CN111688733A - 一种多种材料复合动车组车体及其成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多种材料复合动车组车体及其成型方法，该车体包括金属框架、复合底架单元、复合侧墙单元、复合车顶单元；其中，所述金属框架包括底架、侧墙、车顶、端墙，在所述底架、侧墙、车顶上强度要求薄弱的部位各自开有安装豁口，底架的安装豁口上连接有复合底架单元，侧墙的安装豁口上连接有复合侧墙单元，车顶的安装豁口上连接有复合车顶单元；复合底架单元、复合侧墙单元、复合车顶单元均为内部具有多个空腔的碳纤维复合框架结构，碳纤维复合框架内填充有隔音隔热层和加强泡沫或蜂窝结构。该车体在保证车体强度标准和相关设备接口要求不变的情况下，较同尺寸的铝合金车体重量减轻20％以上，实现轻量化。

Description

一种多种材料复合动车组车体及其成型方法

技术领域

本发明属于轨道交通技术领域，具体涉及一种多种材料复合动车组车体及其成型方法。

背景技术

目前国、内外高速动车组基本都是采用长大中空铝合金型材组焊而成的筒形整体承载结构，车体重量约占整车重量的五分之一。随着动车组对轻量化程度需求的不断提升，车体结构轻量化研究也成为重中之重的任务，但铝合金车体结构受主要材料和设计结构等因素的影响和限制，减重已成为瓶颈，开展轻量化研究异常困难，基本不具备可行性。研发人员曾分析研究目前车体的受力情况和载荷的分布规律，从车体结构和材料着手研究，经对目前的车体结构和材料分析发现，在强度标准不变和气动载荷由±6000Pa增加至±7000Pa的前提下，现有车体结构和材料均无法满足车体重量减轻20％的轻量化指标，即使通过拓扑优化等先进计算分析方法，也不能解决大幅减重的根本性问题。而对于车体结构来说，轻量化一般采用新材料和新技术来实现，其中采用新材料的车体结构能够较大幅度降低车体质量，但由于其成本昂贵，结构复杂，轨道交通应用技术不完善，做为动车组重要承载部件具有较大的风险，同时对整车的车下设备安装和车体制造工艺影响很大。因此，研究新型轻量化车体结构成为当前车体技术发展非常紧迫的任务。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多种材料复合动车组车体，保证车辆设备安装位置和功能不变、车体强度标准和相关设备接口要求不变的情况下，将现有的高速动车组车体减重20％以上，实现轻量化。

为实现上述目的，本发明提供一种多种材料复合动车组车体，其特征在于：包括金属框架、复合底架单元、复合侧墙单元、复合车顶单元；其中，所述金属框架包括底架、侧墙、车顶、端墙，在所述底架、侧墙、车顶上强度要求薄弱的部位各自开有安装豁口，底架的安装豁口上连接有复合底架单元，侧墙的安装豁口上连接有复合侧墙单元，车顶的安装豁口上连接有复合车顶单元；所述复合底架单元、复合侧墙单元、复合车顶单元均为内部具有多个空腔的碳纤维复合框架结构，碳纤维复合框架内填充有隔音隔热层和加强泡沫或蜂窝结构，所述隔音隔热层设置在加强泡沫或蜂窝结构的上下两侧，且夹在加强泡沫或蜂窝结构与碳纤维复合框架之间。

优选，所述复合底架单元、复合侧墙单元、复合车顶单元与各自的金属框架上的安装豁口纵向采用榫接连接形式，横向采用铆接与胶接相结合的搭接形式。

进一步优选，所述金属框架上的安装豁口纵向连接处的上边梁和下边梁上相对应的开有横纵交替的安装槽，所述复合底架单元、复合侧墙单元、复合车顶单元的纵向连接端加工有与安装槽相连接的榫接结构。

进一步优选，所述金属框架上的安装豁口横向连接处的下边梁上加工有第一安装孔，在碳纤维复合框架上开设第二安装孔，第一安装孔与第二安装孔相对设置，所述复合底架单元、复合侧墙单元、复合车顶单元的横向连接端搭接在金属框架的下边梁上且与下边梁的接触面粘接并通过铆钉穿过第一安装孔、第二安装孔固定。

本发明的另一目的是提供一种多种材料复合动车组车体的成型方法，该方法可针对车体不同部位的受力情况通过轻量化材料选型及应用来设计承载结构，在保证车体强度要求不变的情况下，最大限度的降低车体质量。

为实现上述目的，本发明提供了一种多种材料复合动车组车体的成型方法，具体包括以下步骤：

步骤S1、将车体设计成金属框架与复合底架单元、复合侧墙单元、复合车顶单元相结合的方式，所述金属框架包括底架、侧墙、车顶、端墙，根据车体强度标准要求，结合对车体的强度分析，找出金属框架中底架、侧墙、车顶上强度要求较为薄弱部位，将金属框架中强度要求较为薄弱的部位加工出安装豁口，之后分别将复合底架单元、复合侧墙单元、复合车顶单元安装在各自的安装豁口内；其中，所述复合底架单元、复合侧墙单元、复合车顶单元均为内部具有多个空腔的碳纤维复合框架结构，碳纤维复合框架内填充有隔音隔热层和加强泡沫或蜂窝结构，所述隔音隔热层设置在加强泡沫或蜂窝结构的上下两侧，且夹在加强泡沫或蜂窝结构与碳纤维复合框架之间；

步骤S2、对步骤S1结构的车体进行仿真分析，依据仿真分析结果调整复合底架单元、复合侧墙单元、复合车顶单元的轮廓尺寸以及连接方式，使车体结构在保证强度和刚度的情况下大幅降低质量。

优选，所述复合底架单元、复合侧墙单元、复合车顶单元是碳纤维复合材料、隔音隔热层及加强泡沫或蜂窝结构采用内压中空一体成型工艺复合而成的中空结构。

进一步优选，所述金属框架上的安装豁口与复合底架单元、复合侧墙单元、复合车顶单元纵向采用榫接连接形式，横向采用铆接与胶接相结合的连接形式。

进一步优选，所述复合底架单元、复合侧墙单元、复合车顶单元与金属框架上的安装豁口纵向连接处用胶密封。

本发明的优点和有益效果：

(1)本发明在保证车辆设备安装位置和功能不变、车体执行的强度标准不变及保证车体相关接口要求不变的前提下，最大程度降低车体重量，经估算，采用本申请设计方法设计的车体结构较同尺寸的铝合金车体结构重量降低了约20％以上。

(2)本发明提供的一种多材料复合车体目前在国内外车体结构设计中尚属首创，这种设计形式突破现有的车体结构设计思维，重新规划车体结构的组成，充分考虑了车体的强度、刚度和气密性要求，高度集成了设备吊装、管线通道、隔音隔热等结构，在不改变车体外部轮廓形状及接口方式的情况下，通过在车体金属框架内部集成复合材料结构，将车体承载方式由单纯的筒形整体承载结构改为框架式承载结构与复合材料结构相结合的方式，最大限度降低车体质量。

(3)本发明提供的一种多材料复合车体的成型方法，可针对不同部位的受力情况通过轻量化材料选型及应用来设计承载结构。局部采用轻量化材料的方案考虑了异种材料连接的安全可靠性，也考虑了工艺可行性、组成车体的工艺性以及设备安装的可装配性。车体金属结构框架可采用焊接方式，工艺成熟、简单易行、不改变现有的车体组焊工艺，对设备的安装不产生任何影响，车体质量显著降低。

(4)本发明提供的一种多材料复合车体结构正在动车组车体设计中应用，经计算，复合材料结构的密度约为1.6g/cm³，采用此种复合材料结构的车体重量约为9吨，较同尺寸的重量为11.7吨的全铝合金车体结构降低了约23％，满足了车体重量减轻20％的轻量化指标要求；后续随着材料技术和结构优化技术的不断发展和进步，采用本发明设计的车体质量会进一步降低；而且通过拓扑优化等方法对该车体进行深入优化，还会更进一步降低车体质量。

附图说明

图1为多材料复合动车组车体的轴测示意图；

图2为金属框架的结构示意图；

图3为多材料复合动车组车体结构的断面图；

图4为复合车顶单元横向截面及与安装豁口纵向连接示意图；

图5为金属框架上的安装豁口纵向连接处的纵向槽及横向槽的示意图；

图6为复合车顶单元纵向截面及与安装豁口横向连接示意图。

附图标记：金属框架1、复合底架单元2、复合侧墙单元3、复合车顶单元4、安装豁口5、碳纤维复合框架6、隔音隔热层7、蜂窝结构8、纵向槽9、横向槽10、第一安装孔11、第二安装孔12、铆钉13、前端墙101、后端墙102、底架103、车顶104、左侧墙105、右侧墙106。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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申请中的具体含义。

参阅图1至图6，本发明提供的一种多种材料复合动车组车体，包括金属(铝合金)框架1、复合底架单元2、复合侧墙单元3、复合车顶单元4；所述金属框架1包括前端墙101、后端墙102、底架103、车顶104、左侧墙105、右侧墙106；所述前端墙101、后端墙102、底架103、车顶104、左侧墙105、右侧墙106之间可采用焊接方式连接固定；在所述底架103、车顶104、左侧墙105、右侧墙106强度要求较为薄弱的部位各自开设有安装豁口5，金属框架1既能够很好的传力，增加车体强度，又能提高车体的刚度和模态；

在所述底架103的安装豁口5上连接有复合底架单元2，在所述左侧墙105和右侧墙106的安装豁口5上连接有复合侧墙单元3，在所述车顶104的安装豁口5上连接有复合车顶单元4；

所述复合底架单元2、复合侧墙单元3、复合车顶单元4均为内部具有多个空腔的碳纤维复合框架结构，碳纤维复合框架6内填充有隔音隔热层7和蜂窝结构8，所述隔音隔热层7设置在蜂窝结构8的上下两侧，且夹在蜂窝结构8与碳纤维复合框架6之间；复合底架单元2、复合侧墙单元3、复合车顶单元4是由碳纤维复合材料、隔音隔热层及蜂窝结构采用内压中空一体成型工艺复合而成的中空结构，该结构不但考虑了复合材料的整体强度和刚度，也集成了设备吊装、管线通过空间、隔音隔热等结构，大大提高了复合材料结构的综合性能，进一步降低了整车重量。

另外，本申请中隔音隔热层7、蜂窝结构8可以根据车体要求选择性填充在碳纤维复合框架6的空腔内，对于强度要求低的部位可以不填充蜂窝结构8，保留碳纤维复合框架6的空腔结构；对于隔音隔热要求低的位置也可以不设置隔音隔热层7；而且所述蜂窝结构8还可以替换成加强泡沫等其它轻质的高强度结构。

本申请中所述复合底架单元2、复合侧墙单元3、复合车顶单元4与金属框架1的有效连接会对车体整体承载结构起到重要作用，既要保证力的有效传递，又要满足车辆气密性要求。根据复合底架单元2、复合侧墙单元3、复合车顶单元4结构的特性，运用载荷情况和运用环境等因素，针对车体的受力工况按纵向和横向分别选择了不同的连接方式；

所述复合底架单元2、复合侧墙单元3、复合车顶单元4与各自的安装豁口5纵向采用榫接连接形式；所述金属框架上的安装豁口5纵向连接处的上边梁和下边梁上相对应的开有安装槽，所述安装槽包括横纵交替的纵向槽9和横向槽10，在所述复合底架单元2、复合侧墙单元3、复合车顶单元4与安装豁口5的纵向连接端加工有与安装槽相连接的榫接结构，榫接结构采用内压中空一体成型工艺复合而成，榫接结构设置在纵向槽9和横向槽10内，利用纵向槽限制横向定位，传递横向力，利用横向槽限制纵向定位，传递纵向力；另外，为保证车体的气密性，所述复合底架单元2、复合侧墙单元3、复合车顶单元4与金属框架1上的安装豁口5纵向连接处用胶密封；

所述复合底架单元2、复合侧墙单元3、复合车顶单元4与各自的安装豁口5横向采用铆接与胶接相结合的搭接形式；所述金属框架1上的安装豁口5横向连接处的下边梁上加工有第一安装孔11，在碳纤维复合框架上开设第二安装孔12，第一安装孔11与第二安装孔12相对设置，所述复合底架单元2、复合侧墙单元3、复合车顶单元4的横向连接端搭接在金属框架的下边梁上且与下边梁的接触面粘接，以保证气密性，之后将铆钉13穿过第一安装孔11、第二安装孔12，通过铆钉13连接固定，此种连接形式既保证了力的有效传递，又有保证了密封性要求。

一种多种材料复合动车组车体的成型方法，具体包括以下步骤：

步骤S1、将车体设计成金属框架与复合底架单元、复合侧墙单元、复合车顶单元相结合的方式，所述金属框架包括底架、侧墙、车顶、端墙，根据车体强度标准要求，结合对车体的强度分析，找出金属框架中底架、侧墙、车顶上强度要求较为薄弱部位，将金属框架中强度要求较为薄弱的部位加工出安装豁口，之后分别将复合底架单元、复合侧墙单元、复合车顶单元安装在各自的安装豁口内；

其中，所述复合底架单元、复合侧墙单元、复合车顶单元均为内部具有多个空腔的碳纤维复合框架结构，碳纤维复合框架内填充有隔音隔热层和加强泡沫或蜂窝结构，所述隔音隔热层设置在加强泡沫或蜂窝结构的上下两侧，且夹在加强泡沫或蜂窝结构与碳纤维复合框架之间；复合底架单元、复合侧墙单元、复合车顶单元是由碳纤维复合材料、隔音隔热层及加强泡沫或蜂窝结构采用内压中空一体成型工艺复合而成的中空结构；

步骤S2、对步骤S1结构的车体进行仿真分析，依据仿真分析结果调整复合底架单元、复合侧墙单元、复合车顶单元的轮廓尺寸以及连接方式，使车体结构在保证强度和刚度的情况下大幅降低质量。

为保证复合底架单元、复合侧墙单元、复合车顶单元与金属框架的有效连接，所述复合底架单元、复合侧墙单元、复合车顶单元与各自的安装豁口纵向采用榫接连接形式；所述金属框架上的安装豁口纵向连接处的上边梁和下边梁上相对应的开有横纵交替的纵向槽9和横向槽10(见图5)，保证连接牢固，达到承载的强度和刚度；在所述复合底架单元、复合侧墙单元、复合车顶单元与安装豁口的纵向连接端加工有与安装槽相连接的榫接结构，榫接结构采用内压中空一体成型工艺复合而成，榫接结构设置在纵向槽和横向槽内，利用纵向槽限制横向定位，传递横向力，利用横向槽限制纵向定位，传递纵向力(见图4)；另外，为保证车体的气密性，所述复合底架单元、复合侧墙单元、复合车顶单元与金属框架上的安装豁口纵向连接处用胶密封；

所述复合底架单元、复合侧墙单元、复合车顶单元与各自的安装豁口横向采用铆接与胶接相结合的搭接形式；所述金属框架上的安装豁口横向连接处的下边梁上加工有第一安装孔11，在碳纤维复合框架上开设第二安装孔12，第一安装孔11与第二安装孔12相对设置，所述复合底架单元、复合侧墙单元、复合车顶单元的横向连接端搭接在金属框架的下边梁上且与下边梁的接触面粘接，以保证气密性，之后将铆钉13穿过第一安装孔、第二安装孔，通过铆钉13连接固定(见图6)，此种连接形式既保证了力的有效传递，又有保证了密封性要求。

Claims (8)

1.一种多种材料复合动车组车体，其特征在于：包括金属框架、复合底架单元、复合侧墙单元、复合车顶单元；其中，所述金属框架包括底架、侧墙、车顶、端墙，在所述底架、侧墙、车顶上强度要求薄弱的部位各自开有安装豁口，底架的安装豁口上连接有复合底架单元，侧墙的安装豁口上连接有复合侧墙单元，车顶的安装豁口上连接有复合车顶单元；所述复合底架单元、复合侧墙单元、复合车顶单元均为内部具有多个空腔的碳纤维复合框架结构，碳纤维复合框架内填充有隔音隔热层和加强泡沫或蜂窝结构，所述隔音隔热层设置在加强泡沫或蜂窝结构的上下两侧，且夹在加强泡沫或蜂窝结构与碳纤维复合框架之间。

2.根据权利要求1所述的多种材料复合动车组车体，其特征在于：所述复合底架单元、复合侧墙单元、复合车顶单元与各自的金属框架上的安装豁口纵向采用榫接连接形式，横向采用铆接与胶接相结合的搭接形式。

3.根据权利要求2所述的多种材料复合动车组车体，其特征在于：所述金属框架上的安装豁口纵向连接处的上边梁和下边梁上相对应的开有横纵交替的安装槽，所述复合底架单元、复合侧墙单元、复合车顶单元的纵向连接端加工有与安装槽相连接的榫接结构。

4.根据权利要求2所述的多种材料复合动车组车体，其特征在于：所述金属框架上的安装豁口横向连接处的下边梁上加工有第一安装孔，在碳纤维复合框架上开设第二安装孔，第一安装孔与第二安装孔相对设置，所述复合底架单元、复合侧墙单元、复合车顶单元的横向连接端搭接在金属框架的下边梁上且与下边梁的接触面粘接并通过铆钉穿过第一安装孔、第二安装孔固定。

5.一种多种材料复合动车组车体的成型方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤S1、将车体设计成金属框架与复合底架单元、复合侧墙单元、复合车顶单元相结合的方式，所述金属框架包括底架、侧墙、车顶、端墙，根据车体强度标准要求，结合对车体的强度分析，找出金属框架中底架、侧墙、车顶上强度要求较为薄弱部位，将金属框架中强度要求较为薄弱的部位加工出安装豁口，之后分别将复合底架单元、复合侧墙单元、复合车顶单元安装在各自的安装豁口内；其中，所述复合底架单元、复合侧墙单元、复合车顶单元均为内部具有多个空腔的碳纤维复合框架结构，碳纤维复合框架内填充有隔音隔热层和加强泡沫或蜂窝结构，所述隔音隔热层设置在加强泡沫或蜂窝结构的上下两侧，且夹在加强泡沫或蜂窝结构与碳纤维复合框架之间；

步骤S2、对步骤S1结构的车体进行仿真分析，依据仿真分析结果调整复合底架单元、复合侧墙单元、复合车顶单元的轮廓尺寸以及连接方式，使车体结构在保证强度和刚度的情况下大幅降低质量。

6.根据权利要求5所述的多种材料复合动车组车体的成型方法，其特征在于：所述复合底架单元、复合侧墙单元、复合车顶单元是碳纤维复合材料、隔音隔热层及加强泡沫或蜂窝结构采用内压中空一体成型工艺复合而成的中空结构。

7.根据权利要求5所述的多种材料复合动车组车体的成型方法，其特征在于：所述金属框架上的安装豁口与复合底架单元、复合侧墙单元、复合车顶单元纵向采用榫接连接形式，横向采用铆接与胶接相结合的连接形式。

8.根据权利要求7所述的多种材料复合动车组车体，其特征在于：所述复合底架单元、复合侧墙单元、复合车顶单元与金属框架上的安装豁口纵向连接处用胶密封。

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