CN116767293A - 一种复合材料轻量化轨道车厢侧壁及其制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合材料轻量化轨道车厢侧壁及其制造工艺，包括内蒙皮和外蒙皮，内、外蒙皮之间设置有加强筋和泡沫芯材，泡沫芯材填充在加强筋、内蒙皮和外蒙皮之间围成的空间内；内蒙皮和外蒙皮的材质均为纤维增强复合材料，其中，两者外侧的增强纤维为碳纤维，内侧的增强纤维包括玻璃纤维；加强筋为泡沫加强筋，加强筋的侧壁材质为纤维增强复合材料或金属材料。内部加筋结构的设置可有效改善均匀化三明治夹芯结构截面刚度不变，无法充分发挥复合材料的承载优势等弊端。
Description
技术领域
本发明属于轨道交通技术领域，特别涉及一种复合材料轻量化轨道车厢侧壁及其制造工艺。
背景技术
这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
车辆的轻量化可以促使车辆承载更大的有效载荷，提高铁路行业的竞争力，持续增加铁路运输的吸引力，提高能源效率，而应用复合材料是进行装备轻量化的主要手段。
目前复合材料在轨道交通领域应用种类多，在高速列车、地铁和磁浮列车上已有大量地研发应用，但目前的复合材料主承载结构以原有金属结构形式的等效替代设计为主，无法充分发挥复合材料承载优势，其制造工艺也难以适配，目前主要采用热压罐等传统成型工艺致使制造成本居高不下，难以推广应用。
目前，轨道车辆侧墙结构的轻量化实现方式主要采用三明治内外夹芯结构，内外蒙皮采用预浸料，形成的三明治结构为均匀结构，难以根据受力的不同进行变刚度设计，进而难以充分发挥纤维增强复合材料的承载特性。此外，现有的车辆复合材料侧墙的成型工艺主要是采用预浸料形式的热压罐或者OOA成型工艺，采用预浸料造成制品价格居高不下，难以推动工程化批量应用。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种复合材料轻量化轨道车厢侧壁及其制造工艺。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明提供一种复合材料轻量化轨道车厢侧壁，包括内蒙皮和外蒙皮，内、外蒙皮之间设置有加强筋和泡沫芯材，泡沫芯材填充在加强筋、内蒙皮和外蒙皮之间围成的空间内；
内蒙皮和外蒙皮的材质均为纤维增强复合材料，其中，两者外侧的增强纤维为碳纤维，内侧的增强纤维包括玻璃纤维；
加强筋为泡沫加强筋，加强筋的侧壁材质为纤维增强复合材料或金属材料。
在一些实施例中，当车厢侧壁受多向应力区域，该区域加强筋沿力的传递方向布置加强筋，并且加强筋与蒙皮采用准各向同性与各向同性铺层或者各向同性材料，对于准各向同性与各向同性铺层，采用对称均衡的原则，若铺层总数为N层，铺层角度从0°层开始，角度增量为180/(n/2)直至180°。
比如，铺层总数为8层则铺层顺序为【0/45/90/-45】S。
当车厢侧壁的结构设计成截面相同的三明治夹芯结构时，将导致不同区域材料性能水平发挥不一致，没有充分发挥复合材料的性能优势，内部加筋结构的设置可有效改善均匀化三明治夹芯结构截面刚度不变，无法充分发挥复合材料的承载优势等弊端，在承力水平较高的区域进行复合材料的加筋设置，并且加强筋的铺层设计将根据该区域的应力状态进行调整。首先加强筋纵向将按照力的传递方向和位置进行布置，并且判断该区域受力状态如果是各个方向都受力且受力大小差异大于40％，则该区域将主要采用0°方向铺层，并兼顾对称均衡的铺层原则。若差异小于于40％，则主要采用准各向同性、各向同性铺层及各向同性材料的加强筋。
纤维复合材料为主，并且内部辅助以玻璃纤维复合材料，采用碳纤维/玻璃纤维混杂铺层方案，增加了对冰雹、石子等小尺寸外来物的冲击阻抗，外部碳纤维材料具有更高弹性模量，可更好地承载，而内部玻璃纤维材料具有更好的耐冲击特性，将很好地解决薄壁复合材料低速冲击后内部出现损伤降低结构力学性能的问题。
在一些实施例中，内蒙皮的铺层中增加隔音功能层，隔音功能层的外层为交错的连续纤维层，内部为封闭的空隙结构。交错的连续纤维在树脂灌注时起到连接各层的作用，内部的封闭空隙结构起到隔音的效果。
在一些实施例中，内蒙皮和外蒙皮铺层数量为5-20层。
优选的，每层铺层的厚度为0.1-0.5mm。
优选的，内蒙皮和外蒙皮的铺层方式为：0°、±45°、90°的铺层比例为3-8：5-10：1。
在一些实施例中，加强筋的结构为工字型、Z字型、L字型、T字型、J字型或帽型。
第二方面，本发明提供所述复合材料轻量化轨道车厢侧壁的制造工艺，包括如下步骤：
将外蒙皮的干纤维单向带或织物铺好后，再铺设加强筋和泡沫芯材，最后铺设上蒙皮的干纤维单向带或织物；
铺设完成后，抽真空、保压，然后向其中灌注树脂，灌注完成后，进行加热固化；
加热固化的方法为：第一阶段按照1-5℃/m/n升温到45-55℃，保持温度恒定保温时间20-40m/n；
第二阶段按照1-5℃/m/n升温到70-80℃，保温60-70m/n；
第三阶段按照1-5℃/m/n升温到90-110℃，保温150-200m/n；
第四阶段冷却降温。
在一些实施例中，加强筋的泡沫芯材表面铺敷预浸料或半预浸料。
在一些实施例中，干纤维单向带或织物铺好后，将其边缘采用激光投影线修剪齐整。
在一些实施例中，加热固化的方法为：第一阶段按照1-5℃/m/n升温到45-55℃，保持温度恒定保温时间20-40m/n；
第二阶段按照1-5℃/m/n升温到70-80℃，保温60-70m/n；
第三阶段按照1-5℃/m/n升温到90-110℃，保温150-200m/n；
第四阶段冷却降温。
上述本发明的一种或多种实施例取得的有益效果如下：
本发明针对轨道交通装备轻量化需求，根据区域承载特性，进行轨道车辆车厢结构的轻量化设计，其截面设计与刚度适配区域传力，充分发挥结构与材料的承载特性，并且设置的隔音仿生层，在结构轻量化的同时提升结构的结构隔音降噪功能性，成型过程采用干碳纤维树脂真空灌注工艺，内部加强筋利用夹芯泡沫作为支撑结构起到成型模具作用，加筋结构与泡沫芯材、内外蒙皮一体成型，其界面结合力强，结构材料及成型能耗与模具费用都实现极大降低，因此该车厢结构具有极限轻量化水平与隔音效果的同时，降低制造成本，提高生产效率。
采用干纤维复合材料与预浸料结合的方式，采用树脂灌注成型，并且内部加强筋结构成型模具采用内部填充泡沫，省去了模具制造的成本，其加强筋内部泡沫既可以起到提到结构刚度的作用又起到加强筋成型模具的作用，较热压罐工艺省去预浸料中间环节和存储周期难题，具有中低温固化、节能降耗、固化过程可视化监测、整体成型大尺寸复杂结构、减少装配、3D预制体成型、制件尺寸精度高、质量稳定、成型周期短、效率高、成本低等优势。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例的车厢结构轴测图；
图2是本发明实施例的外蒙皮内部加筋结构示意图；
图3是本发明图2中局部放大图；
图4是本发明实施例的蒙皮结构铺层示意图；
图5是图3中A-A方向剖视图；
图6是图3中B-B方向剖视图；
图7是本发明实施例中加强筋的结构示意图；
图8是传统三明治夹芯结构受载应力云图；
图9是车厢侧壁的截面剖视图结构示意图；
图10是本发明实施例的车厢成型工艺流程图。
其中，1、外蒙皮；2、内蒙皮；3、泡沫芯材；401、第一加强筋；402、第二加强筋；403、第三加强筋；404、第四加强筋；405、第五加强筋；406、第六加强筋；407、第七加强筋；408、第八加强筋；409、第九加强筋。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
实施例
如图1和图2所示，一种轻量化隔音车厢，车厢结构采用内蒙皮2、外蒙皮1结构，内外蒙皮之间有加强筋，在内外蒙皮及加强筋的空隙填充有泡沫芯材3，加强筋内部的泡沫芯材在提高弯曲刚度的同时，起到支撑作用，可以作为加强筋固化成型的内生模具，此外，内蒙皮采用连续纤维材料铺贴构成，内蒙皮设置有隔音功能隔层可以提高结构的隔音性能，内部加筋结构采用预浸料材料，内外蒙皮采用干纤维单向带与织物，内外蒙皮采用灌注树脂固化成型，在成型的同时与内部加筋结构及泡沫芯材一起成型固化。
复合材料轨道车厢结构轴视图如图1所示，车厢结构由内蒙皮2、外蒙皮1和内外蒙皮之间的填充泡沫芯材3以及加强筋(分别为第一加强筋401、第二加强筋402、第三加强筋403、第四加强筋404、第五加强筋405、第六加强筋406、第七加强筋407、第八加强筋408以及第九加强筋409)组成，泡沫芯材采用PMI泡沫和聚氨酯泡沫，除了提供良好的力学性能，还能提高抗高能力冲击能力，同时对隔热性能亦有提高。内外蒙皮结构的合适铺层数量为16层，每层厚度为0.2mm，铺层顺序及数量如图4所示，可根据受力形式及大小选择其它铺层数量及铺层顺序。
内部加筋结构如图2所示，其结构布置方向根据区域结构的受力形式及受力状态确定，当该区域为多向应力状态时，该区域加强筋采用准各向同性铺层形式如[45/0/-45/90]4s或者金属结构加强筋，否则采用复合材料结构加强筋，铺层数量及顺序根据结构受力大小进行确定一种可实施的示例如附图3所示。
内部加筋结构形式，为C型加强筋结构及帽型梁加强筋结构，如图7所示，该结构具有与内外蒙皮良好的结合形式和稳定情况，并且有利于利用泡沫芯材作为模具进行固化成型。
如图8所示，三明治夹芯结构受载应力云图，从图中可以看出红色的区域承力水平较高，而蓝色区域部分承力水平较低，因此当结构设计成截面相同的三明治夹芯结构时，将导致不同区域材料性能水平发挥不一致，没有充分发挥复合材料的性能优势，内部加筋结构的设置可有效改善均匀化三明治夹芯结构截面刚度不变，无法充分发挥复合材料的承载优势，在承力水平较高的区域进行复合材料的加筋设置，并且加强筋的铺层设计将根据该区域的应力状态进行。
第八加强筋408和第九加强筋409的剖面图，分别如图5和图6所示，加强筋内部填充有泡沫芯材，泡沫芯材除了具有提高结构刚度的作用，还在成型时起到作为成型模具的作用，加强筋与外蒙皮及泡沫芯材紧密贴合共固化，加强筋采用预浸料材料可有效避免注胶成型时树脂浸润不透等缺陷；此外加强筋的构型形式可以如附图6所示的多种形式。
车厢侧壁的截面剖视图结构示意图如图9所示，采用碳纤维复合材料为主，并且内部辅助以玻璃纤维复合材料，采用碳纤维/玻璃纤维混杂铺层方案，增加了对冰雹、石子等小尺寸外来物的冲击的冲击阻抗，外部碳纤维材料具有更高弹性模量，可更好地承载，而内部玻璃纤维材料将很好的解决薄壁复合材料低速冲击内部出现损伤的情况。此外内蒙皮2的铺层为了增加结构的隔音特性，发挥复合材料的可设计性，将在铺层设计中增加隔音功能层的设计，隔音功能层为仿生处理，经设计处理的仿生层外部是交错的连续纤维，内部是封闭的空隙结构，交错的连续纤维在树脂灌注时起到连接各层的作用，内部的封闭空隙结构起到隔音的效果。
成型工艺过程采用复合工艺，加强筋采用单向预浸料及织物，内外蒙皮采用干纤维单向带及织物，首先对纤维材料进行裁剪下料，进行模具清理、模具打脱模剂，根据预设位置进行外蒙皮3铺贴，干布边缘按照激光投影线修剪齐整，不可出现散纱；铺层顺序根据对称均衡原则，根据区域的受力大小及应力方向决定，对各角度的铺层进行设计，0°、±45°、90°铺层比按照近似6：8：1进行设计(一种可行的实例)，铺层比与该区域应力方向关联。
按照预设形状进行泡沫裁切，泡沫粘接，泡沫加工及清理。
加强筋可采用半预浸料材料，若采用半预浸料形式可按照图10所示，首先制作加强筋预制体，若采用预浸料则可不制作预制体，而采用直接在泡沫芯材上铺敷预浸料的形式。如图5和图6所示加强筋，内部泡沫芯材起到加强筋成型模具的作用。
将外蒙皮1、泡沫芯材及加强筋铺贴布置完成后，按照预定位置铺贴内蒙皮即上蒙皮2，然后进行辅材铺设，铺设完成后进行抽真空及系统保压；然后进行树脂的预热混合，并对内外蒙皮结构进行树脂灌注，灌注完成后，将整个模具及结构放入烘箱内进行整体共固化。
一种可实施的固化过程为：第一阶段按照3℃/m/n升温到50℃，保持温度恒定保温时间30m/n；第二阶段按照3℃/m/n升温到75℃，保温65m/n；第三阶段按照3℃/m/n升温到100℃，保温180m/n；第四阶段按照-1℃/m/n降温到室温。固化完成后进行脱模及质量检查。
可以看出该成型过程采用树脂灌注及中低温固化工艺，较热压罐工艺省去预浸料中间环节和存储周期难题，具有中低温固化、节能降耗、固化过程可视化监测、整体成型大尺寸复杂结构、减少装配、3D预制体成型、制件尺寸精度高、质量稳定、成型周期短、效率高、成本低等优势。
该车厢模块除了可以采用车厢侧部与顶部一体化成型的设计与制造过程，同时也可以采用将车厢侧部与顶部拆分的方式，将车体的侧部与车顶部分分别进行设计成型。
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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种复合材料轻量化轨道车厢侧壁，其特征在于：包括内蒙皮和外蒙皮，内、外蒙皮之间设置有加强筋和泡沫芯材，泡沫芯材填充在加强筋、内蒙皮和外蒙皮之间围成的空间内；
内蒙皮和外蒙皮的材质均为纤维增强复合材料，其中，两者外侧的增强纤维为碳纤维，内侧的增强纤维包括玻璃纤维；
加强筋为泡沫加强筋。
2.根据权利要求1所述的复合材料轻量化轨道车厢侧壁，其特征在于：加强筋的侧壁材质为纤维增强复合材料或金属材料，当车厢侧壁受多向应力区域，该区域加强筋沿力的传递方向布置加强筋，并且加强筋与蒙皮采用准各向同性与各向同性铺层或者各向同性材料，对于准各向同性与各向同性铺层，采用对称均衡的原则，若铺层总数为N层则，铺层角度从0°层开始，角度增量为180/(n/2)直至180°；
优选的，内蒙皮的铺层中增加隔音功能层，隔音功能层的外层为交错的连续纤维层，内部为封闭的空隙结构。
3.根据权利要求1所述的复合材料轻量化轨道车厢侧壁，其特征在于：内蒙皮和外蒙皮铺层数量为5-20层。
4.根据权利要求1所述的复合材料轻量化轨道车厢侧壁，其特征在于：每层铺层的厚度为0.1-0.5mm。
5.根据权利要求1所述的复合材料轻量化轨道车厢侧壁，其特征在于：内蒙皮和外蒙皮的铺层方式为：0°、±45°、90°的铺层比例为3-8：5-10：1。
6.根据权利要求1所述的复合材料轻量化轨道车厢侧壁，其特征在于：加强筋的结构为工字型、Z字型、L字型、T字型、J字型或帽型。
7.权利要求1-6任一所述复合材料轻量化轨道车厢侧壁的制造工艺，其特征在于：包括如下步骤：
将外蒙皮的干纤维单向带或织物铺好后，再铺设加强筋和泡沫芯材，最后铺设上蒙皮的干纤维单向带或织物；
铺设完成后，抽真空、保压，然后向其中灌注树脂，灌注完成后，进行加热固化；
加热固化的方法为：第一阶段按照1-5℃/m/n升温到45-55℃，保持温度恒定保温时间20-40m/n；
第二阶段按照1-5℃/m/n升温到70-80℃，保温60-70m/n；
第三阶段按照1-5℃/m/n升温到90-110℃，保温150-200m/n；
第四阶段冷却降温。
8.权利要求7所述复合材料轻量化轨道车厢侧壁的制造工艺，其特征在于：加强筋的泡沫芯材表面铺敷预浸料或半预浸料。
9.权利要求7所述复合材料轻量化轨道车厢侧壁的制造工艺，其特征在于：干纤维单向带或织物铺好后，将其边缘采用激光投影线修剪齐整。
10.权利要求7所述复合材料轻量化轨道车厢侧壁的制造工艺，其特征在于：加热固化的方法为：第一阶段按照3℃/m/n升温到50℃，保持温度恒定保温时间30m/n；
第二阶段按照3℃/m/n升温到75℃，保温65m/n；
第三阶段按照3℃/m/n升温到100℃，保温180m/n；
第四阶段冷却降温。
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