轨交行业碳纤维复合材料结构产业化之路可借鉴民机复合材料结构的产业化之路的经验教训。图1给出了民机复合材料结构产业化的进程，图中ACEE（飞机能效）、ACT（先进复合材料技术）、AST（亚声速飞机技术）、CAI（低成本复合材料）、TANGO（应用技术近期目标）和ALCAS（先进低成本机体结构）是美国和欧洲在近40年里赞助的推动碳纤维复合材料在民机结构中大量应用的研究计划，这些计划主要解决产业化过程中遇到的信心（安全）、技术、成本三个难题，其中最关键的是成本，所以“买得起”（affordability）构成了这些计划的核心和目标。从民机应用过程可以看出，分为三个阶段：非承力构件、次承力构件和主承力构件，直至本世纪初以波音787和空客350碳纤维复合材料结构分别占结构总重的50和52为标志实现了民机碳纤维复合材料结构产业化的目标。时至今日，波音和空客公司仍在持续追求进一步降低成本的复合材料技术。当然轨交碳纤维复合材料结构的产业化之路相对来说应远远比民航应用要快，用不了30年。
图1商用飞机复合材料结构产业化之路
根据轨交行业的特点，作者设想了轨交行业碳纤维复合材料结构的产业化之路如图2和图3所示，其中非承力件如裙板等；车体结构包括设备舱、车头罩、全尺寸车厢等；注承力件包括枕梁、转向架等。目前大家关注主要集中在轨交复合材料结构的研制，即首先解决信心（安全性）和技术，成本暂时放在次要地位，迄今已取得显著的成果，比较吸人眼球的如青岛四方和长客的全碳纤维地铁车体、长客的有轨电车车体、长客的枕梁和四方的转向架等，在初始阶段这种策略是正确的，轨交行业已对碳纤维复合材料的认识有了长足的进步，根据作者的体会，复合材料界与轨交行业技术与管理人员的沟通已渐入佳境，为轨交复合材料结构的产业化提供了基础。
当前面临的主要是如何使碳纤维复合材料结构制件低成本化，以及总结研制阶段获得的经验教训，制订轨交行业碳纤维复合材料结构所需的材料、设计、成型、制造规范标准和相应的管理文件。顺便说一句，民航飞机的验收标准是由欧美制订的适航条例，中国缺乏经验只能遵照执行；而中国轨交车辆的设计、制造和使用量已远远超过了欧美等其他先进制造大国，取得的经验教训是其他国家无法获得的，标准规范就是设计、制造和使用的经验教训总结，如果好好总结提高，可以制定出领先于其他国家的标准规范（起码可以根据中国的实践，增加若干体现中国特色的条款），何至于在国际上招标还要执行欧标。俗话说一流企业做标准，二流企业做品牌，三流企业做产品，中车集团应该在世界上是轨交领域的一流企业，但没有中国标准就配不上一流企业。
切记轨交复合材料结构产业化来不得大跃进，低成本化之路是一条艰辛之路，需要由主机厂牵头将复合材料原材料生产、结构设计、成型工艺、结构制造、设备制造等厂商（团队）等组成紧密配合的工作队，按研发低成本化批量化生产的路线，朝着实现轨交复合材料结构全寿命成本（制造成本 使用成本 维护成本 回收成本）优于金属结构方向努力，可以在不太长的时间实现轨交复合材料结构产业化生产，同时实现国产碳纤维在轨交行业大批量应用，到那时，几万吨碳纤维的年需量不会是梦。
复合材料界经常说；设计是龙头、材料是基础、制造是关键、应用是目的、维护是保障，其中低成本化突破的关键首先是设计，回顾碳纤维复合材料风电叶片实现产业化的关键就是VESTAS在结构设计思路上的突破，轨交行业碳纤维复合材料应用产业化的突破也必须首先在设计理念上的突破，既要继承航空航天的碳纤维复合材料技术，又必须跳出航空航天固定思维的理念，才可能实现。同时很多研发人员往往忽视应用是目的，在开发过程中没有始终把批量生产作为目标，当下我国科研项目成果颇丰，但实现产业化的很少，原因之一就是我国很多科研项目在制订时没有明确的产业化目标。
目前从事轨交碳纤维复合材料结构的研发人员来源于各种不同的行业，表4列出了他们各自的优点和弱点，因此这些研发人员要对此有所认识，发扬优点，克服自身的弱点，才有可能在轨交碳纤维复合材料结构的设计中进行创新。表中提及的碳纤维复合材料结构的精细设计与制造主要源于碳纤维复合材料是一种高成本的材料，其用途主要是追求轻量化、对安全性要求极高的结构，势必需要对结构设计和制造做到精细化，才能充分利用材料的优势，表现为：对材料性能测试尽可能准确，结构设计的安全裕度在满足结构完整性要求的前提下尽可能小，在主承力方向0°方向纤维尽可能多，碳纤维在复合材料中所占的比例尽可能高，制件中的缺陷尽可能少等等。
总之，在前期已开展大量预研的基础上，当前轨交碳纤维复合材料结构研制应转向下列重点：
3)建立轨道交通复合材料结构适用的标准、规范和手册；
4)以轨道交通车辆制造商牵头，组成包括原材料供应商、复合材料结构设计专业团队、设备供应商、复合材料结构生产厂等紧密结合的全产业链联盟；
5)集中精力开发具有产业化前景的结构件（即买得起的复合材料轨道交通复合材料结构件），首先着重对已有研发基础的结构开展低成本化研究，在取得阶段性成果（即全寿命成本接近市场可接受水平）后进行小批量生产和试运行，同时开展产业化研究，建立大批量生产的生产线。
表4不同背景研发人员的优点和弱点
研发人员出身
优点
弱点
航空
熟悉碳纤维复合材料结构精细设计和制造
过于追求减重，缺乏低成本理念，易于固守航空设计与制造理念
赛车和豪车
熟悉碳纤维复合材料一次性结构设计和制造
缺乏成本概念，缺乏批量制造的经验，缺乏复合材料结构长期使用的理念
玻璃钢
熟悉复合材料结构设计和制造
不了解碳纤维复合材料特点，缺乏对复合材料结构精细设计和制造的知识和理念
本行业金属结构
熟悉本行业结构设计要求
缺乏碳纤维复合材料结构设计和制造经验
刚毕业的大学生
熟悉先进的设计软件
缺乏工程应用经验
图3轨道交通复合材料结构产业化之路
图4设想的轨道交通复合材料结构产业化进程
5轨交碳纤维复合材料结构的研发体会
如《复合材料手册》中指出的碳纤维复合材料结构研发特点：“并行工程，由设计师、应力分析、材料和工艺、制造、质量控制、后勤保障工程师（可靠性、维护性和生存性）以及成本估算师组成的团队联合、并行地研制新产品或新系统，现已成为公认的设计方法。”这里列出了作者接触到，目前轨交复合材料结构研发中出现的一些问题和今后的设想。
5.1设计规范
结构安全性的标准是满足结构完整性要求，飞机结构完整性的定义是：“影响飞机安全使用和成本费用的机体结构的强度、刚度、损伤容限、耐久性和功能的总称。”具体体现就是飞机结构强度与刚度设计规范，该定义基本上适用于对安全性有较高要求的其他工业领域。各工业领域的结构都必须按各自的强度刚度设计规范进行结构安全性评估，但只有少数工业领域的规范包含复合材料结构的内容，如表5所示，其中航空领域的条款是针对碳纤维复合材料的应用，而传播和风电叶片的规范主要是玻璃钢应用经验的总结，不一定适用于碳纤维复合材料，其他工业领域基本没有复合材料的应用经验，没有适用的的设计规范要求。目前多数轨交复合材料结构设计师或者通过增加安全系数，或者是遵照玻璃钢风电叶片的设计规范来进行设计，实际上这种设计方法存在很大的安全隐患。根据作者对飞机碳纤维复合材料结构设计与使用及飞机复合材料结构强度与刚度设计规范编制过程中的体会，飞机规范中的下列要点应适用于其他工业领域以杆板壳形式出现的复合材料结构，参见表6。
表5有关复合材料结构的强度与刚度设计规范
工业领域
规范名称
航空（基于碳纤维复合材料）
1)GJB67.14-2008《复合材料结构》2)AC20.107B《复合材料飞机结构》3)AMC20-29《复合材料飞机结构》（与AC20-107B等同）
船舶（基于玻璃钢）
DNV-OS-C501《复合材料部件》
风电（基于玻璃钢）
IEC61400《风力发电机标准》
表6适用于轨交复合材料结构的飞机用规范要点
金属结构
复合材料结构
材料性能
取自材料供应商
1)性能与成型工艺密切相关2)材料可设计性3)用户对材料稳定性的评价体系和后续供料一致性的管理体系
静强度校核
s<sb
1)必须考虑结构出厂和使用的任何时刻都可能带有缺陷/损伤2)除细节设计外s￡结构设计值（而非材料许用值）
湿热影响
一般不考虑
必须考虑
疲劳
结构设计的关键
1)满足特定条件下静力覆盖疲劳2)采用损伤无扩展设计理念
冲击损伤
一般不考虑
设计的关键
结构设计验证
结构分析方法成熟
1)采用积木式设计试验验证方法2)层间性能薄弱，易于产生未预计到的面外载荷
1)整体化结构与工艺成本的权衡
复合材料成型工艺的特点是适合于整体成型复杂形状零件，可以减少装配工作量和紧固件，但会增加模具的复杂性和加工成本，同时过分整体化给维修带来隐患，必须适度。
2)充分利用复合材料铺层的可设计性
很多缺乏碳纤维复合材料结构设计经验的设计师不会利用复合材料铺层的可设计性，习惯于按准各向同性材料进行设计，只是利用密度小的优势，往往达不到最佳的减重效果。此外习惯于采用夹层结构来提高结构刚度，不习惯采用加筋结构来满足刚度要求。
3)创新的连接方法
连接一直是结构设计的难点，轨交复合材料结构无法采用金属结构的传统连接方式，采用航空结构的连接方式往往比较昂贵，如何在二者当中取得平衡，可能必须采用创新的连接方式。
4)多种材料/多种工艺混用
有两个层次的混用，即组件结构级和零件级。组件级中零件可以采用不同材料和工艺制造，然后将不同材料（工艺）制造的零件进行组装，其中关键零件可能需要使用碳纤维复合材料，其他零件可以采用玻璃纤维、工程塑料、SMC、LFT甚至金属制造，然后组装在一起；零件级也可以采用多种材料/工艺一次成型，如图4所示，也可以像风电叶片一样，由不同材料/工艺生产出半成品零件最后整体成型。
图4用不同材料/工艺制造的汽车零件
5)结构功能一体化
传统碳纤维复合材料结构主要考虑中结构力学性能要求，其他功能，例如保温、减震降噪、电磁性能、导电性能等采用其他方法解决，今后可以在结构设计时利用复合材料可设计性（包括功能）的优势，通过特种纤维、树脂或夹芯材料及材料设计，在结构成型的同时满足其特种功能需求。
6)结构组件标准化
风电叶片的结构设计创新在于将复杂大型整体成型的叶片分解为将若干标准件进行组装后整体成型，其中的标准件可以采用传统工艺高效生产，其性能优于一次整体成型的大型零件。这种设计思路同样可以在轨交复合材料结构中采用。
5.3选材和材料性能确定方法
1)阻燃性能
轨交结构对阻燃性能有很高的要求，目前可用的树脂体系很难满足，当然通过研发可以获得满足轨交阻燃标准的材料体系，但满足阻燃要求的材料体系的成本及工艺性可能无法接受，必要时需要将阻燃要求与工艺性及成本进行权衡。毫无疑问结构的阻燃要求是完整性要求的一部分，必须满足，但是否可以由材料体
