CN111452395A - 曲面复合材料连接结构、成型方法及轨道车辆 - Google Patents

曲面复合材料连接结构、成型方法及轨道车辆 Download PDF

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Abstract

本发明涉及复合材料领域，提供曲面复合材料连接结构、成型方法及轨道车辆。该曲面复合材料连接结构包括一对复合材料曲面蒙皮，以及连接梁，一对复合材料曲面蒙皮拼接设于连接梁的外表面，其还包括分别固设于每个复合材料曲面蒙皮粘接面的多个增厚片，多个增厚片间隔排布在复合材料曲面蒙皮的粘接面，每个复合材料曲面蒙皮的粘接面通过增厚片与连接梁的外表面接触，且在每个复合材料曲面蒙皮与连接梁的外表面之间形成间隙，间隙中填充粘接胶层。本发明能够降低整个复合材料连接结构的加工、连接、装配难度，使得复合材料曲面蒙皮在与连接梁粘接时结构更牢固。

Description

曲面复合材料连接结构、成型方法及轨道车辆
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及曲面复合材料连接结构、成型方法及轨道车辆。
背景技术
复合材料曲面蒙皮的粘接面凹凸不平(由于热压罐成型工艺的限制，成型出的复材部件存在毛面，表面厚度可能有±3mm以内的误差)，在与另一曲面部件粘接(如异形C型梁)时，两曲面部件的贴合性不佳，中间会存在许多空隙且厚度不均匀、密封性不好。为确保粘接层强度、厚度可控、气密性优良，一般采用先机械加工精准控制曲面形状，再利用结构胶粘接的方法。
但由于复合材料结构的方向性，将复合材料表面进行直接加工制成曲面部件的工艺不仅十分考验机械精度、消耗大量时间、花费大量成本，也会破坏复合材料表面纤维层导致其结构受损、强度无法保证。这种加工难题制约着曲面复合材料的高质量及生产效率。随着曲面复合材料在轨道交通中的应用，这些问题越来越需要解决。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种曲面复合材料连接结构，以解决复合材料曲面蒙皮加工、连接、装配困难的问题。
本发明还提出一种曲面复合材料连接结构的成型方法。
本发明还提出一种轨道车辆。
根据本发明一方面实施例的一种曲面复合材料连接结构，包括连接梁和一对复合材料曲面蒙皮，一对所述复合材料曲面蒙皮拼接设于所述连接梁的外表面，其还包括分别固设于每个所述复合材料曲面蒙皮粘接面的多个增厚片，多个所述增厚片间隔排布在所述复合材料曲面蒙皮的粘接面，每个所述复合材料曲面蒙皮的粘接面通过所述增厚片与所述连接梁的外表面接触，且在每个所述复合材料曲面蒙皮与所述连接梁的外表面之间形成间隙，所述间隙中填充粘接胶层。
根据本发明的一个实施例，每个所述增厚片与所述连接梁接触的表面构造成波浪面，所述波浪面的内凹处也填充所述粘接胶层。
根据本发明的一个实施例，多个所述增厚片沿所在的所述复合材料曲面蒙皮的粘接面呈错位排布，且相邻两个所述增厚片之间的间距相等。
根据本发明的一个实施例，一对所述复合材料曲面蒙皮的拼接处形成拼缝，多个所述增厚片沿所述拼缝的长度方向在所述复合材料曲面蒙皮的粘接面呈S型延伸排列。
根据本发明的一个实施例，每个所述增厚片的大小和厚度相等，所述增厚片呈方块形。
根据本发明的一个实施例，所述增厚片通过热压罐成型固定在所述复合材料曲面蒙皮的粘接面。
根据本发明的一个实施例，所述增厚片与所述连接梁接触的表面通过打磨形成所述波浪面，所述波浪面的波峰或波谷与所述连接梁的外表面贴合。
根据本发明的一个实施例，每个所述复合材料曲面蒙皮的粘接面还固设有朝向所述连接梁方向凸出的多个紧固件，所述连接梁的相应位置设有与所述紧固件一一对应的多个连接孔。
根据本发明的一个实施例，一对所述复合材料曲面蒙皮的拼接处形成拼缝，多个所述紧固件沿所述拼缝的长度方向在所述复合材料曲面蒙皮的粘接面呈S型延伸排列；
所述紧固件为铆钉。
根据本发明的一个实施例，所述连接梁关于一对所述复合材料曲面蒙皮的拼接处呈中心对称；
所述连接梁的外表面呈与所述复合材料曲面蒙皮的粘接面相匹配的曲面。
根据本发明第二方面实施例所述的曲面复合材料连接结构的成型方法，包括步骤：
在热压罐专用设备上分别将复合材料曲面蒙皮与连接梁的预浸料按顺序铺层，形成坯体；
在所述复合材料曲面蒙皮的坯体的粘接面与所述连接梁的坯体对应粘接的位置，贴设增厚片的预浸料；
对所述复合材料曲面蒙皮的坯体与所述连接梁的坯体以及所述增厚片的坯体进行热压罐成型的后续步骤，至成型完成；
在所述复合材料曲面蒙皮和所述连接梁上依次打孔；
在所述复合材料曲面蒙皮的粘接面和所述连接梁的粘接面均刮涂结构胶，并在所述增厚片的粘接面填充结构胶；
所述连接梁的粘接面朝下，所述复合材料曲面蒙皮的粘接面朝上，所述复合材料曲面蒙皮的粘接面和所述连接梁的粘接面对应放置，使得所述复合材料曲面蒙皮和连接梁上的孔位一一对应，并在各孔位设紧固件进行连接；
采用固定工装固定上述粘接结构，待结构胶固化后，取下所述固定工装。
根据本发明的一个实施例，所述增厚片的坯体进行热压罐成型之后，还包括对所述增厚片的粘接面加工成波浪面。
根据本发明第三方面实施例的一种轨道车辆，包括车体，所述车体设有如上所述的曲面复合材料连接结构。
本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：
本发明实施例的一种曲面复合材料连接结构，采用在现有的复合材料曲面蒙皮粘接面固设多个增厚片，多个所述增厚片间隔排布在所述复合材料曲面蒙皮的粘接面，每个所述复合材料曲面蒙皮的粘接面通过所述增厚片与所述连接梁的外表面接触，且在每个所述复合材料曲面蒙皮与所述连接梁的外表面之间形成间隙，所述间隙中填充粘接胶层，从而在复合材料曲面蒙皮成型完进行加工时，只需打磨增厚片的表面，无须打磨复合材料曲面蒙皮的整个粘接面，因此加工面积、加工难度大幅度降低，且不会破坏复合材料曲面蒙皮本身的纤维层、影响其强度。从而降低了整个复合材料连接结构的加工、连接、装配难度。
此外，相较于平面的增厚片，增厚片的波浪面与连接梁的外表面连接得更紧密，贴合度更高，能够降低增厚片的表面加工精度，降低增厚片的加工难度，进而使得复合材料曲面蒙皮在与连接梁粘接时结构更牢固。
本发明实施例的一种轨道车辆，通过设置上述曲面复合材料连接结构，使得该轨道车辆具有上述曲面复合材料连接结构的全部优点，在此不再赘述。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例曲面复合材料连接结构显示增厚片的整体结构示意图；
图2是本发明实施例曲面复合材料连接结构沿拼缝方向的截面剖视示意图；
图3是本发明实施例曲面复合材料连接结构沿垂直于拼缝方向的截面剖视示意图；
图4是本发明实施例中增厚片的立体示意图。
附图标记：
1、复合材料曲面蒙皮；2、连接梁；3、紧固件；4、粘接胶层；5、增厚片；501、波浪面。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
需要说明的是，图1至图4为本发明实施例提供的曲面复合材料连接结构的结构示意图。
一方面，如图1至图4所示，本发明实施例提供的一种曲面复合材料连接结构，包括一对复合材料曲面蒙皮1以及设于一对复合材料曲面蒙皮1带有粘接面一侧的连接梁2，一对复合材料曲面蒙皮1拼接设于连接梁2的外表面，具体地，一对复合材料曲面蒙皮1的粘接面与连接梁2的外表面相接，并且，一对复合材料曲面蒙皮1的拼接处形成拼缝。
本实施例中，一对复合材料曲面蒙皮1的厚度相等，拼接放置。连接梁2可以为C型梁。
本实施例中，复合材料曲面蒙皮1、连接梁2以及增厚片5均可以由树脂(如丙烯酸树脂或环氧树脂)/基碳纤维/玻璃纤维/芳纶(也可以是其他类似纤维)等其中一种或几种预浸料铺层而成。
进一步地，本实施例还包括分别固设于每个复合材料曲面蒙皮1粘接面的多个增厚片5，多个增厚片5间隔排布在复合材料曲面蒙皮1的粘接面，每个复合材料曲面蒙皮1的粘接面通过增厚片5与连接梁2的外表面接触，且在每个复合材料曲面蒙皮1与连接梁2的外表面之间形成间隙，间隙中填充粘接胶层4，以实现自密封。从而在复合材料曲面蒙皮1成型完进行加工时，只需打磨增厚片5的表面，无须打磨复合材料曲面蒙皮1的整个粘接面，因此加工面积、加工难度大幅度降低，且不会破坏复合材料曲面蒙皮1本身的纤维层、影响其强度。进而降低整个复合材料连接结构的加工、连接、装配难度。
如图4所示，每个增厚片5与连接梁2接触的表面构造成波浪面501，波浪面501的内凹处也填充粘接胶层4，以实现增厚片5与连接梁2的粘接。相较于平面的增厚片5，增厚片5的波浪面501与连接梁2的外表面连接得更紧密，贴合度更高，能够降低增厚片5的表面加工精度，降低增厚片5的加工难度。
进一步地，波浪形的增厚片5在受到平面方向的力时具有更大的阻力，与另一部件连接得更紧密，同时使得后加的结构胶充分进入增厚片5的波浪面，经过GB/T 7124-2008拉伸剪切强度测定，相较于没有增厚片5的粘接结构，其剪切强度提高20％-30％。
值得一提的是，各增厚片5厚度易控，可通过打磨适应复合材料曲面蒙皮1以及连接梁2的曲面形状，同时使复合材料曲面蒙皮1与连接梁2间的间隙一致，且设计增厚片5的厚度大于复合材料曲面蒙皮1毛面的误差(±3mm)，从而弥补了复合材料曲面蒙皮1粘接面的厚度误差，使得粘接结构厚度均匀，密封性较好。
进一步地，本实施例所说的波浪面包括基本平行设置的若干波浪，也可以是包括呈交叉设置的若干波浪，交叉设置的若干波浪的交叉角度在10°到90°之间，以形成类似网格状结构。使得结构胶能够填充进增厚片表面的波浪状沟槽里，使粘接效果更好。
根据本发明的一个实施例，多个增厚片5沿所在的复合材料曲面蒙皮1的粘接面呈错位排布，以最大限度地布满整个粘接面，且相邻两个增厚片5之间的间距相等，使得复合材料曲面蒙皮1的粘接面各处受力均匀。控制增厚片5大小、间距，起到最佳的粘接效果，防止因粘接部件尺寸误差、不均匀而导致粘接结构不稳定、粘接强度不够。
进一步地，多个增厚片5沿拼缝的长度方向在复合材料曲面蒙皮1的粘接面呈S型延伸排列，即多个增厚片5呈均匀分布，保证复合材料曲面蒙皮1与连接梁2的强度均匀、两部件连接时不会倾斜。得到的粘接结构强度有保证、密封性好、加工简便，解决了曲面复合材料连接、装配困难的问题，尤其是3D造型曲面。
为了使得复合材料曲面蒙皮1的粘接面与连接梁2的外表面之间形成等高的间隙，根据本发明的一个实施例，每个增厚片5的厚度相等。此外，为了使得增厚片5具有统一的规格，增厚片5的大小和形状也设置为一致，便于铺设，省去筛选不同增厚片5的麻烦。
此外，间隙的厚度包含了复合材料曲面蒙皮1粘接面的厚度误差，使得粘接结构厚度均匀，密封性较好。
本实施例中，增厚片5呈方块形，设置方便，当然，增厚片5的形状并不局限于方块形，还可以呈扁圆柱形等其他适宜的形状。
根据本发明的一个实施例，增厚片5通过热压罐成型固定在复合材料曲面蒙皮1的粘接面，使得增厚片5牢固附着在复合材料曲面蒙皮1的粘接面上。
需要说明的是，热压罐成型是指将单层预浸料按预定方向铺叠成的复合材料坯料，放在热压罐内，在定温度和压力下完成固化过程的工艺方法。热压罐是一种能承受和调控定温度、压力范围的专用压力容器。坯料被铺放在附有脱模剂的模具表面，然后依次用多孔防粘布(膜)、吸狡毡透气毡覆盖，并密封于真空袋内，再放入热压罐中。加温固化前先将袋抽真空，除去空气和挥发物，然后按不同树脂的固化制度升温、加压、固化。
根据本发明的一个实施例，增厚片5与连接梁2接触的表面通过打磨形成波浪面501，打磨方便，成型快速，波浪面501的波峰或波谷与连接梁2的外表面贴合，也就是说，波浪面501外凸的顶部与连接梁2的外表面贴合，而无需增厚片5的整个表面与连接梁2的外表面贴合，贴合难度降低，而且贴合度提高，在与连接梁2粘接时结构更牢固。
如图2和图3所示，为了使得连接更牢靠，根据本发明的一个实施例，每个复合材料曲面蒙皮1的粘接面还固设有朝向连接梁2方向凸出的多个紧固件3例如铆钉，铆钉也可以通过热压罐成型的方式固定在复合材料曲面蒙皮1的粘接面，成型简单。连接梁2的相应位置设有与铆钉一一对应的多个连接孔，此处连接孔对应为铆钉孔，铆钉穿过铆钉孔将两者连接。
进一步地，多个紧固件3沿拼缝的长度方向在复合材料曲面蒙皮1的粘接面呈S型延伸排列。使得紧固件3最大限度地分布在复合材料曲面蒙皮1的粘接面，保证复合材料曲面蒙皮1和连接梁2的粘接结构更稳定。
根据本发明的一个实施例，连接梁2关于一对复合材料曲面蒙皮1的拼接处呈中心对称，确保连接后拼缝两侧的结构强度等参数保持一致。
连接梁2的外表面呈与复合材料曲面蒙皮1的粘接面相匹配的曲面，使得两者的粘接结构稳定性更好。
另一方面，本实施例的曲面复合材料连接结构的成型方法，包括如下步骤：
步骤一：在热压罐专用设备例如热压罐专用玻璃上分别将复合材料曲面蒙皮1与连接梁2的预浸料按顺序铺层形成坯体，该预浸料可以由树脂基碳纤维/玻璃纤维/芳纶等其中一种或几种预浸料铺层而成。
步骤二：铺层完成后，复合材料曲面蒙皮1坯体的粘接面、与连接梁2例如C型梁对应粘接的位置，等间距贴好长、宽、高相同的增厚片5的预浸料，增厚片5在整个粘接面呈波浪形(S形)均匀分布，防止因其位置不均匀而导致粘接结构不稳定、粘接强度不够。增厚片5长、宽在5mm-15mm之间，厚度在1mm-3mm之间，可根据粘接面的大小进行调整。复合材料曲面蒙皮1与连接梁2连接处的厚度在7mm-12mm之间。选择增厚片5适宜的大小及间距，可在保证整体结构强度及密封性的同时降低加工难度。
连接梁2的粘接面宽度≤300mm，增厚片5之间的等间距在20mm-120mm之间。复合材料曲面蒙皮1与连接梁2之间的空隙高度约等于增厚片5厚度，在1mm-3mm之间。复合材料曲面蒙皮1与连接梁2连接处的厚度在7mm-12mm之间。
步骤三：对复合材料曲面蒙皮1与连接梁2、增厚片5的坯体进行热压罐成型的后续步骤，至成型完成。
步骤四：将复合材料曲面蒙皮1粘接面的各个增厚片5表面加工成波浪面，形状不要求十分规则，以免加工难度提高。在复合材料曲面蒙皮1和连接梁2上需要钉铆钉的位置依次等间距打孔。
步骤五：在复合材料曲面蒙皮1和连接梁2的粘接面均匀刮涂结构胶。增厚片5之间的凹陷要用结构胶充分填充。
步骤六：连接梁2的粘接面朝下，复合材料曲面蒙皮1的粘接面朝上，两者粘接面对应放置。用刮板例如塑料刮板来回轻刮连接梁2大约40-60s，此时应保证连接梁2均匀受力、部件无明显相对位移。微调复合材料曲面蒙皮1位置，使得复合材料曲面蒙皮1和连接梁2的铆钉孔位一一对应，用拉铆枪在各孔位打铆钉3。采用铆钉和粘接胶层4使得粘接结构更牢固，密封性更好。
步骤七：采用工装固定粘接结构、待结构胶固化后，取下固定工装，形成牢固的粘接结构。
另一方面，本发明实施例提供的一种轨道车辆，包括车体，车体设有如上的曲面复合材料连接结构，该轨道车辆具有上述曲面复合材料连接结构的全部优点，在此不再赘述。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (13)

1.一种曲面复合材料连接结构，包括连接梁和一对复合材料曲面蒙皮，一对所述复合材料曲面蒙皮拼接设于所述连接梁的外表面，其特征在于，还包括分别固设于每个所述复合材料曲面蒙皮粘接面的多个增厚片，多个所述增厚片间隔排布在所述复合材料曲面蒙皮的粘接面，每个所述复合材料曲面蒙皮的粘接面通过所述增厚片与所述连接梁的外表面接触，且在每个所述复合材料曲面蒙皮与所述连接梁的外表面之间形成间隙，所述间隙中填充粘接胶层。
2.根据权利要求1所述的曲面复合材料连接结构，其特征在于，每个所述增厚片与所述连接梁接触的表面构造成波浪面，所述波浪面的内凹处也填充所述粘接胶层。
3.根据权利要求1所述的曲面复合材料连接结构，其特征在于，多个所述增厚片沿所在的所述复合材料曲面蒙皮的粘接面呈错位排布，且相邻两个所述增厚片之间的间距相等。
4.根据权利要求3所述的曲面复合材料连接结构，其特征在于，一对所述复合材料曲面蒙皮的拼接处形成拼缝，多个所述增厚片沿所述拼缝的长度方向在所述复合材料曲面蒙皮的粘接面呈S型延伸排列。
5.根据权利要求1-4任一项所述的曲面复合材料连接结构，其特征在于，每个所述增厚片的大小和厚度相等，所述增厚片呈方块形。
6.根据权利要求5所述的曲面复合材料连接结构，其特征在于，所述增厚片通过热压罐成型固定在所述复合材料曲面蒙皮的粘接面。
7.根据权利要求2所述的曲面复合材料连接结构，其特征在于，所述增厚片与所述连接梁接触的表面通过打磨形成所述波浪面，所述波浪面的波峰或波谷与所述连接梁的外表面贴合。
8.根据权利要求1所述的曲面复合材料连接结构，其特征在于，每个所述复合材料曲面蒙皮的粘接面还固设有朝向所述连接梁方向凸出的多个紧固件，所述连接梁的相应位置设有与所述紧固件一一对应的多个连接孔。
9.根据权利要求8所述的曲面复合材料连接结构，其特征在于，一对所述复合材料曲面蒙皮的拼接处形成拼缝，多个所述紧固件沿所述拼缝的长度方向在所述复合材料曲面蒙皮的粘接面呈S型延伸排列；
所述紧固件为铆钉。
10.根据权利要求1所述的曲面复合材料连接结构，其特征在于，所述连接梁关于一对所述复合材料曲面蒙皮的拼接处呈中心对称；
所述连接梁的外表面呈与所述复合材料曲面蒙皮的粘接面相匹配的曲面。
11.一种权利要求1-10任一项所述的曲面复合材料连接结构的成型方法，其特征在于，包括步骤：
在热压罐专用设备上分别将复合材料曲面蒙皮与连接梁的预浸料按顺序铺层，形成坯体；
在所述复合材料曲面蒙皮的坯体的粘接面与所述连接梁的坯体对应粘接的位置，贴设增厚片的预浸料；
对所述复合材料曲面蒙皮的坯体与所述连接梁的坯体以及所述增厚片的坯体进行热压罐成型的后续步骤，至成型完成；
在所述复合材料曲面蒙皮和所述连接梁上依次打孔；
在所述复合材料曲面蒙皮的粘接面和所述连接梁的粘接面均刮涂结构胶，并在所述增厚片的粘接面填充结构胶；
所述连接梁的粘接面朝下，所述复合材料曲面蒙皮的粘接面朝上，所述复合材料曲面蒙皮的粘接面和所述连接梁的粘接面对应放置，使得所述复合材料曲面蒙皮和连接梁上的孔位一一对应，并在各孔位设紧固件进行连接；
采用固定工装固定上述粘接结构，待结构胶固化后，取下所述固定工装。
12.根据权利要求11所述的曲面复合材料连接结构的成型方法，其特征在于，所述增厚片的坯体进行热压罐成型之后，还包括对所述增厚片的粘接面加工成波浪面。
13.一种轨道车辆，包括车体，其特征在于，所述车体设有如权利要求1-10任一项所述的曲面复合材料连接结构。
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