CN106585645A - 一种全复合材料城轨车辆蒙皮、铝合金底架及连接装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全复合材料城轨车辆蒙皮、铝合金底架及连接装置，自上而下依次设置有Glass/Phenol Face、Nomax蜂窝防火材料层、铝箔纸、第一玻璃纤维复合材料层、第一碳纤维复合材料层、泡沫、第二碳纤维复合材料层、第二玻璃纤维复合材料层；泡沫内部设置有碳纤维加强筋。本发明解决了现阶段复合材料车体的减重不明显、防火性能差和热稳定性差的问题，树脂体系本身具有的难燃，防火性能优异，热稳定性好的特点。与传统的环氧树脂体系相比更适合作为与纤维复合的基体材料，同时蒙皮之间填充的防火泡沫可以使得车体局部刚度提高，进一步减重的目前提下又车体提高防火隔热性能。
Description
技术领域
本发明属于城轨车辆蒙皮技术领域，尤其涉及一种全复合材料城轨车辆蒙皮、铝合金底架及连接装置。
背景技术
复合材料广泛应用于航空航天、汽车、船舶、能源、建筑、化工、体育等众多行业；在结构设计中应用比重越来越大，空客设计的A380飞机复合材料占50％以上。到目前为止全复合材料车体还没有文献可查，国内轨道交通车辆车体结构以金属材料设计为主；国内正开展的碳纤维复合材料在轨道车辆上的应用研究，但目前侧重点在某些部件的替换上，没有整体碳纤维车体的研发。而复合材料车体蒙皮相区别与传统的不锈钢或者铝合金车体的结构有很大不同，复合材料蒙皮的夹芯结构具有弯曲刚度高、质量轻以及优异的隔热减震等性能，是较为常用的复合材料结构形式。典型的三明治夹芯结构由夹芯和两层面板及黏接层组成。同时，采用现阶段的成熟的铝合金底架与复合材料车体上部分组合形式，设计出两者的连接方式。韩国铁道科学研究院(KRRI)着手研制的运营速度为180km/h的TTX摆式列车。该车车体采用不锈钢增强骨架，侧墙体和顶盖采用铝蜂窝夹芯，蒙皮采用碳纤维增强复合材料构成三明治结构。为便于安装辅助设备，底架采用不锈钢材料。车体外壳总质量可比铝合金结构降低40％，较传统的不锈钢车体结构降低28％。车体的静强度、疲劳强度、防火安全性、模态特性等各项性能指标完全满足设计要求。TTX摆式列车碳纤维复合材料车体在设计时，车体与铝合金底架之间则采用了铆接、胶接及焊接相混合的连接形式，以提高连接的可靠性。全复合材料车体的侧墙与铝合金底架无法通过传统的不锈钢车体或者铝合金车体的焊接的方式实现载荷的传递，为此需要专门设计出满足复合材料加工工艺和车体结构动力学要求的连接方法。为了满足车体的轻量化设计，车体必须具有性能好，结构简单，舒适度高，耐腐蚀性好，防火性能优异等特点。整备车的重量分配比例如下：车身重量占36％，其次是车载设备，约占29％，然后是内部装饰占16％。车载设备一般没有多少减重空间，于是，轻量化的重点主要是在车身车体，而车身车体主要部分是蒙皮结构，现阶段无论是不锈钢车体还是铝合金的设计都已经达到了极限，而复合材料因其优异的特性而受到各领域重视。当前的国外内的车体仅是在部分结构上替换成复合材料，车体蒙皮内部的加强筋等结构还是采用的不锈钢等传统材料，所以复合材料车体蒙皮的结构设计方法在车体轻量化方面还不够明显，与传统的不锈钢与铝合金车体相比并未显示出明显的优势，其次现阶段的复合材料采用的树脂体系大部分是环氧树脂，环氧树脂本身的防火性能，热稳定性差问题也是尚未很好解决的问题。复合材料强度和刚度的各向异性，以及复合材料层间强度较低、延展性小等特点，致使复合材料连接部位的设计与分析要比金属连接复杂，因而，复合材料结构设计的关键技术是连接强度。
综上所述，现阶段的复合材料存在防火性能差，热稳定性差；复合材料层间强度较低、延展性小，致使复合材料连接部位的设计与分析要比金属连接复杂，全复合材料车体的侧墙与铝合金底架无法通过传统的不锈钢车体或者铝合金车体的焊接的方式实现载荷的传递，车体的连接方式及强度是车体轻量化方面的关键性问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种全复合材料城轨车辆蒙皮、铝合金底架及连接装置，旨在解决现阶段的复合材料存在防火性能差，热稳定性差；复合材料层间强度较低、延展性小，致使复合材料连接部位的设计与分析要比金属连接复杂，全复合材料车体的侧墙与铝合金底架无法通过传统的不锈钢车体或者铝合金车体的焊接的方式实现载荷的传递，在车体轻量化方面的关键性的问题。
本发明是这样实现的，一种全复合材料城轨车辆蒙皮，所述全复合材料城轨车辆蒙皮自上而下依次设置有Glass/Phenol Face、Nomax蜂窝防火材料层、铝箔纸、第一玻璃纤维复合材料层、第一碳纤维复合材料层、泡沫、第二碳纤维复合材料层、第二玻璃纤维复合材料层；泡沫内部设置有碳纤维加强筋。
进一步，所述全复合材料城轨车辆蒙皮通过铝合金板材与铝合金底座连接。
进一步，所述全复合材料城轨车辆蒙皮车体侧墙、大边梁与横梁的连接结构包括：
(1)大边梁拆成上下两个L型直角梁，相向放置，即倒扣在一起；在横梁与边梁的连接处、外蒙皮与大边梁接触处，用螺栓连接进行加固；
(2)大边梁拆成上下两个直角梁，同向放置，在横梁与边梁的连接处，蒙皮与大边梁接触处，用螺栓连接进行加固。
进一步，所述全复合材料城轨车辆蒙皮内外层为碳纤维树脂复合材料，复合材料单层均为0.2mm，内外蒙皮厚度各为1.2mm，铺层设计为00/00/450/900/00/-450/0，中间加强筋亦采用碳纤维树脂复合材料厚度为1mm,铺层设计为00/450/900/00/-450/0，填充的防火泡沫，采用粘接或者螺栓链接；内部防火外层玻璃纤维复合材料与框架结构隔开，是等电位处理的锡箔纸，然后是防火材料Nomax蜂窝，最内层采用的是玻璃纤维复合材料用于隔绝车体内饰。
进一步，所述加强筋通过采用碳纤维复合材料。
本发明的另一目的在于提供一种由所述全复合材料城轨车辆蒙皮制造的轨道交通车辆。
本发明的另一目的在于提供一种由所述全复合材料城轨车辆蒙皮制造的飞机。
本发明的另一目的在于提供一种由所述全复合材料城轨车辆蒙皮制造的汽车。
本发明提供的全复合材料城轨车辆蒙皮、铝合金底架及连接装置，包括侧墙、顶棚、和端墙的蒙皮结构，在满足力学性能的基础上，使车体的自重减少效果很好，且各项性能更优；解决了现阶段复合材料车体的减重不明显、防火性能差和热稳定性差的问题，在满足车体蒙皮结构力学性能的前提下，蒙皮内部的加强筋也采用与蒙皮相同的碳纤维树脂复合材料，其中树脂体系本身具有的难燃，防火性能优异，热稳定性好的特点。与传统的环氧树脂体系相比更适合作为与纤维复合的基体材料，同时蒙皮之间填充的防火泡沫可以使得车体局部刚度提高，进一步减重的目前提下又车体提高防火隔热性能。
本发明针对复合材料车体整体蒙皮设计，包括侧墙，顶棚和端墙的结构设计和防火设计，结构设计采用“三明治”结构，即主要承载结构设计为内外层为碳纤维树脂复合材料，中间为碳纤维树脂复合材料加强筋，车体外壳总质量可比铝合金结构降低50％，同时热稳定性提到高300℃。此种结构能够满足如下功能：结构上，能够在车体结构之间传递动力；动力学，具有良好的振动性能；防火隔热上，具有良好的隔热性能。区别于传统铝合金或者铝合金车体结构方式，提出满足复合材料车体的蒙皮可行性结构设计方法，底架则采用成熟的铝合金底架，在满足力学性能和安全性能的基础上，使车体实现较理想的轻量化。解决了复合材料车体的侧墙、大边梁与横梁的连接方法无法通过传统的不锈钢车体或者铝合金车体的焊接工艺实现载荷的传递的设计问题，因此需要专门设计出满足复合材料车体与铝合金底架间载荷传递和复合材料加工、装配要求的连接方式；解决了复合材料车体蒙皮结构与铝合金底架的连接方式问题，为将来的整体车体的结构设计提出可行性方法；而大边梁和横梁主要采用真空辅助成形工艺，复合材料车体的侧墙、大边梁与横梁的连接方法无法通过简单模仿已有的不锈钢车体或者铝合金车体的焊接的方式实现载荷的传递的设计问题，提出如何实现复合材料的侧墙、大边梁与横梁连接的方法；解决了全复合材料车体主要部件的连接方式问题，为将来的整体车体的结构设计提出可行性方法。
附图说明
图1是本发明实施例提供的全复合材料城轨车辆蒙皮结构示意图。
图2是本发明实施例提供的全复合材料城轨车辆蒙皮与铝合金底架连接示意图。
图中：1、Glass/Phenol Face；2、Nomax蜂窝防火材料层；3、铝箔纸；4、第一玻璃纤维复合材料层；5、第一碳纤维复合材料层；6、泡沫；7、第二碳纤维复合材料层；8、第二玻璃纤维复合材料层；9、碳纤维加强筋；10、铝合金板材；11、铝合金底座。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的全复合材料城轨车辆蒙皮包括：Glass/PhenolFace1、Nomax蜂窝防火材料层2、铝箔纸3、第一玻璃纤维复合材料层4、第一碳纤维复合材料层5、泡沫6、第二碳纤维复合材料层7、第二玻璃纤维复合材料层8、碳纤维加强筋9。
全复合材料城轨车辆蒙皮自上而下依次设置有Glass/Phenol Face1、Nomax蜂窝防火材料层2、铝箔纸3、第一玻璃纤维复合材料层4、第一碳纤维复合材料层5、泡沫6、第二碳纤维复合材料层7、第二玻璃纤维复合材料层8；泡沫6内部设置有碳纤维加强筋9。
如图2所示，全复合材料城轨车辆蒙皮与铝合金底架的连接：全复合材料城轨车辆蒙皮提供铝合金板材与铝合金底座连接。
本发明实施例提供的全复合材料城轨车辆蒙皮车体侧墙、大边梁与横梁的连接结构的设计方法包括：
方法一：考虑到横梁与大边梁的装配问题，即容差分配，当横梁尺寸稍大是会出现的无法搁置在列车边梁中间，采用把大边梁拆成上下两个L型直角梁，相向放置，即倒扣在一起。装配的时候，首先固定大边梁的下部分，然后横梁与大边梁的下部分安装，再装配大边梁的上部分，这样就不存在装配工艺的容差分配问题。边梁的面与面之间的主要靠粘接，考虑到安全性，可在横梁与边梁的连接处、外蒙皮与大边梁接触处，用螺栓连接进行加固。
方法二：考虑到横梁与大边梁的装配问题，把大边梁拆成上下两个直角梁，同向放置，即类似于两个L坐落在一起。装配的时候，首先固定大边梁的下部分，然后横梁与大边梁的下部分安装，再装配大边梁的上部分，其中面与面之间的主要靠粘接，考虑到安全性，可在横梁与边梁的连接处，蒙皮与大边梁接触处，用螺栓连接进行加固。
通过以上两种方法，能够很好地解决车体横梁与边梁之间的装配工艺问题，不会出现因为生产工艺导致产品构件尺寸不适合而出现的无法装配的现象。同时由于采用复合材料作为车体的边梁和横梁，无法通过传统的焊接，因此采用粘接结束，同时在关键部位通过螺栓进行加固，使得不同的构件能够很好地装配在一起，而且满足力学性能的要求。综上所述，此发明方法主要涉及了全复合材料车体的蒙皮结构设计，蒙皮结构与复合材料底架的连接方式，很好的解决了复合材料在车体轻量化方面的关键性问题。
本发明主要针对复合材料车体蒙皮结构设计，采用“三明治结构”，即内外层为碳纤维树脂复合材料，复合材料单层均为0.2mm,内外蒙皮厚度各为1.2mm，铺层设计为00/00/450/900/00/-450/0，中间加强筋亦采用碳纤维树脂复合材料厚度为1mm,铺层设计为00/450/900/00/-450/0，填充的防火泡沫，不同元件之间采用粘接或者螺栓链接。内部防火设计也是采用“三明治”结构，其外层玻璃纤维复合材料与框架的“三明治”结构隔开，接下来是等电位处理的锡箔纸，然后是防火材料Nomax蜂窝，最内层采用的是玻璃纤维复合材料用于隔绝车体内饰，进一步起到防火的作用。底架完全采用成熟的铝合金底架，需要单独设计一种铝合金板材作为连接结构，作为车体蒙皮结构与铝合金底架的桥梁，铝合金板要具有一定的强度与刚度，保证车体整体的刚度与强度。全复合材料的蒙皮是实现车体轻量化的主要部分，在满足车体刚度，强度的要求下，尽量减低蒙皮的重量具有重要意义，此发明设计采用经典的“三明治”结构框架，能够最简单的保证车体蒙皮的刚度和强度，而在减震，提高舒适度方面具有优异的特性，同时也包括了防火设计。外表面采用玻璃纤维复合材料作为防护和防火，中间的5、6、7、9部件共同构成车体承载的框架结构，该结构内外层5、7为碳纤维树脂复合材料，中间9为碳纤维树脂复合材料加强筋，其中填充物6为泡沫的“三明治”结构，该结构为车体的主要承载结构。加强筋通过采用碳纤维复合材料，车体的轻量化效果变得特别明显，而车体的力学性能与传统车体结构相比，在强度方面也远好于传统的不锈钢和铝合金车体结构。防火设计是另外一个“三明治”结构，由1、2、3部件构成。车内一侧部件1玻璃纤维苯酚基复合材料、部件2防火材料Nomax蜂窝芯和等电位处理的铝箔纸将承载框架的“三明治”结构与车体内侧隔开。部件1玻璃纤维苯酚基复合材料、Nomax蜂窝芯和部件3铝箔纸共同作为防火结构，玻璃纤维苯酚基具有耐腐蚀性，Nomax蜂窝芯具有耐热性，铝箔纸能够阻燃，将这三种结构组合成防火结构，能够充分发挥各种部件的优良性能。同时，防火结构与外侧，能够防止内部承载结构在发生火灾突然失效。蒙皮结构各部分具体的铺层设计以及厚度尺寸上文已经给出或者图中已经标出。同时，防火结构与外侧，能够防止内部承载结构在发生火灾突然失效。蒙皮结构各部分具体的铺层设计以及厚度尺寸上文已经给出或者图中已经标出。综上，所采用的全复合材料蒙皮设计能够充分满足车体结构的力学性能设计，同时又满足隔热、阻燃等功能设计。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种全复合材料城轨车辆蒙皮，其特征在于，所述全复合材料城轨车辆蒙皮自上而下依次设置有Glass/Phenol Face、Nomax蜂窝防火材料层、铝箔纸、第一玻璃纤维复合材料层、第一碳纤维复合材料层、泡沫、第二碳纤维复合材料层、第二玻璃纤维复合材料层；泡沫内部设置有碳纤维加强筋。
2.如权利要求1所述的全复合材料城轨车辆蒙皮，其特征在于，所述全复合材料城轨车辆蒙皮通过铝合金板材与铝合金底座连接。
3.如权利要求1所述的全复合材料城轨车辆蒙皮，其特征在于，所述全复合材料城轨车辆蒙皮车体侧墙、大边梁与横梁的连接结构包括：
(1)大边梁拆成上下两个L型直角梁，相向放置，即倒扣在一起；在横梁与边梁的连接处、外蒙皮与大边梁接触处，用螺栓连接进行加固；
(2)大边梁拆成上下两个直角梁，同向放置，在横梁与边梁的连接处，蒙皮与大边梁接触处，用螺栓连接进行加固。
4.如权利要求1所述的全复合材料城轨车辆蒙皮，其特征在于，所述全复合材料城轨车辆蒙皮内外层为碳纤维树脂复合材料，复合材料单层均为0.2mm，内外蒙皮厚度各为1.2mm，铺层设计为00/00/450/900/00/-450/0，中间加强筋亦采用碳纤维树脂复合材料厚度为1mm,铺层设计为00/450/900/00/-450/0，填充的防火泡沫，采用粘接或者螺栓链接；内部防火外层玻璃纤维复合材料与框架结构隔开，是等电位处理的锡箔纸，然后是防火材料Nomax蜂窝，最内层采用的是玻璃纤维复合材料用于隔绝车体内饰。
5.如权利要求1所述的全复合材料城轨车辆蒙皮，其特征在于，所述加强筋通过采用碳纤维复合材料。
6.一种由权利要求1～5任意一项所述全复合材料城轨车辆蒙皮制造的轨道交通车辆。
7.一种由权利要求1～5任意一项所述全复合材料城轨车辆蒙皮制造的飞机。
8.一种由权利要求1～5任意一项所述全复合材料城轨车辆蒙皮制造的汽车。
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