CN103318203B - 带有仿机翼的空气动力悬浮列车的轻质复合材料车厢结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有仿机翼的空气动力悬浮列车的轻质复合材料车厢结构，包括环型车身和车厢底板，其特征在于整体车厢结构均采用复合材料成型，车身的外、内层蒙皮采用仿蚕茧缠绕编织结构；中间夹芯层为轻质仿鸟骨骼中空结构；在应力集中部位，加有复合材料加强筋结构；复合材料各层间用粘胶膜层胶接，并采用大型热压罐进行三次复合固化。车厢底板为网络状三维整体多向连锁编织结构，与侧壁车身采用胶接内单搭接方式链接。本发明的制备步骤有：1）芯模制备；2）铺设外层蒙皮；3）铺设加强筋和夹芯层；4）铺设内层蒙皮；5）复合固化；6）底板制造；7）组装链接。本发明的车厢结构具有质量轻、抗起皱、耐冲击、损伤容限高和抗疲劳等优异性能。

Description

带有仿机翼的空气动力悬浮列车的轻质复合材料车厢结构

技术领域

本发明涉及一种高速列车的车厢结构，特别涉及一种带有仿机翼的空气动力悬浮列车的轻质复合材料车厢结构，属于工程材料制备、结构设计领域。

背景技术

复合材料具有比强度高、比刚度大，抗冲击、耐疲劳等优点，为现代高速列车的应用提供了光明而又广阔的应用前景。

最近，江雷等（中国专利:201110209112.4、中国专利:201110242739、中国专利:201110242755.9）提出了带有仿机翼的空气动力悬浮列车，该列车的机车和每节车厢的顶部分别安装有仿制飞机的机翼结构的仿机翼。通过与列车相对运动的气流作用于仿机翼结构而产生上抬力，从而减少列车对铁轨的压力。由于车厢部分占据了现代带有仿机翼的空气动力悬浮列车车体的主要重量，因此，急需解决车厢结构的轻量化问题。采用先进轻质复合材料使带有仿机翼的空气动力悬浮列车的车厢结构轻量化是关键技术之一。

自然界中的天然复合材料为我们制造先进轻质复合材料提供了许多有益的信息。如：蚕茧结构，其具有轻质高强的优异力学特性，而鸟类具有最优的骨骼结构，其含有大量孔隙相通的周期性轻质结构，最大限度的节约了材料，同时又提供了鸟类飞行所需的强度。借助于仿生学原理，设计一种轻质复合材料车厢结构，并应用于带有仿机翼的空气动力悬浮列车，是本发明的目的所在。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种新型的轻质复合材料车厢结构，并应用于带有仿机翼的空气动力悬浮列车。该复合材料车厢结构的整体性好，质量轻、结构的稳定性、抗冲击、抗疲劳等力学性能都得到显著增强。该制备方法工艺简单，环境污染小，生产效率高，成本相对较低。

本发明解决所述带有仿机翼的空气动力悬浮列车的轻质复合材料车厢结构技术问题的技术方案如下：

本发明设计的一种带有仿机翼的空气动力悬浮列车的轻质复合材料车厢结构，包括环型车身和车厢底板，其特征在于整体车厢结构均采用复合材料成型，车身的外层蒙皮和内层蒙皮采用仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料成型；中间夹芯层为轻质仿鸟骨骼中空结构的复合材料成型；在车身的应力集中部位，外层蒙皮与夹芯层间还加有复合材料加强筋结构；复合材料各层间采用高分子粘胶膜层胶接而成，并采用大型热压罐对整体车身结构进行三次复合固化成型。车厢底板采用网络状三维整体多向连锁编织结构的复合材料成型，与侧壁车身采用胶接内单搭接方式链接构成整体车厢结构。

本发明的进一步特征是该复合材料车厢结构应用于带有仿机翼的空气动力悬浮列车的机车和每一节车厢中。

本发明的特征还在于：整体车厢结构均采用复合材料成型。

本发明的特征还在于：所述环型车身的外层蒙皮和内层蒙皮采用仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料成型。

本发明的特征还在于：所述的仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢蒙皮，包括贯穿复合材料周向、径向、轴向三个方向的六组纱线***：编织纱线、缠绕纱线、轴向加强筋纱线、周向加强筋纱线、周向接结纱线、轴向接结纱线。其特征在于编织纱线沿芯模轴向均匀排列于各层；缠绕纱线沿芯模周向逐层进行缠绕，同时，与编织纱线逐层进行交织，形成层层交织联锁结构，纱线交织叠加构成织物厚度；轴向和周向加强筋纱线均不参与交织，于缠绕纱线与编织纱线交织构成的缠绕编织层间所夹持；周向和轴向接结纱线分别沿周向和轴向贯穿织物厚度将各层接结成一个整体。所述的芯模为制备复合材料车厢蒙皮所需的内衬模具。

本发明的特征还在于：所述环型车身的中间夹芯层采用轻质仿鸟骨骼中空结构的复合材料成型。

本发明的特征还在于：所述的轻质仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层，由上面板层、下面板层以及设置在上、下面板层之间的仿鸟骨骼中空芯子层构成，其特征在于上，下面板层形成夹层结构，所述的仿鸟骨骼中空芯子层以垂直轴纱为中心，以中性面内沿宽度方向的横向纱线和沿厚度方向的横向纱线作为有效支撑，由孔隙相通周期性排列的仿鸟骨骼中空构型单胞组成的空间网络结构，且该仿鸟骨骼中空芯子层与上、下面板层编织为一个整体。

本发明的特征还在于：在车厢裁切的应力集中部位加有复合材料加强筋。所述的应力集中部位，如：车门位置、车窗位置、仿机翼安装位置、空调安装位置，等。所述的加强筋采用三维多向整体编织结构的复合材料成型。所述加强筋的横截面形状为实体方形，外形形状为长矩形状，其中车顶部分加强筋为类“井”字型结构，车侧身部分加强筋为类“田”字型结构。

本发明的特征还在于：所述三维多向整体编织结构的复合材料加强筋是采用四步法三维多向整体编织工艺技术，由高性能纤维材料织造三维多向整体编织预制件来制备得到；所述的三维多向整体编织预制件是指具有特定编织角、特定纤维体积含量、特定编织结构的三维多向整体编织物。所述的编织角的范围为0°-50°之间，所述的纤维体积含量的范围为20%-70%之间，所述的编织结构是指三维四向、三维五向、三维六向和三维七向编织结构中的一种。

本发明的特征还在于：所述的车厢底板采用网络状三维整体多向连锁编织结构的复合材料成型。

本发明的特征还在于：所述的网络状三维整体多向连锁编织结构的复合材料车厢底板，包括八组纱线***，分别为编织纱线***、轴纱***、横向填充纬纱***、纵向填充纬纱***、+45度填充纬纱***、-45度填充纬纱***、横向交织纬纱***、纵向交织纬纱***。八组纱线***之间按照不同的交织结构相互连锁编织形成致密的三维整体网络结构。

本发明的特征还在于：整体复合材料车身结构与复合材料车厢底板的链接结构为胶接内单搭接类型，复合材料车身与复合材料车厢底板之间采用高分子粘胶膜胶接，并增加铆钉链接。

本发明的特征还在于：所述复合材料增强体的纱线原材料选用碳纤维T300系列，3k、6k、9k、12k中的一种或几种混合使用；或选用凯夫拉纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、高强聚乙烯纤维、玄武岩纤维等中的一种。树脂基体材料采用环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂或不饱和树脂中的一种。

本发明的特征还在于：复合材料各层间采用高分子粘胶膜层胶接而成。

本发明的特征还在于：整体复合材料车身结构采用真空袋法进行密封和加压，并采用大型热压罐进行三次复合固化成型。所述的热压罐外形尺寸为30-35米，直径为5.5米；可控温度范围为室温到300℃，最大压力水平可达到7个大气压。

本发明的特征还在于：所述车身外形尺寸的长度为：0-28米，宽度为0-3.5米，高度为0-3.5米，厚度为0-0.30米。所述车厢底板外形尺寸的长度为：0-28米，宽度为0-3.5米，厚度为0-0.05米。

本发明的特征还在于：所述的仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢外层蒙皮的外形尺寸长度为0-28米，宽度为0-3.5米，高度为0-3.5米，厚度为0-0.025米，纤维体积含量为30%-70%。；内层蒙皮的外形尺寸长度为0-28米，宽度为0-3.5米，高度为0-3.5米，厚度为0-0.015米，纤维体积含量为30%-70%。

本发明的特征还在于：所述的三维多向整体编织结构的复合材料加强筋横截面尺寸长度为0-0.040米，宽度为0-0.040米；车顶部分加强筋结构的长度为0-28米，宽度为0-3米；车侧身部分加强筋结构的长度为0-28米，宽度为0-1.5米。

本发明的特征还在于：所述的仿鸟骨骼中空结构的复合材料夹芯层外形尺寸长度为0-28米,宽度为0-3.5米，高度为0-3.5米；上面板层厚度为0-0.020米，下面板层厚度为0-0.020米，单夹层芯子层高度为0-0.160米。

本发明的特征还在于：所述的网络状三维整体多向连锁编织结构的复合材料车厢底板的外形尺寸长度为0-28米，宽度为0-3.5米，厚度为0-0.05米。

本发明所述的带有仿机翼的空气动力悬浮列车的轻质复合材料车厢结构，其特征在于按如下步骤进行制备：

1）制备复合材料芯模

为制备复合材料芯模，首先设计与制造内衬模具，内衬模具采用木质材料，在木质模具的外表面生产制造复合材料芯模。木质模具的外形形状、外形尺寸与车身的外形相同。复合材料芯模制造的原材料采用纤维预浸料，首先在木质芯模的外表面涂覆脱模剂，再通过手糊铺层工艺进行铺层，待纤维预浸料叠层达到一定厚度后，停止铺层。在铺层复合材料芯模的外表面上安装金属框架，以起到有效的增强作用，再在室温或高温下进行复合固化，固化后脱模，制得复合材料芯模。

2）铺设外层蒙皮

复合材料芯模制作完成后，在复合材料芯模的内表面先涂覆脱模剂，再涂覆高分子粘胶膜层后，铺设具有一定厚度的仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢外层蒙皮，将复合材料芯模与外层蒙皮材料整体采用真空袋法进行密封和加压，并在大型热压罐中复合固化。所述的仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢蒙皮是利用缠绕编织工艺结合三维编织工艺制备而成。

3）铺设加强筋和夹芯层

外层蒙皮固化后，在外层蒙皮的表面涂覆高分子粘胶膜层，铺设复合材料加强筋，加强筋的横截面形状为实心方形，车顶部分加强筋为类“井”字型结构，车侧身部分加强筋为类“田”字型结构。铺设好复合材料加强筋结构后，再涂覆高分子粘胶膜层，铺设仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层。之后，将由外层蒙皮、加强筋和中空夹芯层构成的复合材料车身结构，采用真空袋法进行密封和加压，并在大型热压罐中进行二次复合固化。所述的复合材料加强筋是采用三维多向整体编织工艺技术制备而成。所述的仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层是利用三维整体机织工艺技术制备而成。

4）铺设内层蒙皮

针对步骤3）中固化成型后的复合材料车身结构，在仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层的下面板层，涂覆高分子粘胶膜层，铺设具有一定厚度的仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢内层蒙皮。所述的内层蒙皮是利用缠绕编织工艺结合三维编织工艺制备而成。

5）复合固化成型

将整体车身结构采用真空袋法进行密封和加压，第三次放入大型热压罐中，复合固化成型。将经过三次固化最终成型后的整体复合材料车身结构做脱模处理。

6）车厢底板制造

利用三维整体编织工艺结合三维整体机织工艺技术，制造网络状三维整体多向连锁编织结构的复合材料车厢底板。

7）组装链接

整体复合材料车身结构与复合材料车厢底板进行链接。链接结构为胶接内单搭接类型，复合材料车身与复合材料车厢底板之间采用高分子粘胶膜胶接，并增加铆钉链接。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：

本发明设计的一种带有仿机翼的空气动力悬浮列车的车厢结构，由于整体车厢结构均采用高性能纤维增强复合材料成型，大大减轻了车厢的重量，提高了结构的承载效率；本发明采用的仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢蒙皮，包括贯穿复合材料周向、径向、轴向的多组纱线***，纱线间相互缠绕交织，形成整体的密实结构，使蒙皮的稳定性、抗起皱、抗冲击等性能都得到显著增强；本发明采用的仿鸟骨骼中空结构夹芯层，不仅提供了轻质的设计，而且芯子层起着有效的双向支撑作用，提供了车厢结构足够的刚度和强度，减少了所需的零部件，简化了组装。本发明在车身的应力集中部位，加入了三维多向整体编织复合材料作为加强筋结构，大大减小了应力集中，满足了设计的要求。此外，车厢底板采用网络状三维整体多向连锁编织结构的复合材料成型，替代了以往的金属钢结构，不仅大大减轻了车厢的重量，也提高了车厢底板的抗压、抗弯、抗剪等面内关键力学性能。总体上，该复合材料车厢结构具有质量轻、耐冲击、损伤容限高和抗疲劳等优异性能。本发明的整体复合材料结构还能够广泛应用于航空航天、航海以及国防装备等诸多高新技术产品领域。

在申请人检索的范围内，本发明的带有仿机翼的空气动力悬浮列车的轻质复合材料车厢结构还未见相关文献报道。

附图说明

图1是带有仿机翼的空气动力悬浮列车的示意图。

图2是本发明提供的轻质复合材料车厢结构的示意图。

图3是车厢蒙皮的仿蚕茧缠绕编织结构横截面示意图。

图4是车厢夹芯层的一种轻质仿鸟骨骼中空结构示意图。

图5是车厢底板的网络状三维多向整体连锁编织结构横截面示意图。

1-带有仿机翼的空气动力悬浮列车；2-仿机翼；3-列车车厢；4-环型车身；5-车厢底板；6-外层蒙皮（仿蚕茧缠绕编织结构）；7-中间夹芯层（轻质仿鸟骨骼中空结构）；8-内层蒙皮（仿蚕茧缠绕编织结构）；9-车窗位置；10-类“井”字型结构车顶加强筋；11-类“田”字型结构车侧身加强筋；12-高分子粘胶膜层；13-内单搭接方式链接；14-编织纱线；15-缠绕纱线；16-轴向加强筋；17-周向加强筋；18-周向接结纱线；19-轴向接结纱线；20-上面板层；21-下面板层；22-仿鸟骨骼中空芯子层（“S”形交叉构型）；23-垂直轴纱；24-中性面内沿宽度方向横向纱线；25-中性面内沿厚度方向横向纱线；26-编织纱线***；27-轴纱***；28-横向填充纬纱***；29-纵向填充纬纱***；30-+45度填充纬纱***；31--45度填充纬纱***；32-横向交织纬纱***；33-纵向交织纬纱***；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是带有仿机翼的空气动力悬浮列车的示意图。图2是本发明提供的带有仿机翼的空气动力悬浮列车的轻质复合材料车厢结构的示意图。它包括环型车身4和车厢底板5，其特征在于整个车厢结构均采用复合材料成型，环形车身为“三明治”结构，外层蒙皮6和内层蒙皮7采用仿蚕茧缠绕编织结构复合材料成型；中间夹芯层8为轻质仿鸟骨骼中空结构复合材料成型；在车身的应力集中部位，如：车窗位置9，等，外层蒙皮6与夹芯层8间还含有复合材料加强筋结构；所述的加强筋采用三维多向整体编织结构复合材料成型，外形形状为长矩形状，其中车顶部分为类“井”字型结构10，车侧身部分为类“田”字型结构11。复合材料各层间采用高分子粘胶膜层12胶接而成，并采用大型热压罐对整体车身结构进行复合固化。车厢底板5采用网络状三维整体多向连锁编织结构复合材料成型，与侧壁车身采用胶接内单搭接方式链接13构成整体车厢结构。

本发明的特征还在于所述的仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料，包括贯穿复合材料周向、径向、轴向三个方向的六组纱线***：编织纱线、缠绕纱线、轴向加强筋纱线、周向加强筋纱线、周向接结纱线、轴向接结纱线。其特征在于编织纱线沿芯模轴向均匀排列于各层；缠绕纱线沿芯模周向逐层进行缠绕，同时，与编织纱线逐层进行交织，形成层层交织联锁结构，纱线交织叠加构成织物厚度；加强筋纱线不参与交织，由缠绕纱线与编织纱线交织的纱线缠绕编织层间所夹持；接结纱线沿周向和轴向贯穿织物厚度将各层接结成一个整体。所述的芯模为复合材料缠绕所需的内衬模具。

本发明的特征还在于所述的仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢蒙皮6,8，包括贯穿复合材料周向、径向、轴向三个方向的六组纱线***。参见图2，编织纱线14沿芯模轴向均匀排列于各层；缠绕纱线15沿芯模周向逐层进行缠绕，同时，与编织纱线逐层进行交织，形成层层交织联锁结构，纱线交织叠加构成织物厚度；周向加强筋16和轴向加强筋纱线17由缠绕纱线与编织纱线交织构成的纱线缠绕编织层间所夹持；周向接结纱线18和轴向接结纱线19分别沿周向和轴向贯穿织物厚度将各层接结成一个整体。所述的芯模为复合材料缠绕所需的内衬模具。

本发明的特征还在于所述的轻质仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层7，参见图4，它由上面板层20、下面板层21以及设置在上、下面板层之间的仿鸟骨骼中空芯子层22构成，其特征在于上，下面板层形成夹层结构，所述的仿鸟骨骼中空芯子层以垂直轴纱23为中心，以中性面内沿宽度方向横向纱线24和沿厚度方向横向纱线25作为支撑，由孔隙相通周期性排列的仿鸟骨骼中空构型单胞组成的空间网络结构，且该仿鸟骨骼中空芯子层与上、下面板层编织为一个整体。

本发明的特征还在于所述的三维多向整体编织结构的复合材料加强筋10,11是采用四步法三维多向整体编织工艺技术，由高性能纤维材料织造三维多向整体编织预制件来制备得到；所述的三维多向整体编织预制件是指具有特定编织角、特定纤维体积含量、特定编织结构的三维多向整体编织物。所述的编织角的范围为0°-50°之间，所述的纤维体积含量的范围为20%-70%之间，所述的编织结构是指三维四向、三维五向、三维六向和三维七向编织结构中的一种。

本发明的特征还在于所述的网络状三维整体多向连锁编织结构的复合材料车厢底板5，参见图5，其包括八组纱线***，分别为编织纱线***26、轴纱***27、横向填充纬纱***28、纵向填充纬纱***29、+45度填充纬纱***30、-45度填充纬纱***31、横向交织纬纱***32、纵向交织纬纱***33。八组纱线***之间按照不同的交织结构相互连锁编织形成致密的三维整体网络结构。

本发明所述的带有仿机翼的空气动力悬浮列车的轻质复合材料车厢结构，其特征在于按如下步骤进行制备：

1）制备复合材料芯模

为制备复合材料芯模，首先设计与制造内衬模具，内衬模具采用木质材料，在木质模具的外表面生产制造复合材料芯模。木质模具的外形形状、外形尺寸与车身的外形相同。复合材料芯模制造的原材料采用纤维预浸料，首先在木质模具的外表面上涂覆脱模剂，再通过手糊铺层工艺进行铺层，待纤维预浸料叠层达到一定厚度后，停止铺层。在铺层复合材料芯模的外表面上安装金属框架，以起到有效的增强作用，再在室温或高温下进行复合固化，固化后脱模，制得复合材料芯模。

2）铺设外层蒙皮

复合材料芯模制作完成后，在复合材料芯模的内表面先涂覆脱模剂，再涂覆高分子粘胶膜层后，铺设具有一定厚度的仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢外层蒙皮，将复合材料芯模与外层蒙皮材料整体采用真空袋法进行密封和加压，并在大型热压罐中复合固化。所述的仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢蒙皮是利用缠绕编织工艺结合三维编织工艺制备而成。

3）铺设加强筋和夹芯层

外层蒙皮固化后，在外层蒙皮的表面涂覆高分子粘胶膜层，铺设复合材料加强筋，加强筋的横截面形状为实心方形，车顶部分加强筋为类“井”字型结构，车侧身部分加强筋为类“田”字型结构。铺设好复合材料加强筋后，再涂覆高分子粘胶膜层，铺设仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层。之后，将由外层蒙皮、加强筋和中空夹芯层构成的复合材料车身结构，采用真空袋法进行密封和加压，并在大型热压罐中进行二次复合固化。所述的复合材料加强筋是采用三维多向整体编织工艺技术制备而成。所述的仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层是利用三维整体机织工艺技术制备而成。

4）铺设内层蒙皮

针对步骤3）中固化成型后的复合材料车身结构，在仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层的下面板层，涂覆高分子粘胶膜层，铺设具有一定厚度的仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢内层蒙皮。所述的内层蒙皮是利用缠绕编织工艺结合三维编织工艺制备而成。

5）复合固化成型

将整体车身结构采用真空袋法进行密封和加压，第三次放入大型热压罐中，复合固化成型。将经过三次固化最终成型后的整体复合材料车身结构做脱模处理。

6）车厢底板制造

利用三维整体编织工艺结合三维整体机织工艺技术，制造网络状三维整体多向连锁编织结构的复合材料车厢底板。

7）组装链接

整体复合材料车身结构与复合材料车厢底板进行链接。链接结构为胶接内单搭接类型，复合材料车身与复合材料车厢底板之间采用高分子粘胶膜胶接，并增加铆钉链接。

实施例：

本发明所述的带有仿机翼的空气动力悬浮列车的轻质复合材料车厢结构，其特征在于按如下步骤进行制备：

1）制备复合材料芯模

为制备复合材料芯模，首先设计与制造内衬模具，内衬模具采用木质材料，在木质模具的外表面生产制造复合材料芯模。木质模具的外形形状与车身的外形形状相同，为带圆形倒角的环状；外形尺寸长度为25米，宽度为3米，高度为3米，壁厚为0.02米。复合材料芯模制造的原材料采用玻璃纤维/环氧树脂预浸料，首先在木质模具的外表面上涂覆脱模剂，再通过手糊铺层工艺进行铺层，待纤维预浸料叠层厚度达到0.03米后，停止铺层。在铺层复合材料芯模的外表面上安装金属框架，以起到有效的增强作用，先在室温环境下固化7天，再放入大型热压罐中，在1个大气压下，高温100℃下固化15小时，所述大型热压罐的外形尺寸长度为30米，直径为5.5米。固化后脱模，制得复合材料芯模，复合材料芯模的外形尺寸的长度为25米，宽度为3米，高度为3米，厚度为0.03米。

2）铺设外层蒙皮

复合材料芯模制作完成后，在复合材料芯模的内表面先涂覆脱模剂，再涂覆BONDEX606高分子粘胶膜层后，铺设仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢外层蒙皮，外层蒙皮的外形尺寸长度为25米，宽度为3.153米，高度为3.153米，厚度为0.015米，纤维体积含量为60%。所述的仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢外层蒙皮采用T30012K碳纤维增强环氧树脂基体，利用缠绕编织工艺结合三维编织工艺制备而成。将复合材料芯模与外层蒙皮材料整体采用真空袋法进行密封和加压，再放入大型热压罐中，在2个大气压下，高温110℃下固化24小时。

3）铺设加强筋和夹芯层

外层蒙皮固化后，在外层蒙皮的表面涂覆BONDEX606高分子粘胶膜层，厚度为0.004mm，铺设复合材料加强筋结构，车顶部分加强筋为类“井”字型结构，车侧身部分加强筋为类“田”字型结构。加强筋的横截面形状为实心方形，截面尺寸长度为0.03米，宽度为0.03米；车顶部分加强筋结构的长度为25米，宽度为2.5米；车侧身部分加强筋结构的长度为25米，宽度为1米；所述的复合材料加强筋采用T3006K碳纤维增强环氧树脂基体,利用三维多向整体编织工艺技术制备而成。铺设好复合材料加强筋结构后，再涂覆BONDEX606高分子粘胶膜层，厚度为0.003mm，铺设仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层。车厢夹芯层外形尺寸长度为25米，宽度为3.013米，高度为3.013米；上面板层厚度为0.008米、下面板层厚度为0.005米，芯子层厚度为0.09米；所述的仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层，采用T3009K碳纤维增强环氧树脂基体，利用三维整体机织工艺技术制备而成。铺设好车厢夹芯层后，将由外层蒙皮、加强筋和中空夹芯层构成的复合材料车身结构，采用真空袋法进行密封和加压，并在大型热压罐中进行二次复合固化，在3个大气压下，高温150℃下固化24小时。

4）铺设内层蒙皮

针对步骤3）中固化成型后的复合材料车身结构，在仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层的下面板层，涂覆BONDEX606高分子粘胶膜层，厚度为0.003mm，铺设仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢内层蒙皮，内层蒙皮的外形尺寸长度为25米，宽度为3米，高度为3米，厚度为0.010米，纤维体积含量为50%。所述的仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢外层蒙皮采用T3006K碳纤维增强环氧树脂基体，利用缠绕编织工艺结合三维编织工艺制备而成。

5）复合固化成型

将整体车身结构采用真空袋法进行密封和加压，第三次放入大型热压罐中，复合固化成型，在3个大气压下，高温180℃下固化30小时。将经过三次固化最终成型后的整体复合材料车身结构做脱模处理。制备的整体复合材料车身结构的外形尺寸长度为25米，内部宽度为3米，内部高度为3米，车身厚度为0.168米。

6）车厢底板制造

网络状三维整体多向连锁编织复合材料的车厢底板，采用T30012K碳纤维增强环氧树脂基体,利用三维整体编织工艺结合三维整体机织工艺技术制备而成。制备的复合材料车厢底板的外形尺寸长度为25米，宽度为3米，厚度为0.03米；编织角为30度，纤维体积含量为65%。

7）组装链接

整体复合材料车身结构与复合材料车厢底板进行链接。链接结构为胶接内单搭接类型，复合材料车身与复合材料底板之间采用BONDEX606高分子粘胶膜胶接，并增加铆钉链接。

Claims (9)

1.一种带有仿机翼的空气动力悬浮列车的轻质复合材料车厢结构，包括环型车身和车厢底板，其特征在于：整体车厢结构均采用复合材料成型，车身的外层蒙皮和内层蒙皮采用仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料成型；中间夹芯层为轻质仿鸟骨骼中空结构的复合材料成型；在车身的应力集中部位，外层蒙皮与夹芯层间还加有复合材料加强筋结构；复合材料各层间采用高分子粘胶膜层胶接而成，并采用大型热压罐对整体车身结构进行三次复合固化成型，所述大型热压罐的外形尺寸长度为30米，直径为5.5米；车厢底板采用网络状三维整体多向连锁编织结构的复合材料成型，与侧壁车身采用胶接内单搭接方式链接构成整体车厢结构；

所述的仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢蒙皮，包括贯穿复合材料周向、径向、轴向三个方向的六组纱线***：编织纱线、缠绕纱线、轴向加强筋纱线、周向加强筋纱线、周向接结纱线、轴向接结纱线；编织纱线沿芯模轴向均匀排列于各层；缠绕纱线沿芯模周向逐层进行缠绕，同时，与编织纱线逐层进行交织，形成层层交织联锁结构，纱线交织叠加构成织物厚度；轴向和周向加强筋纱线均不参与交织，于缠绕纱线与编织纱线交织构成的缠绕编织层间所夹持；周向和轴向接结纱线分别沿周向和轴向贯穿织物厚度将各层接结成一个整体；所述的芯模为制备复合材料车厢蒙皮所需的内衬模具。

2.根据权利要求1所述的带有仿机翼的空气动力悬浮列车的轻质复合材料车厢结构，其特征在于：所述的轻质仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层，由上面板层、下面板层以及设置在上、下面板层之间的仿鸟骨骼中空芯子层构成，上、下面板层形成夹层结构，所述的仿鸟骨骼中空芯子层以垂直轴纱为中心，以中性面内沿宽度方向的横向纱线和沿厚度方向的横向纱线作为有效支撑，由孔隙相通周期性排列的仿鸟骨骼中空构型单胞组成的空间网络结构，且该仿鸟骨骼中空芯子层与上、下面板层编织为一个整体。

3.根据权利要求1所述的带有仿机翼的空气动力悬浮列车的轻质复合材料车厢结构，其特征在于：所述的应力集中部位包括：车门位置、车窗位置、仿机翼安装位置、空调安装位置；所述的加强筋采用三维多向整体编织结构的复合材料成型；所述加强筋的横截面形状为实体方形，外形形状为长矩形状，其中车顶部分加强筋为类“井”字型结构，车侧身部分加强筋为类“田”字型结构；所述三维多向整体编织结构的复合材料加强筋是采用四步法三维多向整体编织工艺技术，由高性能纤维材料织造三维多向整体编织预制件来制备得到；所述的三维多向整体编织预制件是指具有特定编织角、特定纤维体积含量、特定编织结构的三维多向整体编织物；所述的编织角的范围为0°-50°之间，所述的纤维体积含量的范围为20%-70%之间，所述的编织结构是指三维四向、三维五向、三维六向和三维七向编织结构中的一种。

4.根据权利要求1所述的带有仿机翼的空气动力悬浮列车的轻质复合材料车厢结构，其特征在于：所述的网络状三维整体多向连锁编织结构的复合材料车厢底板，包括八组纱线***，分别为编织纱线***、轴纱***、横向填充纬纱***、纵向填充纬纱***、+45度填充纬纱***、-45度填充纬纱***、横向交织纬纱***、纵向交织纬纱***；八组纱线***之间按照不同的交织结构相互连锁编织形成致密的三维整体网络结构。

5.根据权利要求1所述的带有仿机翼的空气动力悬浮列车的轻质复合材料车厢结构，其特征在于：所述的整体复合材料车身结构与复合材料车厢底板的链接结构为胶接内单搭接类型，复合材料车身与复合材料车厢底板之间采用高分子粘胶膜胶接，并增加铆钉链接。

6.根据权利要求1所述的带有仿机翼的空气动力悬浮列车的轻质复合材料车厢结构，其特征在于：复合材料增强体的纱线原材料选用碳纤维T300系列，3k、6k、9k、12k中的一种或几种混合使用；或选用凯夫拉纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、高强聚乙烯纤维、玄武岩纤维中的一种；树脂基体材料采用环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂或不饱和树脂中的一种。

7.根据权利要求1所述的带有仿机翼的空气动力悬浮列车的轻质复合材料车厢结构，其特征在于：所述的仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢外层蒙皮的外形尺寸长度为0-28米，宽度为0-3.5米，高度为0-3.5米，厚度为0-0.030米，纤维体积含量为30%-70%；内层蒙皮的外形尺寸长度为0-28米，宽度为0-3.5米，高度为0-3.5米，厚度为0-0.015米，纤维体积含量为30%-70%；所述的三维多向整体编织结构的复合材料加强筋横截面尺寸长度为0-0.040米，宽度为0-0.040米；车顶部分加强筋结构的长度为0-28米，宽度为0-3米；车侧身部分加强筋结构的长度为0-28米，宽度为0-1.5米；所述的仿鸟骨骼中空结构的复合材料夹芯层外形尺寸长度为0-28米,宽度为0-3.5米，高度为0-3.5米；上面板层厚度为0-0.020米，下面板层厚度为0-0.020米，单夹层芯子层高度为0-0.160米；所述的网络状三维整体多向连锁编织结构的复合材料车厢底板的外形尺寸长度为0-28米，宽度为0-3.5米，厚度为0-0.05米。

8.根据权利要求1所述的带有仿机翼的空气动力悬浮列车的轻质复合材料车厢结构，其特征在于：所述车身外形尺寸的长度为：0-28米，宽度为0-3.5米，高度为0-3.5米，厚度为0-0.30米；所述车厢底板外形尺寸的长度为：0-28米，宽度为0-3.5米，厚度为0-0.05米；整体复合材料车身结构采用真空袋法进行密封和加压；可控温度范围为室温到300℃，最大压力水平能够达到7个大气压。

9.根据权利要求1所述的带有仿机翼的空气动力悬浮列车的轻质复合材料车厢结构，其特征在于：按如下步骤进行制备：

1）制备复合材料芯模

为制备复合材料芯模，首先设计与制造内衬模具，内衬模具采用木质材料，在内衬模具的外表面生产制造复合材料芯模；内衬模具的外形形状、外形尺寸与车身的外形相同；复合材料芯模制造的原材料采用纤维预浸料，首先在内衬模具的外表面涂覆脱模剂，再通过手糊铺层工艺进行铺层，待纤维预浸料叠层达到一定厚度后，停止铺层；在铺层复合材料芯模的外表面上安装金属框架，以起到有效的增强作用，再在室温或高温下进行复合固化，固化后脱模，制得复合材料芯模；

2）铺设外层蒙皮

复合材料芯模制作完成后，在复合材料芯模的内表面先涂覆脱模剂，再涂覆高分子粘胶膜层后，铺设具有一定厚度的仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢外层蒙皮，将复合材料芯模与外层蒙皮材料整体采用真空袋法进行密封和加压，并在大型热压罐中复合固化；所述的仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢蒙皮是利用缠绕编织工艺结合三维编织工艺制备而成；

3）铺设加强筋和夹芯层

外层蒙皮固化后，在外层蒙皮的表面涂覆高分子粘胶膜层，铺设复合材料加强筋，加强筋的横截面形状为实心方形，车顶部分加强筋为类“井”字型结构，车侧身部分加强筋为类“田”字型结构；铺设好复合材料加强筋结构后，再涂覆高分子粘胶膜层，铺设仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层；之后，将由外层蒙皮、加强筋和中空夹芯层构成的复合材料车身结构，采用真空袋法进行密封和加压，并在大型热压罐中进行二次复合固化；所述的复合材料加强筋是采用三维多向整体编织工艺技术制备而成；所述的仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层是利用三维整体机织工艺技术制备而成；

4）铺设内层蒙皮

针对步骤3）中固化成型后的复合材料车身结构，在仿鸟骨骼中空结构的复合材料车厢夹芯层的下面板层，涂覆高分子粘胶膜层，铺设具有一定厚度的仿蚕茧缠绕编织结构的复合材料车厢内层蒙皮；所述的内层蒙皮是利用缠绕编织工艺结合三维编织工艺制备而成；

5）复合固化成型

将整体车身结构采用真空袋法进行密封和加压，第三次放入大型热压罐中，复合固化成型；将经过三次固化最终成型后的整体复合材料车身结构做脱模处理；

6）车厢底板制造

利用三维整体编织工艺结合三维整体机织工艺技术，制造网络状三维整体多向连锁编织结构的复合材料车厢底板；

7）组装链接

整体复合材料环型车身结构与复合材料车厢底板进行链接；链接结构为胶接内单搭接类型，复合材料环型车身与复合材料车厢底板之间采用高分子粘胶膜胶接，并增加铆钉链接。