[发明专利]一种全复合材料城轨车辆蒙皮、铝合金底架及连接装置

说明书

本发明公开了一种全复合材料城轨车辆蒙皮、铝合金底架及连接装置，自上而下依次设置有Glass/Phenol Face、Nomax蜂窝防火材料层、铝箔纸、第一玻璃纤维复合材料层、第一碳纤维复合材料层、泡沫、第二碳纤维复合材料层、第二玻璃纤维复合材料层；泡沫内部设置有碳纤维加强筋。本发明解决了现阶段复合材料车体的减重不明显、防火性能差和热稳定性差的问题，树脂体系本身具有的难燃，防火性能优异，热稳定性好的特点。与传统的环氧树脂体系相比更适合作为与纤维复合的基体材料，同时蒙皮之间填充的防火泡沫可以使得车体局部刚度提高，进一步减重的目前提下又车体提高防火隔热性能。

技术领域

本发明属于城轨车辆蒙皮技术领域，尤其涉及一种全复合材料城轨车辆蒙皮、铝合金底架及连接装置。

背景技术

复合材料广泛应用于航空航天、汽车、船舶、能源、建筑、化工、体育等众多行业；在结构设计中应用比重越来越大，空客设计的A380飞机复合材料占50％以上。到目前为止全复合材料车体还没有文献可查，国内轨道交通车辆车体结构以金属材料设计为主；国内正开展的碳纤维复合材料在轨道车辆上的应用研究，但目前侧重点在某些部件的替换上，没有整体碳纤维车体的研发。而复合材料车体蒙皮相区别与传统的不锈钢或者铝合金车体的结构有很大不同，复合材料蒙皮的夹芯结构具有弯曲刚度高、质量轻以及优异的隔热减震等性能，是较为常用的复合材料结构形式。典型的三明治夹芯结构由夹芯和两层面板及黏接层组成。同时，采用现阶段的成熟的铝合金底架与复合材料车体上部分组合形式，设计出两者的连接方式。韩国铁道科学研究院(KRRI)着手研制的运营速度为180km/h的TTX摆式列车。该车车体采用不锈钢增强骨架，侧墙体和顶盖采用铝蜂窝夹芯，蒙皮采用碳纤维增强复合材料构成三明治结构。为便于安装辅助设备，底架采用不锈钢材料。车体外壳总质量可比铝合金结构降低40％，较传统的不锈钢车体结构降低28％。车体的静强度、疲劳强度、防火安全性、模态特性等各项性能指标完全满足设计要求。TTX摆式列车碳纤维复合材料车体在设计时，车体与铝合金底架之间则采用了铆接、胶接及焊接相混合的连接形式，以提高连接的可靠性。全复合材料车体的侧墙与铝合金底架无法通过传统的不锈钢车体或者铝合金车体的焊接的方式实现载荷的传递，为此需要专门设计出满足复合材料加工工艺和车体结构动力学要求的连接方法。为了满足车体的轻量化设计，车体必须具有性能好，结构简单，舒适度高，耐腐蚀性好，防火性能优异等特点。整备车的重量分配比例如下：车身重量占36％，其次是车载设备，约占29％，然后是内部装饰占16％。车载设备一般没有多少减重空间，于是，轻量化的重点主要是在车身车体，而车身车体主要部分是蒙皮结构，现阶段无论是不锈钢车体还是铝合金的设计都已经达到了极限，而复合材料因其优异的特性而受到各领域重视。当前的国外内的车体仅是在部分结构上替换成复合材料，车体蒙皮内部的加强筋等结构还是采用的不锈钢等传统材料，所以复合材料车体蒙皮的结构设计方法在车体轻量化方面还不够明显，与传统的不锈钢与铝合金车体相比并未显示出明显的优势，其次现阶段的复合材料采用的树脂体系大部分是环氧树脂，环氧树脂本身的防火性能，热稳定性差问题也是尚未很好解决的问题。复合材料强度和刚度的各向异性，以及复合材料层间强度较低、延展性小等特点，致使复合材料连接部位的设计与分析要比金属连接复杂，因而，复合材料结构设计的关键技术是连接强度。

综上所述，现阶段的复合材料存在防火性能差，热稳定性差；复合材料层间强度较低、延展性小，致使复合材料连接部位的设计与分析要比金属连接复杂，全复合材料车体的侧墙与铝合金底架无法通过传统的不锈钢车体或者铝合金车体的焊接的方式实现载荷的传递，车体的连接方式及强度是车体轻量化方面的关键性问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全复合材料城轨车辆蒙皮、铝合金底架及连接装置，旨在解决现阶段的复合材料存在防火性能差，热稳定性差；复合材料层间强度较低、延展性小，致使复合材料连接部位的设计与分析要比金属连接复杂，全复合材料车体的侧墙与铝合金底架无法通过传统的不锈钢车体或者铝合金车体的焊接的方式实现载荷的传递，在车体轻量化方面的关键性的问题。