CN117360561A - 一种整体式加筋复合材料车体结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种整体式加筋复合材料车体结构，承载车头罩、车身顶板、车身侧墙板均在车体长度方向设置T型纵向加强构件，在车体宽度方向设置环向帽型横向加强构件；纵向加强构件和横向加强构件采用共固化/共胶接工艺与其外侧的壁板蒙皮整体成型；车体顶板、侧墙板在车长方向使用T型纵向加强筋连接纵向接缝；使用帽型横向加强筋套装在车体顶板和车体侧墙板的横向加强构件外侧并连接成一个整体承载框；在承载车头罩和车身环向连接区域固定连接；在复合材料车身与铝合金底架连接区域固定连接。本发明提高了车体结构的整体性，通过共胶接/共固化方式整体成型，减少了后续装配的工作量，提高了大部件的生产效率，降低了制作成本。
Description
技术领域
本发明属于轨道车辆制造技术领域，尤其是涉及一种整体式加筋复合材料车体结构。
背景技术
现在高效、轻量化、环境友好成为高速列车的重要发展方向。因此，高速列车对于车体结构的轻量化和可靠性提出了更高的要求。
碳纤维复合材料作为一种新型的轻质高性能结构材料，在航空、航天等结构轻量化要求较高的领域都有着广泛的应用。近年来，在轨道车辆领域碳纤维复合材料的应用经历了从内装墙板、裙板、设备舱等次承载结构到车体、构架等主承载结构的发展过程。目前复合材料承载车体结构多采用泡沫或蜂窝芯材与碳纤维蒙皮组成的夹层结构形式，其固化历程较多、成型工艺较为复杂、连接结构的处理较为困难、可维修较差。同时，传统加筋壁板结构仅为单向增强结构，横向加强多为二次装配，零件数量多，装配过程复杂，不适合低成本连续化生产，严重制约了复合材料的应用和高速列车轻量化的发展。
发明内容
本发明旨在提供一种整体式加筋复合材料车体结构，保证了结构在纵、横向都具有较高的强度与刚度特性，同时大幅减少后续壁板结构的装配工作，提高了制造生产效率，降低了车辆生产制造成本，有效提高了车体主承载结构在车辆运行全寿命周期内的可靠性和使用成本。
为实现上述发明目的，本发明提供一种整体式加筋复合材料车体结构，其特征在于：包括复合材料的承载车头罩、复合材料的车身顶板、复合材料的车身侧墙板、车体端墙和铝合金底架；承载车头罩、车身顶板、车身侧墙板均在车体长度方向设置T型纵向加强构件，在车体宽度方向设置环向帽型横向加强构件；纵向加强构件和横向加强构件采用共固化工艺与其外侧的壁板蒙皮整体成型；车体顶板、侧墙板在车长方向的纵向连接，使用T型纵向加强筋连接纵向接缝；使用帽型横向加强筋套装在车体顶板和车体侧墙板的横向加强构件外侧并连接成一个整体承载框；在承载车头罩和车身环向连接区域，设置增强带板和横向设置C型环向连接加强框固定连接，在底部有纵向加强筋通过位置加工出避让开口，使用Z型连接件设置在车身、车头罩的T型纵向加强筋一侧平面并与车体固定；在复合材料车身与铝合金底架连接区域，使用通长的碳纤维复合材料L型连接板将车身侧墙板与铝合金底架固定连接。
进一步地，所述横向加强构件为帽型泡沫夹层复合材料加强筋，在与T型纵向加强构件交错位置，按T型加强筋开口，帽型加强筋的高度高于T型加强筋截面最大高度20-50mm。
进一步地，所述T型加强筋开口处做封边补强铺层。
进一步地，还包括开口加强框和加强角片，在车体顶板的空调口、窗口的开口区域，设置开口加强框对开口位置进行补强，开口加强框结构断面可以为L型或C型，开口加强框与车体顶板通过连接加强角片固定连接，在开口加强框连接区域，需要对壁板蒙皮使用局部增强铺层进行局部补强。
进一步地，还包括侧墙与底架连接角片，侧墙与底架连接角片是形状与侧墙与底架转角形状贴合的三角加强筋，侧墙与底架连接角片连接车身侧壁板的横向加强构件与铝合金底架。
进一步地，还包括整体加强门框、L型连接板和连接角盒，整体加强门框与车身侧墙板的纵向加强构件采用Z型连接件固定连接，整体加强门框与横向加强构件采用L型连接板固定连接，整体加强门框下端与铝合金底架通过三角形的连接角盒固定连接。
与现有技术相比，本发明的优点是：
(1)整体式加筋复合材料壁板保证了加筋壁板在纵向与横向的同时连续性，相较于传统单向加筋壁板结构，提高了结构的整体性，通过共胶接/共固化方式整体成型，减少了后续装配的工作量，提高了大部件的生产效率，降低了制作成本。
(2)整体式加筋复合材料壁板可以充分发挥复合材料可设计性强都优势。应用拓扑优化技术，便于对加强构件进行合理的布局和分配。应用尺寸优化技术和铺层优化技术，便于对蒙皮的铺层厚度和角度比例进行调整，在结构承载效率高的区域增加蒙皮厚度和单向铺层占比。同时，相较于传统夹层结构，整体式加筋复合材料壁板蒙皮的变厚度设计并不会对加强构件和整体式壁板的设计和生产增加额外的技术难度。
(3)在车体等直段部分，纵向加强筋、Z型连接件均采用模块化设计，并使用织物拉挤成型工艺，实现复合材料制件的连续化、自动化生产，有效地提高了加强构件的生产效率。
(4)车体横向加强构件采用泡沫芯材支撑的帽型加强筋的形式，可以使用在平板上完成的人工铺贴+热隔膜预成型或自动铺带+热隔膜成型的半自动化、自动化预成型预制体的方式，快速完成带曲率的横向加强构件的成型。
(5)相较于传统夹层结构，在窗口、门口以及部件之间的连接，可以使用纵向、横向连接件，形成连续的整体传力通路，有效的提高了结构的承载能力和连接可靠性，降低车体结构重量。
(6)相较于传统夹层结构，整体式加筋复合材料壁板在制件的可维修性上有较大的优势，当出现冲击、碰撞等常见损伤时，可以通过内部加强板进行快速的补强，并且由于结构开敞性好，补强结构与主体结构的密封处理更加方便，可以有效避免因维修带来的水密性降低等问题。
(7)整体式加筋复合材料壁板有较多的内部操作空间，便于后续防寒材、吸音材的布置。对于后续内装结构的变更有较好的适应性，便于后续现车加改，内部连接结构可以依托纵、横加强构件直接实现。
附图说明
图1为高速列车车头结构部件划分示意图；
图2为复合材料车头罩整体加筋壁板结构图；
图3为复合材料车身顶板整体加筋壁板结构图；
图4为复合材料侧墙板整体加筋壁板结构图；
图5为纵横筋交错位置结构图；
图6为整体式壁板纵向加强构件定位示意图；
图7为横向加强筋热隔膜预成型示意图；
图8为车体开口位置连接及加强结构图；
图9为顶板侧墙板纵向连接结构图；
图10为车头罩车身部件横向连接结构图；
图11为横向连接结构细节结构图；
图12为侧墙底架连接结构图；
图13为门框加强结构图；
其中：1、承载车头罩；2、车身顶板；3、车身侧墙板；4、车体端墙；5、铝合金底架；11、纵向加强构件；12、横向加强构件；13、封边补强铺层；14、开口加强框；15、壁板蒙皮；16、局部增强铺层；17、横向加强构件铺层；18、泡沫支撑芯材；19、整体加强门框；20、成型模具；21、平板模具；30、聚四氟乙烯销钉；31、热隔膜板；40、加强角片；50、T型纵向加强筋；51、帽型横向加强筋；52、加强框；53、增强带板；54、Z型连接件；55、侧墙与底架连接角片；56、连接角盒；57、L型连接板。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种整体式加筋复合材料车体结构做进一步详细的描述。
本发明设计了一种整体式加筋复合材料车体结构，通过拓扑优化和尺寸优化，确定加强构件的布置。通过模块化设计，选用适合自动化/半自动化生产的结构形式，将壁板蒙皮、加强构件、连接件设计为可使用自动铺丝、自动铺带、热隔膜成型、拉挤成型和模压成型的结构样式，采用预浸料非热压罐共固化/共胶接等一体化成型的制造工艺，形成满足车体结构/功能要求的主承载结构。
如图1所示，按车体功能及承载特点，充分发挥复合材料、金属材料各自的性能优势，将车体划分为复合材料的承载车头罩1、复合材料的车身顶板2、复合材料的车身侧墙板3、车体端墙4和铝合金底架5等部件。
如图2-图4所示，承载车头罩1、车身顶板2、车身侧墙板3均采用整体式加筋壁板结构，在车体长度方向设置T型纵向加强构件11，在车体宽度方向设置环向帽型横向加强构件12。纵向加强构件11和横向加强构件12采用共固化/共胶接工艺与其外侧的车体蒙皮整体成型，从而减少了加强构件与蒙皮之间的机械连接，并保证蒙皮、纵向加强构件、横向加强构件在各方向上的结构强度/刚度的连续性。
如图5所示，T型纵向加强构件11采用拉挤连续成型工艺。加强筋截面形式按整体尺寸优化结果及加强构件承载需要，分区域按通用模块化设计。横向加强构件12为帽型泡沫夹层复合材料加强筋，在与T型纵向加强构件11交错位置，按T型加强筋开口，帽型加强筋的高度高于T型加强筋截面最大高度20-50mm。在T型加强筋开口处做封边补强铺层13，以实现壁板加强筋在纵向和横向同时保证结构刚度的连续性。
如图6所示，T型纵向加强构件11在共胶接成型时需保证足够的位置精度，通过在成型模具20上预留Φ4mm-Φ6mm的定位基准孔(一般使用后续装配时边缘孔位作为基准孔)。拉挤成型后的T型纵向加强构件11使用加工型架在相应位置加工出定位开孔。在壁板蒙皮铺贴时，先将聚四氟乙烯销钉30放置在成型模具20预留的定位孔中，再进行壁板蒙皮15铺贴，蒙皮铺贴完成后将T型纵向加强构件11的预制开孔与聚四氟乙烯销钉30对齐，完成T型纵向加强构件11的定位，保证T型纵向加强构件11的位置精度。
如图7所示，横向加强构件采用泡沫作为支撑芯材的帽型结构，芯材为PMI泡沫或高性能PET泡沫，按尺寸优化结果确定截面大小，并统一帽型支撑芯材规格，该结构形式有利于模块化、批量化生产。横向加强构件铺层17在平板模具21上使用自动铺带机或人工铺层的方式完成铺贴，平板铺贴完成后转移到热隔膜机31上使用热成型工艺将平板铺层贴合泡沫支撑芯材18，完成帽型预制体的制备。热成型完成后，将帽型预成型体转移到壁板铺贴工装上并嵌入T型加强筋，完成铺贴准备。打袋、固化后得到整体式加筋复合材料壁板。
如图8所示，在车体顶板2的空调口、窗口等开口区域，采用开口加强框14对开口位置进行补强，开口加强框为碳纤维复合材料层压板结构，加强框根据其连接及强度需要，其结构断面可以为L型或C型。通过将预先固化成型的开口加强框14与车体顶板2通过连接加强角片40的形式进行连接，连接加强角片为L型碳纤维复合材料层压板结构，在开口加强框14连接区域，需要对壁板蒙皮15使用局部增强铺层16进行局部补强，以提高开口连接区域的承载能力。按连接区域强度要求，连接方式可以为紧固件机械连接，也可以为结构胶胶接连接。开口加强框与壁板的纵、横加强构件形成直接的传力通路，保证面内刚度与面外刚度的连续性，提高结构的整体承载能力。
如图9所示，车体顶板2、侧墙板3在车长方向的纵向连接，采用对接或搭接的形式，使用碳纤维复合材料层压板T型纵向加强筋50连接纵向接缝及补强。使用碳纤维复合材料层压板帽型横向加强筋51套装在车体顶板2和车体侧墙板3的横向加强构件12外侧并连接成一个整体承载框。车长方向的纵向连接均采用铆钉或螺栓的紧固件机械连接，确保大部件的连接可靠性，同时，大部件中的加强构件形成连续的传力通路，共同形成桶形整体式承载车身，提高结构承载效率。使用搭接连接形式，并在内外侧接缝处涂敷密封胶还可以有效的降低车体内部漏水风险。
如图10和图11所示，在承载车头罩1和车身环向连接区域，使用增强带板53、C型环向连接加强框52进行连接，其中增强带板53为碳纤维复合材料层压板结构，C型环向连接加强框52为碳纤维复合材料C型层压板结构，在底部有纵向加强筋通过位置加工出避让开口，避让开口边缘与加强筋上端的间隙应不小于20mm。同时，使用Z型连接件54，使用Z型连接件54设置在车身、车头罩的T型纵向加强筋11一侧平面并与车体通过铆钉或螺栓进行机械连接，最终使车头罩、车身形成纵、横向面内、面外刚度连续承载结构，提高了整车的抗弯能力与抗扭转能力。
如图12所示，在复合材料车身与铝合金底架5连接区域，使用通长的碳纤维复合材料L型连接板57将车身侧壁板的蒙皮与铝合金底架使用铆钉或螺栓进行机械连接，保证车身侧壁板与底架的纵向连接强度。使用碳纤维复合材料侧墙与底架连接角片55连接车身侧壁板的横向加强构件12与铝合金底架，并使用铆钉或螺栓进行机械连接，侧墙与底架连接角片55形状与侧墙与底架转角形状贴合的三角加强筋，保证车身侧壁板与底架的横向连接强度。
如图13所示，在车体门口等高应力区域，通过碳纤维复合材料Z型连接件54将预先固化成型的碳纤维复合材料整体加强门框19与车身侧墙板3的纵向加强构件11进行机械连接，通过碳纤维复合材料L型连接板55将碳纤维复合材料整体加强门框19与车身侧墙板3的横向加强构件12进行机械连接，通过铝合金底部三角形的连接角盒56将碳纤维复合材料整体加强门框19下端与铝合金底架5进行机械连接。最终在门口区域形成连续的整体式承载结构，通过多组件机械连接的方式，可以进行安装的补偿和调节，以保证车门等复杂连接机构的安装精度，同时提高高应力区域的承载能力。
Claims (7)
1.一种整体式加筋复合材料车体结构，其特征在于：包括复合材料的承载车头罩(1)、复合材料的车身顶板(2)、复合材料的车身侧墙板(3)、车体端墙(4)和铝合金底架(5)；承载车头罩(1)、车身顶板(2)、车身侧墙板(3)均在车体长度方向设置T型纵向加强构件(11)，在车体宽度方向设置环向帽型横向加强构件(12)；纵向加强构件(11)和横向加强构件(12)采用共固化工艺与其外侧的壁板蒙皮(15)整体成型；车体顶板(2)、侧墙板(3)在车长方向的纵向连接，使用T型纵向加强筋(50)连接纵向接缝；使用帽型横向加强筋(51)套装在车体顶板(2)和车体侧墙板(3)的横向加强构件(12)外侧并连接成一个整体承载框；在承载车头罩(1)和车身环向连接区域，设置增强带板(53)和横向设置C型环向连接加强框(52)固定连接，在底部有纵向加强筋通过位置加工出避让开口，使用Z型连接件(54)设置在车身、车头罩的T型纵向加强筋(11)一侧平面并与车体固定；在复合材料车身与铝合金底架(5)连接区域，使用通长的碳纤维复合材料L型连接板(57)将车身侧墙板(3)与铝合金底架固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种整体式加筋复合材料车体结构，其特征在于：所述横向加强构件(12)为帽型泡沫夹层复合材料加强筋，在与T型纵向加强构件(11)交错位置，按T型加强筋开口，帽型加强筋的高度高于T型加强筋截面最大高度20-50mm。
3.根据权利要求2所述的一种整体式加筋复合材料车体结构，其特征在于：所述T型加强筋开口处做封边补强铺层(13)。
4.根据权利要求1所述的一种整体式加筋复合材料车体结构，其特征在于：纵向加强构件(11)和横向加强构件(12)与其外侧的壁板蒙皮(15)整体成型替换为共胶接工艺成型。
5.根据权利要求1所述的一种整体式加筋复合材料车体结构，其特征在于：还包括开口加强框(14)和加强角片(40)，在车体顶板(2)的空调口、窗口的开口区域，设置开口加强框(14)对开口位置进行补强，开口加强框(14)结构断面可以为L型或C型，开口加强框(14)与车体顶板(2)通过连接加强角片(40)固定连接，在开口加强框(14)连接区域，需要对壁板蒙皮(15)使用局部增强铺层(16)进行局部补强。
6.根据权利要求1所述的一种整体式加筋复合材料车体结构，其特征在于：还包括侧墙与底架连接角片(55)，侧墙与底架连接角片(55)是形状与侧墙与底架转角形状贴合的三角加强筋，侧墙与底架连接角片(55)连接车身侧壁板的横向加强构件(12)与铝合金底架。
7.根据权利要求1所述的一种整体式加筋复合材料车体结构，其特征在于：还包括整体加强门框(19)、L型连接板(55)和连接角盒(56)，整体加强门框(19)与车身侧墙板(3)的纵向加强构件(11)采用Z型连接件(54)固定连接，整体加强门框(19)与横向加强构件(12)采用L型连接板(55)固定连接，整体加强门框(19)下端与铝合金底架(5)通过三角形的连接角盒(56)固定连接。
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