金挤压变形行为,与模具间界面摩擦条件,及合金组织与力学性能变化规律;

(6)利用现有镁合金材料性能数据库,结合具体镁合金型材产品服役性能要求, 开发建立镁合金宽幅挤压型材的产品设计平台, 设计制作镁合金轨道客车用宽幅型材产品;

(7)镁合金宽幅挤压原理样机设计制造。 

2、 面向智能高速列车的镁合金、 铝合金、 钛合金高速列车碰撞吸能-吸振模块设计与制造技术

(1)镁合金蜂窝结构设计制造技术及其冲击吸能表征;

(2)铝合金、钛合金蜂窝结构冲击吸能模块设计制造及冲击吸能表征;

(3)冲击吸能模块制造装备(自动化生产线)开发;

(4)镁合金、铝合金超塑性精密成型制造技术和产品开发;

(5)钛合金增材制造(3D打印)技术和产品开发等。 

3、轻合金材料及其结构器件的减振吸能性能研究

(1)镁基和铝基减振合金及结构器件的动态力学行为研究;

(2)新型镁基及铝基减振合金制备工艺及其性能的研究;

(3)镁基和铝基减振合金的成型工艺及产品开发;

(4)轻质缓冲吸能合金模块的研究与开发。 

4、高强度镁合金列车车体型材,车体制造技术和下一代真空管道运输系统镁合金真空舱制造技术研究

(1)镁合金型材的结构设计;

(2)镁合金微型代步车开发--外观设计与结构设计;

(3)镁合金悬轨车(空轨车、挂轨车)车体、真空管道交通胶囊式乘员舱外形设计与内部设计规划;

(4)新型镁合金高速列车车体制造技术和下一代真空管道运输系统镁合金真空舱制造技术研究。 

5、镁合金(铝合金)车体焊技术、材料与专用装备研究

研究开发一种高效率的固态焊接技术-搅拌摩擦焊(FSW)技术和装备,用于轨道列车镁合金车体焊接生产, 从车体模块焊接到车体总装焊接, 全部实现固态焊接。

(1)镁合金大型结构焊接方案研究;

(2)镁合金-镁合金,镁合金-铝合金,镁合金-钛合金,镁合金-钢焊接技术与方案研究;

(3)FSW高速列车镁合金型材的模块化焊接生产技术及其装备,如侧墙、车底板、车顶等模块;

(4)车体总装FSW技术及其装备;

(5)异种材质镁合金、镁合金-铝合金FSW技术与装备等;

(6)FSW接头及结构的性能和寿命评价方法等。 

6、轻量化镁合金(铝合金、钛合金)车载结构与镁合金车体静态与动态性能分析研究

(1)循环应力、高速变形下的镁合金挤压型材和板材裂纹萌生与扩展机制研究;

(2)特定镁合金(钛合金、铝合金、高强度钢)结构的刚度、噪声、振动等可靠性评估; 

(3)镁合金车体模态和整体静态刚度计算与评估;

(4)镁合金车体动态刚度与循环载荷作用下变形-寿命分析与评估;

(5)镁合金及交通运输装备LCA(Life Cycle Assessment ,  全寿命评估)研究,等。