CN112590248B - 一种高速列车用碳纤维复合材料车体成型工艺及车体 - Google Patents

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Abstract

本发明目的是提供一种高速列车用碳纤维复合材料车体成型工艺，通过预制车体结构，并共固化一体成型，制备复合材料夹芯结构车体，生产工艺采用无热压罐成型工艺，高效经济，并提供一种采用碳纤维复合材料车体成型工艺生产的车体，重量轻，强度高。

Description

一种高速列车用碳纤维复合材料车体成型工艺及车体
技术领域
本发明属于轨道车辆车体技术领域，尤其是涉及一种高速列车用碳纤维复合材料车体成型工艺及车体。
背景技术
高速列车由于车辆运行速度越来越高，车辆越重，车辆动力学、空气动力学特性、牵引、制动性能及其车辆被动安全特性越差；亟待降低高速列车车辆的质量，轻量化结构是未来更高速列车的发展趋势。
车体结构作为车辆重要部件之一，目前其普遍采用铝合金型材、碳钢板梁结构等制造，复合材料结构具有高比刚度、比强度特性，其在轨道交通领域应用主要集中在车体内部装饰件，而高速车辆车体结构用复合材料的力学性能要求较高，板梁式、泡沫夹芯复合材料结构已不能满足其性能要求，亟需一种新型的复合材料车体结构用于超高速车辆。
发明内容
本发明目的是提供一种高速列车用碳纤维复合材料车体成型工艺，通过预制车体结构，并共固化一体成型，制备复合材料夹芯结构车体，生产工艺采用无热压罐成型工艺，高效经济，并提供一种采用碳纤维复合材料车体成型工艺生产的车体，重量轻，强度高。
为实现上述发明目的，本发明提供一种高速列车用碳纤维复合材料车体成型工艺，所述车体成型工艺包括如下步骤：
步骤一，芯子预成型：在“口”或者“⊿”形柔性芯子模具外表面依次附着一层真空袋Ⅰ、一层透气毡Ⅰ和一层可剥布Ⅰ，所述可剥布Ⅰ外层铺叠碳纤维预浸料至所需厚度，制成“口”或者“⊿”形芯子预成型体；
其中所述“口”或者“⊿”形柔性芯子模具为桶状，由四个或三个模具板两端固定组合而成；
步骤二，车体内壳预成型：车体内壳成型模具约束于车体两端旋转工装，其表面用于约束车体的内表面形状，表面依次附着一层真空袋Ⅱ、一层透气毡Ⅱ和一层可剥布Ⅱ，所述可剥布外层铺叠碳纤维预浸料至所需厚度，构成车体内壳预成型体；
步骤三，车体内壳与芯子预成型体连接：将步骤一芯子预成型体模具两端约束于车体成型旋转工装，芯子预成型体通过刚性芯子预成型体模具粘接于车体内壳表面，多个芯子预成型体粘接在一起构成车体结构的芯层；
步骤四，车体外壳预成：在步骤三得到的所述芯层的外面铺叠碳纤维预浸料至所需厚度，构成车体外壳预成型体，并在其外表面依次附着一层可剥布Ⅲ、一层透气毡Ⅲ和一层真空袋Ⅲ；
步骤五，外壳成型模具装夹在所述真空袋Ⅲ表面，其内侧用于约束外壳预成型体外表面的形状；；
步骤六，设置加热装置：采用清洗剂处理掉端部碳纤维表面树脂，裸露的碳纤维连接电极夹，用于预成型体加热，同时两端工装加持预成型体端部，用于控制预制件中纤维的平直度；
步骤七：芯子内填充石英砂：在芯子预成型体一端安装封堵块，在芯子内部空间内填充石英砂，石英砂和芯子模具内壁之间用真空袋Ⅳ隔开，并在芯子另一端安装封堵块；
步骤八，预成型体内部抽真空：真空袋Ⅰ、真空袋Ⅱ和真空袋Ⅲ每两个相邻真空袋之间都密封连接，仅留一个抽气口，抽取腔体内部空气至真空；
步骤九，芯子预成型体内加压：车体两端的成型工装对芯子预成型体两端的封堵块施加压力，使芯子预成型体之间以及芯子预成型体与车体内壳、车体外壳之间接触紧密；
步骤十，预成型体固化：按照固化工艺曲线，采用电极夹加热预成型体到预定温度，端部成型工装用于施加设定的压力，并保持适当时间；
步骤十一，冷却：固化后的车体在空气中冷却，达到室温；
步骤十二，卸载成型工装的载荷，移除封堵块，排除掉中空芯子内部的石英砂；
步骤十三，移除模具，先移除外壳成型模具，再移除内壳成型模具；
步骤十四，取出复合材料车体成品。
所述“口”或者“⊿”字形柔性芯子模具的模具板可根据需要更换，并且每个芯子模具的模具板相对位置可调整。所述内壳成型模具为柔性成型模具，其是由多个长条状的模具板围成的桶状结构，根据不同车型，模具板可更换部分或者全部。所述外壳成型模具为柔性成型模具，其是由多个长条状的模具板围成的桶状结构，根据不同车型，模具板可更换部分或者全部。根据不同的车型可以选择不同的模具，方便并且成本低。
在进行步骤十时，对车体预制体端部沿车长方向施加拉伸载荷，控制预制体中纤维的平直度。
本发明还提供一种高速列车用碳纤维复合材料车体，该车体是根据权利要求1所述的高速列车用碳纤维复合材料车体成型工艺制造而成的。
本发明高速列车用碳纤维复合材料车体成型工艺相比较于铝合金型材车体结构，该车体结构采用一体化成形，车体平面度及其相关公差控制较好；避免了铝型材自身的熔合区、型材间焊缝疲劳强度低带来的工艺缺陷，采用通电加热碳纤维的电阻热固化预成型体，成形温度可控、均匀，加热效率高、大大降低了固化后车体结构内应力；真空袋和石英砂流体压力控制固化后复合材料树脂的孔隙率，提高结构的力学性能。该工艺方法为无热压罐成型工艺，为大型复合材料夹芯结构件的制备提供有效途径，具有制件成品率高，模具、加热、加压设备均可重复利用，是一种经济、高效的成型工艺方法。
采用碳纤维复合材料车体成型工艺生产的车体结构具有力学性能优异、轻量化、高比刚度、高比强度的特点；另外其具有较好的设计性：复合材料车体可按照车体受力状态，合理设计纤维铺层角度，可设计成不同厚度，满足结构不同部位强度要求。
附图说明
图1为“⊿”形芯子预成型体断面示意图；
图2为“口”形芯子预成型体断面示意图；
图3为车体预成型体断面示意图；
图4为芯子预成型体纵向剖面示意图；
图5为符合车体结构；
图6为图5的A放大图。
其中：1-车体、2-车体内壳、3-车体外壳、4-芯子预成型体、5-真空袋Ⅳ、6-芯子模具、7-真空袋Ⅰ、8-透气毡Ⅰ、9-可剥布Ⅰ、10-车体内壳成型模具、11-真空袋Ⅱ、12-透气毡Ⅱ、13-可剥布Ⅱ、14-可剥布Ⅲ、15-透气毡Ⅲ、16-真空袋Ⅲ，17-车体外壳成型模具、18-封堵块、19-石英砂。
具体实施方式
参照图1，本发明具体实施方式是提供一种高速列车用碳纤维复合材料车体成型工艺，其特征在于所述车体成型工艺包括如下步骤：
步骤一，芯子预成型：在“口”或者“⊿”形柔性芯子模具6外表面依次附着一层真空袋Ⅰ7、一层透气毡Ⅰ8和一层可剥布Ⅰ9，所述可剥布Ⅰ9外层铺叠碳纤维预浸料至所需厚度，制成“口”或者“⊿”形芯子预成型体4；其中所述“口”或者“⊿”形柔性芯子模具6为桶状，由四个或三个模具板两端固定组合而成，模具板可根据需要更换，并且每个芯子模具的模具板相对位置可调整；
步骤二，车体内壳预成型：车体内壳成型模具10约束于车体两端旋转工装，内壳成型模具10为柔性成型模具，其是由多个长条状的模具板围成的桶状结构，根据不同车型，模具板可更换部分或者全部，内壳成型模具表面用于约束车体的内表面形状，表面依次附着一层真空袋Ⅱ11、一层透气毡Ⅱ12和一层可剥布Ⅱ13，所述可剥布Ⅱ13外层铺叠碳纤维预浸料至所需厚度，构成车体内壳预成型体2；
步骤三，车体内壳2与芯子预成型体4连接：将步骤一芯子预成型体模具6两端约束于车体成型旋转工装，芯子预成型体4通过刚性芯子预成型体模具6粘接于车体内壳2表面，多个芯子粘预成型体4接在一起构成车体结构的芯层；
步骤四，车体外壳3预成型：在步骤三得到的所述芯层的外面铺叠碳纤维预浸料至所需厚度，构成车体外壳预成型体3，并在其外表面依次附着一层可剥布Ⅲ14、一层透气毡Ⅲ15和一层真空袋Ⅲ16；
步骤五，外壳成型模具17装夹在所述真空袋Ⅲ(16)表面，其内侧用于约束外壳预成型体外表面的形状；外壳成型模具17为柔性成型模具，其是由多个长条状的模具板围成的桶状结构，根据不同车型，模具板可更换部分或者全部；
步骤六，设置加热装置：采用清洗剂处理掉端部碳纤维表面树脂，裸露的碳纤维连接电极夹，用于预成型体加热，同时两端工装加持预成型体端部，用于控制预制件中纤维的平直度；
步骤七：芯子内填充石英砂：在芯子预成型体4一端安装封堵块18，在芯子内部空间内填充石英砂19，石英砂19和芯子模具6内壁之间用真空袋Ⅳ5隔开，并在芯子成型体4另一端安装封堵块18；
步骤八，预成型体内部抽真空：真空袋Ⅰ7、真空袋Ⅱ11和真空袋Ⅲ16每两个相邻真空袋之间都采用胶条密封粘接，仅留一个抽气口，抽取腔体内部空气至真空；
步骤九，芯子预成型体4内加压：车体两端的成型工装对芯子两端的封堵块18施加压力，使芯子预成型体4之间以及芯子预成型体4与车体内壳预成型体2、车体外壳预成型体3之间接触紧密，同时对车体预制成型体2、3、4端部沿车长方向施加拉伸载荷，控制预制件中纤维的平直度；
步骤十，预成型体固化：按照固化工艺曲线，采用电极夹加热车体预成型体2、3、4到预定温度，端部成型工装用于施加设定的压力，并保持适当时间，；
步骤十一，冷却：固化后的车体在空气中冷却，达到室温；
步骤十二，卸载成型工装的载荷，移除封堵块，排除掉芯子预成型体4内部的石英砂19；
步骤十三，移除模具：先移除外壳成型模具，再移除内壳成型模具；
步骤十四，取出复合材料车体1成品。
采用上述碳纤维复合材料车体成型工艺生产的车体，具有力学性能优异、轻量化、高比刚度、高比强度的特点。

Claims (7)

1.一种高速列车用碳纤维复合材料车体成型工艺，其特征在于，所述车体成型工艺包括如下步骤：
步骤一，芯子预成型：在“口”或者“⊿”形柔性芯子模具(6)外表面依次附着一层真空袋Ⅰ(7)、一层透气毡Ⅰ(8)和一层可剥布Ⅰ(9)，所述可剥布Ⅰ(9)外层铺叠碳纤维预浸料至所需厚度，制成“口”或者“⊿”形芯子预成型体(4)；
其中所述“口”或者“⊿”形柔性芯子模具(6)为桶状，由四个或三个模具板两端固定组合而成；
步骤二，车体内壳预成型：车体内壳成型模具(10)约束于车体两端旋转工装，其表面用于约束车体的内表面形状，表面依次附着一层真空袋Ⅱ(11)、一层透气毡Ⅱ(12)和一层可剥布Ⅱ(13)，所述可剥布外层铺叠碳纤维预浸料至所需厚度，构成车体内壳(2)预成型体；
步骤三，车体内壳与芯子预成型体连接：将步骤一芯子预成型体模具(6)两端约束于车体成型旋转工装，芯子预成型体(4)通过刚性芯子预成型体模具(6)粘接于车体内壳表面，多个芯子预成型体(4)粘接在一起构成车体结构的芯层，执行步骤四；
步骤四，车体外壳预成：在步骤三得到的所述芯层的外面铺叠碳纤维预浸料至所需厚度，构成车体外壳(3)预成型体，并在其外表面依次附着一层可剥布Ⅲ(14)、一层透气毡Ⅲ(15)和一层真空袋Ⅲ(16)；
步骤五，外壳成型模具(17)装夹在所述真空袋Ⅲ(16)表面，其内侧用于约束外壳预成型体外表面的形状；
步骤六，设置加热装置：采用清洗剂处理掉端部碳纤维表面树脂，裸露的碳纤维连接电极夹，用于预成型体加热，同时两端工装加持预成型体端部，用于控制预制件中纤维的平直度；
步骤七：芯子内填充石英砂：在芯子预成型体(4)一端安装封堵块(18)，在芯子内部空间内填充石英砂(19)，石英砂(19)和芯子模具(6)内壁之间用真空袋Ⅳ(5)隔开，并在芯子另一端安装封堵块(18)；
步骤八，预成型体内部抽真空：真空袋Ⅰ(7)、真空袋Ⅱ(11)和真空袋Ⅲ(16)每两个相邻真空袋之间都密封连接，仅留一个抽气口，抽取腔体内部空气至真空；
步骤九，芯子预成型体内加压：车体两端的成型工装对芯子预成型体(4)两端的封堵块(18)施加压力，使芯子预成型体(4)之间以及芯子预成型体(4)与车体内壳(2)、车体外壳(3)之间接触紧密；
步骤十，预成型体固化：按照固化工艺曲线，采用电极夹加热预成型体到预定温度，端部成型工装用于施加设定的压力，并保持适当时间；
步骤十一，冷却：固化后的车体在空气中冷却，达到室温；
步骤十二，卸载成型工装的载荷，移除封堵块(18)，排除掉中空芯子内部的石英砂(19)；
步骤十三，移除模具，先移除外壳成型模具，再移除内壳成型模具；
步骤十四，取出复合材料车体(1)成品。
2.根据权利要求1所述高速列车用碳纤维复合材料车体成型工艺，其特征在于，所述“口”或者“⊿”字形柔性芯子模具(6)的模具板可根据需要更换，并且每个芯子模具的模具板相对位置可调整。
3.根据权利要求1所述高速列车用碳纤维复合材料车体成型工艺，其特征在于，所述内壳成型模具(10)为柔性成型模具，其是由多个长条状的模具板围成的桶状结构，根据不同车型，模具板可更换部分或者全部。
4.根据权利要求1所述高速列车用碳纤维复合材料车体成型工艺，其特征在于，所述外壳成型模具(17)为柔性成型模具，其是由多个长条状的模具板围成的桶状结构，根据不同车型，模具板可更换部分或者全部。
5.根据权利要求1所述高速列车用碳纤维复合材料车体成型工艺，其特征在于，真空袋Ⅰ(7)、真空袋Ⅱ(11)和真空袋Ⅲ(16)每两个相邻真空袋之间采用胶条密封粘接。
6.根据权利要求1所述高速列车用碳纤维复合材料车体成型工艺，其特征在于，在进行步骤十时，对车体预制体(2、3、4)端部沿车长方向施加拉伸载荷，控制预制体(2、3、4)中纤维的平直度。
7.一种高速列车用碳纤维复合材料车体，其特征在于，所述车体(1)是根据权利要求1所述的高速列车用碳纤维复合材料车体成型工艺制造而成的。
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