CN107600086A - 低成本工艺成型的碳纤维复合材料地铁车体 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低成本工艺成型的碳纤维复合材料地铁车体，包括U形车身、端墙和底架，U形车身设于底架上，U形车身和底架的共同两端分别设有端墙，U形车身采用夹芯结构，U形车身包括由外向内依次设置的外蒙皮一、夹芯层一和内蒙皮一，端墙采用夹芯结构，端墙包括由上向下依次设置的外蒙皮二、夹芯层二和内蒙皮二，底架采用夹芯结构，底架包括由上向下依次设置的外蒙皮三、夹芯层三和内蒙皮三；不仅减少了零部件数量，而且隔热性能优异，并采用低成本复合材料成型工艺整体成型，整体上降低了下碳纤维复合材料车体的总成本；同时充分发挥碳纤维复合材料性能特点，解决了现有车身重量大，耐腐蚀性差，抗疲劳性能差，使用周期短等缺点。

Description

低成本工艺成型的碳纤维复合材料地铁车体

技术领域

本发明涉及一种低成本工艺成型的碳纤维复合材料地铁车体。

背景技术

地铁车体是用于容纳旅客、司乘人员、行李等和安装各种设备的部件，由转向架支撑，主要起承载作用，是车辆的主要组成部分。传统的地铁车体多为铝合金结构，由车顶、侧墙、端墙、底架、牵枕缓等多个部件通过焊接组成整车。故原铝合金车体存在重量大，成本高，耗能大，耐腐蚀性差，使用周期短等缺点。

用碳纤维复合材料成型的制件重量轻、强度高、刚性大，对减轻车体重量，降低噪声、震动，提高安全性、舒适性，减少维修等均有重要作用，已成为理想的轨道交通用结构件。

上述问题是在地铁车体的设计过程中应当予以考虑并解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种低成本工艺成型的碳纤维复合材料地铁车体，将地铁车体设计成碳纤维复合材料结构，结合复合材料成型工艺的特点，将各部件进行整合，充分发挥复合材料可设计性强、整体化程度高、疲劳性能好等优势，以期在降低车体结构重量的同时，提高车体疲劳、隔音、隔热等特性，此外，车体主体部分使用低成本的非热压罐工艺（OOA）成型，大大降低了碳纤维复合材料车体的成本，解决现有技术中存在的原铝合金车体存在重量大，成本高，耗能大，耐腐蚀性差，使用周期短等问题。

本发明的技术解决方案是：

一种低成本工艺成型的碳纤维复合材料地铁车体，包括U形车身、端墙和底架，U形车身设于底架上，U形车身和底架的共同两端分别设有端墙，U形车身采用夹芯结构，U形车身包括由外向内依次设置的外蒙皮一、夹芯层一和内蒙皮一，端墙采用夹芯结构，端墙包括由外向内依次设置的外蒙皮二、夹芯层二和内蒙皮二，底架采用夹芯结构，底架包括由下向上依次设置的外蒙皮三、夹芯层三和内蒙皮三。

进一步地，底架包括牵枕缓、端梁和平行设置的两根边梁，边梁的两端分别设有端梁，边梁与端梁共同形成框形，牵枕缓采用T形结构，牵枕缓包括横向部和纵向部，纵向部的两端分别连接平行设置的两根边梁，横向部的一端连接纵向部的中部，横向部的另一端连接端梁。

进一步地，边梁的两端分别设有牵枕缓。

进一步地，U形车身、端墙和底架分别采用热压罐外固化成型工艺制成。

进一步地，夹芯层一为蜂窝泡沫一及预先成型的纵横加强筋、门框、窗框拼接而成，纵横加强筋为变厚度工字型截面的纵横加强筋。

进一步地，夹芯层二为蜂窝泡沫二及预先成型的加强筋拼接而成。

进一步地，夹芯层三为蜂窝泡沫三及预先成型的走线管拼接而成。

进一步地，底架的顶面设有横筋。

进一步地，边梁采用液体成型工艺成型制成，边梁采用厚度为15~17 mm的U型复合材料制件。

进一步地，U形车身、端墙和底架分别采用阻燃碳纤维复合材料制成。

该种低成本工艺成型的碳纤维复合材料地铁车体，U形车身、端墙和底架均采用夹芯结构整体成型，减少车体零部件数量和装配工作量且比传统的铝结构质量减轻30~34%，隔音、隔热性能优异，抗冲击性和抗冲击回弹变形能力增强。

该种低成本工艺成型的碳纤维复合材料地铁车体，U形车身和底架二大主体部件均使用低成本OOA成型工艺，在缩短制造周期、简化工序、灵活方便应用、减少工装投入和运作成本、节能等方面具有明显优势，整体上降低了碳纤维复合材料车体的总成本。

该种低成本工艺成型的碳纤维复合材料地铁车体中，主要承力结构牵枕缓和端梁使用热压罐工艺成型，边梁、走线管使用低成本液体成型工艺成型。U形车身夹芯结构中布置纵横向加强构件封闭式承载骨架，且门、窗等大开口位置布置加强框。各部件除边梁、走线管外均采用具有阻燃性能的碳纤维织物预浸料成型，车体的安全性能提高。主要部件之间通过螺栓、抽钉进行机械连接。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，该种低成本工艺成型的碳纤维复合材料地铁车体，在保持原铝合金车体结构外形及接口的基础上，结构强度与刚度均能满足使用要求，对车体结构采用结构/功能一体化、模块化的设计，采用碳纤维复合材料夹芯结构整体成型主体部件，不仅减少了零部件数量，而且隔热性能优异，并采用低成本复合材料成型工艺整体成型，从而降低了装配成本和制造成本，整体上降低了下碳纤维复合材料车体的总成本；同时充分发挥碳纤维复合材料性能特点，不仅解决了现有车身重量大，耐腐蚀性差，抗疲劳性能差，使用周期短等缺点，而且可使用阻燃材料，阻燃性能达到DIN5510Z S-4级，极大提高了安全性能。该种低成本工艺成型的碳纤维复合材料地铁车体，重量轻、承载高、成本低、性能优异。

附图说明

图1是本发明低成本工艺成型的碳纤维复合材料地铁车体的结构示意图；

图2是实施例低成本工艺成型的碳纤维复合材料地铁车体中底架的仰视示意图；

图3是实施例低成本工艺成型的碳纤维复合材料地铁车体中U型车身的剖面结构示意图；

图4是实施例低成本工艺成型的碳纤维复合材料地铁车体中夹芯层一的结构示意图；

图5是实施例低成本工艺成型的碳纤维复合材料地铁车体中的端墙的剖面结构示意图；

图6是实施例低成本工艺成型的碳纤维复合材料地铁车体中底架的俯视结构示意图；

图7是实施例低成本工艺成型的碳纤维复合材料地铁车体中底架的剖面结构示意图；

其中，1-U形车身，2-端墙，3-底架，4-牵枕缓，5-端梁，6-边梁；

101-外蒙皮一，102-内蒙皮一，103-夹芯层一；

1031-蜂窝泡沫一，1032-纵横加强筋，1033-门框，1034-窗框；

201-外蒙皮二，202-内蒙皮二，203-夹芯层二；

2031-蜂窝泡沫二，2032-加强筋；

301-外蒙皮三，302-内蒙皮三，303-夹芯层三，304-横筋；

3031-蜂窝泡沫三，3032-走线管。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例

一种低成本工艺成型的碳纤维复合材料地铁车体，如图1，包括U形车身1、端墙2和底架3，U形车身1设于底架3上，U形车身1和底架3的共同两端分别设有端墙2，U形车身1采用夹芯结构，如图3，U形车身1包括由外向内依次设置的外蒙皮一101、夹芯层一103和内蒙皮一102，如图5，端墙2采用夹芯结构，端墙2包括由外向内依次设置的外蒙皮二201、夹芯层二203和内蒙皮二202，如图7，底架3采用夹芯结构，底架3包括由下向上依次设置的外蒙皮三301、夹芯层三303和内蒙皮三302。

与现有技术相比，该种低成本工艺成型的碳纤维复合材料地铁车体，在保持原铝合金车体结构外形及接口的基础上，结构强度与刚度均能满足使用要求，对车体结构采用结构/功能一体化、模块化的设计，采用碳纤维复合材料夹芯结构整体成型主体部件，不仅减少了零部件数量，而且隔热性能优异，并采用低成本复合材料成型工艺整体成型，从而降低了装配成本和制造成本，整体上降低了下碳纤维复合材料车体的总成本；同时充分发挥碳纤维复合材料性能特点，不仅解决了现有车身重量大，耐腐蚀性差，抗疲劳性能差，使用周期短等缺点。

如图2，底架3包括牵枕缓4、端梁5和平行设置的两根边梁6，边梁6的两端分别设有端梁5，边梁6与端梁5共同形成框形，边梁6的两端分别设有牵枕缓4，牵枕缓4采用T形结构，牵枕缓4包括横向部和纵向部，纵向部的两端分别连接平行设置的两根边梁6，横向部的一端连接纵向部的中部，横向部的另一端连接端梁5。

U形车身1、端墙2和底架3分别采用热压罐外固化成型工艺制成。如图4，夹芯层一103为蜂窝泡沫一1031及预先成型的纵横加强筋1032、门框1033、窗框1034拼接而成。如图5，夹芯层二203为蜂窝泡沫二2031及预先成型的加强筋2032拼接而成。如图6，底架3的顶面设有横筋304，能够提高底架3刚度，横筋304采用泡沫夹芯结构。如图7，夹芯层三303为蜂窝泡沫三3031及预先成型的走线管3032拼接而成。

为方便与蜂窝泡沫一1031进行拼接，纵横加强筋1032为变厚度工字型截面，且门框1033、窗框1034均为碳纤维复合材料包覆泡沫的夹芯结构；牵枕缓4及端梁5作为主承力结构件均为采用热压罐工艺成型的10~15 mm厚的复合材料制件；边梁6为采用低成本的液体成型工艺成型的15~17 mm厚的U型复合材料制件。以上各主要部件成型后通过螺栓、抽钉等形式进行机械连接成型碳纤维复合材料地铁车体。

该种低成本工艺成型的碳纤维复合材料地铁车体，采用结构/功能一体化、模块化的设计，减少了零部件数量，并采用低成本复合材料成型工艺整体成型，从而降低了装配成本和制造成本，整体上降低了碳纤维复合材料地铁车体的总成本；此外，地铁车体主体部件均利用具有阻燃性能的碳纤维织物预浸料采用蜂窝泡沫夹芯结构整体成型，不仅具有优异的隔音、隔热性能，而且抗冲击性和抗冲击回弹变形能力增强，更重要的是有效的减轻地铁车体的重量，达到车体轻量化的目的，比传统的铝合金车体质量减轻30~34%，减小了车体耗能，延长了使用寿命。

该种低成本工艺成型的碳纤维复合材料地铁车体，U形车身1、端墙2和底架3均采用夹芯结构整体成型，减少车体零部件数量和装配工作量且比传统的铝结构质量减轻30~34%，隔音、隔热性能优异，抗冲击性和抗冲击回弹变形能力增强。

该种低成本工艺成型的碳纤维复合材料地铁车体，U形车身1和底架3二大主体部件均使用低成本OOA成型工艺，在缩短制造周期、简化工序、灵活方便应用、减少工装投入和运作成本、节能等方面具有明显优势，整体上降低了碳纤维复合材料车体的总成本。

该种低成本工艺成型的碳纤维复合材料地铁车体，中，主要承力结构牵枕缓4和端梁5使用热压罐工艺成型，边梁6、走线管3032使用低成本液体成型工艺成型。U形车身1夹芯结构中布置纵横向加强构件封闭式承载骨架，且门、窗等大开口位置布置加强框。各部件除边梁6、走线管3032外均采用具有阻燃性能的碳纤维织物预浸料成型，车体的安全性能提高。主要部件之间通过螺栓、抽钉进行机械连接。

U形车身1、端墙2和底架3分别采用阻燃碳纤维复合材料制成。实施例可使用阻燃材料，阻燃性能达到DIN5510Z S-4级，极大提高了安全性能。该种低成本工艺成型的碳纤维复合材料地铁车体，重量轻、承载高、成本低、性能优异。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡是在本发明的原则之内，所有的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低成本工艺成型的碳纤维复合材料地铁车体，其特征在于：包括U形车身、端墙和底架，U形车身设于底架上，U形车身和底架的共同两端分别设有端墙，U形车身采用夹芯结构，U形车身包括由外向内依次设置的外蒙皮一、夹芯层一和内蒙皮一，端墙采用夹芯结构，端墙包括由外向内依次设置的外蒙皮二、夹芯层二和内蒙皮二，底架采用夹芯结构，底架包括由下向上依次设置的外蒙皮三、夹芯层三和内蒙皮三。

2.如权利要求1所述的低成本工艺成型的碳纤维复合材料地铁车体，其特征在于：底架包括牵枕缓、端梁和平行设置的两根边梁，边梁的两端分别设有端梁，边梁与端梁共同形成框形，牵枕缓采用T形结构，牵枕缓包括横向部和纵向部，纵向部的两端分别连接平行设置的两根边梁，横向部的一端连接纵向部的中部，横向部的另一端连接端梁。

3.如权利要求2所述的低成本工艺成型的碳纤维复合材料地铁车体，其特征在于：边梁的两端分别设有牵枕缓。

4.如权利要求1所述的低成本工艺成型的碳纤维复合材料地铁车体，其特征在于：U形车身、端墙和底架分别采用热压罐外固化成型工艺制成。

5.如权利要求1-4任一项所述的低成本工艺成型的碳纤维复合材料地铁车体，其特征在于：夹芯层一为蜂窝泡沫一及预先成型的纵横加强筋、门框、窗框拼接而成，纵横加强筋为变厚度工字型截面的纵横加强筋。

6.如权利要求5所述的低成本工艺成型的碳纤维复合材料地铁车体，其特征在于：夹芯层二为蜂窝泡沫二及预先成型的加强筋拼接而成。

7.如权利要求6所述的低成本工艺成型的碳纤维复合材料地铁车体，其特征在于：夹芯层三为蜂窝泡沫三及预先成型的走线管拼接而成。

8.如权利要求7所述的低成本工艺成型的碳纤维复合材料地铁车体，其特征在于：底架的顶面设有横筋。

9.如权利要求8所述的低成本工艺成型的碳纤维复合材料地铁车体，其特征在于：边梁采用液体成型工艺成型制成，边梁采用厚度为15~17 mm的U型复合材料制件。

10.如权利要求9所述的低成本工艺成型的碳纤维复合材料地铁车体，其特征在于：U形车身、端墙和底架分别采用阻燃碳纤维复合材料制成。