高速化和轻量化是轨道交通车辆的必然发展趋势。本文以长沙2号线地铁司机室为研究对象,旨在满足司机室结构抗撞击性能和阻燃要求的前提下,实现结构的轻量化设计。具体来讲,本文系统地开展了颗粒填充树脂基复合材料力学性能及其改性研究、颗粒填充纤维增强复合材料内颗粒分布特性研究、颗粒填充纤维增强复合材料拉伸和压缩性能及其改性研究以及纤维增强复合材料夹芯结构抗撞击性能结构优化设计研究。主要研究工作包括:开展了氢氧化铝颗粒填充不饱和聚酯树脂(ATH/UP)复合材料力学性能研究。采用电动搅拌分散工艺制备了ATH/UP复合材料试样,研究颗粒含量和粒径对复合材料拉伸、弯曲和冲击韧性的影响。结果表明,ATH/UP复合材料力学性能对颗粒含量和粒径变化较敏感。当颗粒含量增加时,拉伸强度减小,弯曲强度则先增加后减小,拉伸模量、弯曲模量和冲击强度则一直增加。当颗粒粒径增加时,拉伸强度先增加后减小,而拉伸模量、弯曲强度和模量以及冲击强度则一直减小。开展了ATH/UP复合材料界面改性研究。采用湿法改性的方式对ATH颗粒表面进行改性处理,研究偶联剂种类、改性温度以及偶联剂用量对复合材料拉伸、弯曲和冲击韧性的影响。结果表明,与未改性复合材料相比,改性复合材料的力学性能都有显著提高,且采用硅烷偶联剂KH-570的改性效果优于钛酸酯偶联剂PN-401。改性复合材料力学性能受改性温度和偶联剂用量控制。随着改性温度和偶联剂用量的增加,拉伸强度、弯曲强度和模量、冲击强度先增加后减小。当偶联剂为KH-570时,最佳改性温度和偶联剂用量分别为50℃和2.0 wt%。当偶联剂为PN-401时,最佳改性温度和偶联剂用量分别为70℃和1.0 wt%。开展了氢氧化铝颗粒填充玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂(ATH-GF/UP)复合材料颗粒分布特性研究。考察了电动搅拌和高速剪切搅拌两种分散工艺对ATH-GF/UP复合材料内颗粒分布以及拉伸和压缩性能的影响。结果表明,采用电动搅拌,颗粒沿树脂流动方向和厚度方向均呈递减规律分布;而采用高速剪切搅拌,颗粒在面内流动方向呈下降趋势分布,但在厚度方向无明显变化规律。复合材料力学性能随搅拌速度的提高而提高。开展了ATH-GF/UP复合材料拉伸性能应变率效应研究。利用电子万能试验机和冲击拉伸试验装置对未改性和改性ATH-GF/UP复合材料进行了准静态和动态拉伸性能实验。结果表明,ATH-GF/UP复合材料拉伸性能具有明显的应变率效应。拉伸强度随应变率增加而增加,且与ln?(5)具有良好的线性关系。考察了颗粒含量和粒径对未改性复合材料拉伸性能的影响。结果表明,动态载荷作用下,拉伸强度随颗粒含量增加先增加后减小。当颗粒含量为40 wt%,动态拉伸强度最高。颗粒粒径对复合材料动态拉伸性能的影响不明显。考察了界面改性对ATH-GF/UP复合材料拉伸性能的影响。结果表明,采用KH-570改性,动态拉伸强度随改性温度和偶联剂用量增加先增加后减小。当改性温度为50℃、偶联剂用量为1.5 wt%时,动态拉伸强度最高。采用PN-401改性,动态拉伸强度随改性温度增加先增加后减小,随偶联剂用量增加则一直增加。当改性温度为80℃、偶联剂用量为2.0 wt%时,动态拉伸强度最高。开展了ATH-GF/UP复合材料压缩性能应变率效应研究。利用电子万能试验机和霍普金森压杆试验装置对未改性和改性ATH-GF/UP复合材料进行了准静态和动态面内、面外压缩性能实验。结果表明,ATH-GF/UP复合材料压缩性能具有明显的应变率效应。压缩强度和模量都随应变率增加而增加,且与ln?(5)具有良好的线性关系。考察了颗粒含量和粒径对未改性复合材料压缩性能的影响。结果表明,复合材料压缩性能随颗粒含量增加而增加。在动态加载条件下,面内压缩性能随颗粒粒径减小而减小,面外压缩性能随颗粒粒径减小而增加。考察了界面改性对ATH-GF/UP复合材料压缩性能的影响。结果表明,采用KH-570改性,压缩性能随改性温度增加先增加后减小;面内压缩性能和准静态面外压缩性能随偶联剂用量增加先增加后减小,但动态面外压缩性能一直降低。当改性温度为50℃、偶联剂用量为2.0 wt%时,面内压缩性能最优;当改性温度为30℃、偶联剂用量为2.0wt%时,动态面外压缩性能最优。采用PN-401改性,压缩性能都随改性温度、偶联剂用量增加先增加后减小。当改性温度为70℃、偶联剂用量为1.0 wt%时,面内和面外压缩性能最优。开展了ATH-GF/UP复合材料夹芯结构抗撞击性能有限元分析研究。基于ANSYS/LS-DYNA和LS-DYNA软件,建立简化的有限元模型,进行抗撞击仿真分析。结果得到,弹体未穿透靶板,侵彻深度为25.60 mm,反弹速度为28 m/s。与撞击试验结果相比,侵彻深度和反弹速度的误差分别为2.4%和3.7%。考察了面板材料性能参数以及面板厚度对夹芯结构抗撞击性能的影响。结果表明,外面板的面内压缩模量应变率效应常数、面内拉伸强度应变率效应常数和内面板的面内拉伸强度应变率效应常数、面内拉伸强度的影响最显著。非对称夹芯结构在保持面板总厚度不变时,增加外面板厚度,抗撞击性能得到明显提高,且高于同等面板厚度的对称夹芯结构。将非对称夹芯结构应用到地铁司机室设计中,进行结构重量优化设计,得到最优设计方案为:外面板厚度为2.52 mm,内面板厚度为0.21mm,泡沫芯子厚度为25 mm。该夹芯结构平板件重量为7.63 kg,与原设计方案相比,减轻了22.3%。