CN120942430A - 一种轻量化复合材料承载车架 - Google Patents

一种轻量化复合材料承载车架

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Abstract

本发明涉及交通物流运输领域，尤其涉及一种轻量化复合材料承载车架。其包括底座以及支撑件组。底座包括外架和内架，由玻璃纤维复合材料制成。支撑件组包括成对设置在底座上的支撑单元一和支撑单元二，多组支撑单元一和支撑单元二又分别成列排布，分别从钢卷底部两侧对其提供支撑，支撑单元一和支撑单元二的主要支撑结构由玄武岩纤维复合材料制成。本发明实现了轻量化、耐腐蚀、高可靠性的三重突破，为大宗货物运输装备升级提供关键技术路径。

Description

一种轻量化复合材料承载车架
技术领域
本发明涉及交通物流运输领域，尤其涉及一种轻量化复合材料承载车架。
背景技术
在交通物流运输领域，钢卷等重型货物的运输效率与成本控制一直是行业发展的关键问题。传统钢制运输车架因采用钢材作为主体结构材料，虽能满足基本承载需求，但钢材密度大的特性导致车架自重过高，严重制约了车架装载量,增加了单位运输成本,同时加大了燃油消耗与碳排放。此外，钢材在潮湿、酸碱盐等复杂运输环境下极易发生电化学腐蚀，即便采用涂装、镀锌等防护措施，仍难以避免涂层破损后的锈蚀问题，不仅缩短车架使用寿命，还可能引发结构失效，带来安全隐患。且在运输过程中，车辆遭遇颠簸、急刹、碰撞等冲击工况时，钢制车架因刚性大、能量吸收能力有限，易产生应力集中现象，导致局部变形或疲劳裂纹，长期使用后结构可靠性显著下降。而随着物流行业对运输效率、安全性及经济性要求的不断提升，传统钢制车架已难以满足市场需求。
近年来，玻璃纤维树脂基复合材料凭借优异的综合性能，逐渐应用于运输装备领域。该材料密度仅为钢材的约1/4～1/3，具有显著的轻质特性，是实现结构减重的重要材料选择。通过合理的结构设计和构型优化，玻璃纤维复合材料不仅能够有效降低车架自重，还可在不增加整车重量的前提下显著提升货物装载能力。同时，该材料以树脂为基体、玻璃纤维为增强体，具备良好的耐腐蚀性与加工性，可长期抵抗酸、碱、盐等介质侵蚀，降低维护成本，延长结构使用寿命，且具有一定的冲击韧性和能量吸收能力。玄武岩纤维复合材料在保持较低密度的同时，展现出更优异的力学性能。其由天然玄武岩高温熔融拉丝制得，具备更高的拉伸强度与弹性模量，尤其在高载荷、高冲击或严苛环境下展现出优于玻璃纤维的结构稳定性和可靠性。玄武岩纤维复合材料同时具备优良的尺寸稳定性、耐高温性和耐腐蚀能力，适合作为承载路径中的关键构件材料，用于增强结构节点、斜撑等受力显著区域。因此，综合利用玻璃纤维材料的轻质优势与玄武岩纤维材料的高强高模特性，构建一种轻量化、高性能、适用于重载工况的复合材料承载车架，是实现绿色高效运输装备发展的关键方向。
发明内容
针对背景技术中存在的问题，提出一种轻量化复合材料承载车架，包括底座以及支撑件组。底座包括外架和内架，由玻璃纤维复合材料制成。支撑件组包括成对设置在底座上的支撑单元一和支撑单元二，多组支撑单元一和支撑单元二又分别成列排布，分别从钢卷底部两侧对其提供支撑，支撑单元一和支撑单元二的主要支撑结构由玄武岩纤维复合材料制成。
优选的，支撑单元一包括三组用于承载的人字支撑架一，相邻的人字支撑架一间隔30mm,通过树脂胶粘粘连接片一，再配合铆钉连接。
优选的，人字支撑架一短边与水平面夹角为52°,截面尺寸为70*100mm，壁厚4mm,在距离两侧边缘底端150mm处均设置6mm的加厚段一103。
优选的，支撑单元二包括三组用于承载的人字支撑架二，相邻的人字支撑架二间隔30mm,通过树脂胶粘粘连接片二，再配合铆钉连接。
优选的，人字支撑架二长边与水平面夹角为38°，截面尺寸为70*100mm，壁厚4mm,在距离两侧边缘底端150mm处均设置6mm的加厚段二203。
优选的，三对人字支撑架一和三对人字支撑架二上均覆一层复材板，与钢卷接触面上覆有一层12mm的隔热橡胶垫。
优选的，人字支撑架一和人字支撑架二采用密度为2.2g/cm3的玄武岩纤维复合材料制成。
优选的，外架采用的型材截面尺寸为100*100mm,壁厚为5mm；内架采用型材截面尺寸为70*70mm，壁厚为5mm；底座整体尺寸为4260*2790mm，采用密度为1.9g/cm3的玻璃纤维复合材料制成。
优选的，外架和内架连接处采用树脂胶粘粘连接片三，加上铆钉连接进行加固；连接片三厚度为8mm,延伸长度为50mm。
优选的，底座两侧设有限位卡槽以及吊装组件。
与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：本车架通过材料创新与结构设计双重突破，在保证承载安全性的前提下实现显著减重。主体结构采用密度仅1.9g/cm3的玻璃纤维复合材料底座，支撑单元选用密度2.2g/cm3的玄武岩纤维复合材料，结合人字支撑架的特殊角度设计和局部加厚结构，显著降低自重。通过仿真验证也证明其具有较好的承载能力。车架自重降低可提升单次运输货物净载量，显著降低单位货运成本。同时，玻璃纤维与玄武岩纤维复合材料的耐腐蚀特性彻底解决钢制车架锈蚀问题，避免了定期防锈处理、焊接修补等维护需求。实现了轻量化、耐腐蚀、高可靠性的三重突破，为大宗货物运输装备升级提供关键技术路径。
附图说明
图1为轻量化复合材料承载车架结构图；
图2为轻量化复合材料承载车架俯视图；
图3为支撑单元一和支撑单元二的内部结构图；
图4为外架、内架和连接片三的结构图；
图5为受力下的仿真校核结果图一；
图6为受力下的仿真校核结果图二；
图7为受力下的仿真校核结果图三。
附图标记：1、支撑单元一；101、人字支撑架一；102、连接片一；103、加厚段一；2、支撑单元二；201、人字支撑架二；202、连接片二；203、加厚段二；3、外架；4、内架；5、连接片三。
具体实施方式
如图1-图2所示，本发明提出一种轻量化复合材料承载车架，包括底座以及支撑件组。底座包括外架3和内架4，由玻璃纤维复合材料制成；支撑件组包括成对设置在底座上的支撑单元一1和支撑单元二2，多组支撑单元一1和支撑单元二2又分别成列排布，分别从钢卷底部两侧对其提供支撑，支撑单元一1和支撑单元二2的主要支撑结构由玄武岩纤维复合材料制成。
如图3所示，支撑单元一1包括三组用于承载的人字支撑架一101，相邻的人字支撑架一101间隔30mm,通过树脂胶粘粘连接片一102，再配合铆钉连接。人字支撑架一101短边与水平面夹角为52°,截面尺寸为70*100mm，壁厚4mm,在距离两侧边缘底端150mm处均设置6mm的加厚段一103。
支撑单元二2包括三组用于承载的人字支撑架二201，相邻的人字支撑架二201间隔30mm,通过树脂胶粘粘连接片二202，再配合铆钉连接。人字支撑架二201长边与水平面夹角为38°，截面尺寸为70*100mm，壁厚4mm,在距离两侧边缘底端150mm处均设置6mm的加厚段二203。
采用粘接的方式加上铆钉配合,用以增强节点性能。通过增大人字支撑架一101和人字支撑架二201与底座接触粘接面积,减小连接处的集中应力。
需要进一步说明的是，三对人字支撑架一101和三对人字支撑架二201上均覆一层复材板以增强支撑整体性，与钢卷接触面上覆有一层12mm的隔热橡胶垫。
需要进一步说明的是，人字支撑架一101和人字支撑架二201采用密度为2.2g/cm3的玄武岩纤维复合材料制成。
如图4所示，外架3采用的型材截面尺寸为100*100mm,壁厚为5mm；内架4采用型材截面尺寸为70*70mm，壁厚为5mm；底座整体尺寸为4260*2790mm，采用密度为1.9g/cm3的玻璃纤维复合材料制成。外架3和内架4连接处采用树脂胶粘粘连接片三5，加上铆钉连接进行加固；连接片三5厚度为8mm,延伸长度为50mm。
如图1所示，底座两侧设有限位卡槽以及吊装组件,使用钢材设计,以增强结构耐磨性,使用方形卡扣连接到主体车架之上,采用螺栓连接方便更换。
下面进一步说明本发明示例性实施例的车架结构的承载性能。
使用数值模拟软件对结构进行有限元仿真的验证,网格控制最小尺寸为20mm,最大为100mm,整体网格划分为82w(在网格无关性分析基础上确定,在保障计算精度的前提下,减少计算量)。边界条件为：固定车架底端垫片以及侧边限位卡口位移,将重力换算为向下的合力,添加与钢卷与车架接触区域,顶端向下偏移80mm,材料参数选择为玻璃纤维复合材料杨氏模量为40GPa,泊松比为0.3,钢材杨氏模量为201Gpa,泊松比为0.33。载荷添加方式分为如下三种。
1、1.5倍重力载荷向下
左侧:20*1.1*1000*9.8＝274400N
右侧:14*1.4*1000*9.8＝192080N
2、重力方向上同时添加1倍重力以及等效重力方向冲击力
左侧:20*1000*9.8+298920＝30460N
右侧:14*1000*9.8+76020＝213220N
3、车架长轴方向上横向冲击载荷
左侧:298920N
右侧:209240N
此处横向冲击载荷,添加于冲击方向一侧两个支撑上的接触面上。图5-图7为三种受力下的仿真校核结果,以下为三种工况下的结构最大应力与位移：
1.278.5mpa 0.75mm
2.309.2mpa 0.83mm
3.623.9mpa 1.84mm
以上三种情况中,结构最大应力为623.9mpa小于玻璃纤维复合材料的破坏应力750mpa,满足结构承载要求。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于此，在所属技术领域的技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下还可以作出各种变化。

Claims (10)

1.一种轻量化复合材料承载车架，其特征在于，包括：
底座，底座包括外架(3)和内架(4)，由玻璃纤维复合材料制成；
以及支撑件组，支撑件组包括成对设置在底座上的支撑单元一(1)和支撑单元二(2)，多组支撑单元一(1)和支撑单元二(2)又分别成列排布，分别从钢卷底部两侧对其提供支撑，支撑单元一(1)和支撑单元二(2)的主要支撑结构由玄武岩纤维复合材料制成。
2.根据权利要求1所述的轻量化复合材料承载车架，其特征在于，支撑单元一(1)包括三组用于承载的人字支撑架一(101)，相邻的人字支撑架一(101)间隔30mm,通过树脂胶粘粘连接片一(102)，再配合铆钉连接。
3.根据权利要求2所述的轻量化复合材料承载车架，其特征在于，人字支撑架一(101)短边与水平面夹角为52°,截面尺寸为70*100mm，壁厚4mm,在距离两侧边缘底端150mm处均设置6mm的加厚段一(103)。
4.根据权利要求3所述的轻量化复合材料承载车架，其特征在于，支撑单元二(2)包括三组用于承载的人字支撑架二(201)，相邻的人字支撑架二(201)间隔30mm,通过树脂胶粘粘连接片二(202)，再配合铆钉连接。
5.根据权利要求4所述的轻量化复合材料承载车架，其特征在于，人字支撑架二(201)长边与水平面夹角为38°，截面尺寸为70*100mm，壁厚4mm,在距离两侧边缘底端150mm处均设置6mm的加厚段二203。
6.根据权利要求5所述的轻量化复合材料承载车架，其特征在于，三对人字支撑架一(101)和三对人字支撑架二(201)上均覆一层复材板，与钢卷接触面上覆有一层12mm的隔热橡胶垫。
7.根据权利要求6所述的轻量化复合材料承载车架，其特征在于，人字支撑架一(101)和人字支撑架二(201)采用密度为2.2g/cm3的玄武岩纤维复合材料制成。
8.根据权利要求1所述的轻量化复合材料承载车架，其特征在于，外架(3)采用的型材截面尺寸为100*100mm,壁厚为5mm；内架(4)采用型材截面尺寸为70*70mm，壁厚为5mm；底座整体尺寸为4260*2790mm，采用密度为1.9g/cm3的玻璃纤维复合材料制成。
9.根据权利要求8所述的轻量化复合材料承载车架，其特征在于，外架(3)和内架(4)连接处采用树脂胶粘粘连接片三(5)，加上铆钉连接进行加固；连接片三(5)厚度为8mm,延伸长度为50mm。
10.根据权利要求1所述的轻量化复合材料承载车架，其特征在于，底座两侧设有限位卡槽以及吊装组件。
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