一種新型車體門框一體化結構及成型方法與流程
2024-02-06 23:18:15
本發明屬於鐵路交通運輸領域，具體涉及一種軌道車輛車體門框結構設計及成型技術。
背景技術：
車門機構是軌道車輛運營過程中的一個非常重要的機構，尤其是地鐵、輕軌車輛，其運營過程中，車輛車門機構的開閉頻率非常高。車門機構能否順利開啟與閉合將直接影響車輛的運營品質以及乘客的安全性。
軌道車輛車體結構近似於一個長方體結構，在車門結構部位開設很大的矩形開口，由此導致在整個車體結構中，車門開口處屬於結構薄弱部位。軌道車輛在運營過程中由於線路條件、乘員載荷變化等因素會引起車體結構中門口處的結構變形。如果門口處結構變形較大，則容易導致車門機構出現卡頓、開閉異常等現象。為了儘量避免這種現象的出現，在軌道車輛車體結構設計中，車體門口處設置有門框結構。門框結構是車體結構中的一項非常重要的結構承載與傳力部件，車體門框結構必須滿足軌道車輛在各種極端惡略工況條件下運行所需的結構強度與剛度要求，才能滿足車門機構的正常運用。
傳統的軌道車輛車體結構中，車體門框結構主要採用矩形鋼管或者鋁型材進行加工製造。由於門框結構的高強度、高剛度要求，傳統的門框結構所選用的金屬管材的厚度尺寸比較大，增加了車體結構的整體重量。此外，傳統的金屬門框結構需要通過焊接工藝與車身整體結構實現連接。焊接操作工藝容易產生較大的焊接變形量，增加了門框結構乃至車體側牆結構的加工製作難度與工作量。焊接操作工藝還容易使結構內部產生殘餘應力，降低了局部結構強度。
車體結構輕量化是目前軌道車輛結構設計中的一項重點研究課題。新材料應用技術是一種常用的結構輕量化技術方案。但是，在傳統的軌道車輛結構設計當中，由於對新材料力學性能的信心不足以及相關設計經驗的缺乏，新材料在軌道車輛中的應用被局限於一些次要結構以及非承載結構當中，車體結構的輕量化效果不明顯。
目前，隨著碳纖維等新材料的力學性能的不斷提高，碳纖維等新型材料將在軌道車輛結構中得到更廣泛的應用。
技術實現要素：
為解決上述技術問題，本發明的目的是提供一種新型軌道車輛車體門框一體化結構及成型方法。
一種新型車體門框一體化結構，包括車體及門框，其特徵在於：在門框區域，車體的內、外蒙皮包裹著門框，形成車體門框一體化結構，車體除包裹著門框區域之外的斷面為內、外蒙皮中間填充蜂窩芯材的三明治結構，車體內、外蒙皮採用碳纖維預浸料材料連續鋪層而成，內、外蒙皮的接觸區域採用連續的碳纖維預浸料鋪層過渡或者碳纖維預浸料鋪層搭接，在門框右側下底面上且置於車體內、外蒙皮與蜂窩芯材之間插有一隔框，隔框為開口向右的U字形，由碳纖維預浸料鋪層構成，門框結構採用門框蒙皮、中間填充泡沫芯材的結構形式，門框蒙皮採用碳纖維預浸料連續鋪層結構。
一種新型車體門框一體化結構的成型方法，其特徵在於：所述的門框與車體結構之間的連接方式採用高溫加壓固化的整體成型方法，在門框結構區域，車體的內、外蒙皮包裹著門框，最終得到車體門框一體化結構；所述的車體的斷面形式為內、外蒙皮中間填充蜂窩芯材的三明治結構形式，所述的車體內、外蒙皮結構採用碳纖維預浸料材料連續鋪層初步成型，內、外蒙皮的接觸區域採用連續的碳纖維預浸料鋪層過渡或者碳纖維預浸料鋪層搭接處理實現過渡，所述的隔框結構成U字形，採用碳纖維預浸料鋪層初步成型，並利用熱壓罐工藝完成預成型；所述的車體門框一體化結構在內、外蒙皮初步成型，蜂窩芯材填充以及預成型的門框、隔框預埋工作完成後，在高溫爐內加壓固化最終成型。
所述的車體的內、外蒙皮均採用EV101/HFW200T-A3/42碳纖維預浸料，鋪層數量為9層，0º、±45º、90º碳纖維預浸料鋪層的比例依次為為28%、44%、28%，具體鋪層順序為(±45º)、(0º，90º)、(±45º)、(0º，90º)、 (0º，90º)、(±45º)、(0º，90º)、 (±45º)、(0º，90º)。
為保證車體結構的整體性與連續性，內、外蒙皮的每一層碳纖維鋪層在其材料邊緣處保留25-35mm的搭接區域。
本發明的優點和積極效果：
（1）本發明所述的車體門框一體化成型方法能夠保證門框結構與車體結構完全融於一體，保證了車體結構的連續性與整體性，提高結構的整體強度、剛度。
（2）本發明所述的車體門框一體化結構採用高溫加壓固化成型工藝，成型過程中結構變形量小，提高了門框結構的安裝使用精度，提高了車門結構的安全運行品質。
（3）本發明所述的車體門框一體化結構採用碳纖維複合材料以及泡沫、蜂窩芯材加工製作而成，有效得降低了車體結構重量，實現了車體結構輕量化的設計目標。
（4）本發明所述的門框結構以及車體門框一體化成型方法為首次在軌道車輛門框結構中應用，是一種全新的概念與設計，對未來軌道車輛輕量化設計以及新材料應用具有非常重要的推動作用。
附圖說明
圖1為傳統軌道車輛車體焊接門框結構示意圖；
圖2為本發明所述的門框結構示意圖；
圖3為本發明所述的隔框結構示意圖；
圖4為本發明所述的車體結構截面示意圖；
圖5為本發明所述的車體門框一體化結構示意圖。
具體實施方式
參閱圖1，傳統的軌道車輛車體門框結構主要包括矩形金屬門框1、車體結構2，兩者之間通過焊縫3連接。
參閱圖2，本發明所述的門框結構，包括門框蒙皮4、泡沫芯材5。所述的門框蒙皮4採用的是EV101-2/HFW200T-A3碳纖維預浸料材料，結構厚度尺寸為3mm，所需的鋪層數量為13層，鋪層角度依次為(±45º)、(0º，90º)、(±45º)、(0º，90º)、 (±45º)、(0º，90º)、 (±45º)、(0º，90º)、 (±45º)、(0º，90º)、 (±45º)、(0º，90º)、 (±45º) ，0º、±45º、90º，碳纖維預浸料鋪層的比例依次為為23%、54%、23%。所述的泡沫芯材5採用的是110IH高密度PMI泡沫，截面尺寸為53mmx58mm。所述的門框結構在泡沫芯材5填充以及門框蒙皮4初步成型工作完成後，利用熱壓罐工藝完成預成型，預成型過程中的溫度為120℃，壓力為-0.3MPa。
參閱圖3，本發明所述的隔框結構6成U字形，採用的是EV101/ HFW200T-A3/42碳纖維預浸料材料，結構厚度尺寸為2mm，所需的鋪層數量為9層，鋪層角度依次為(±45º)、(0º，90º)、(±45º)、(0º，90º)、 (±45º)、(0º，90º)、 (±45º)、(0º，90º)、 (±45º) ，0º、±45º、90º碳纖維預浸料鋪層的比例依次為為22%、56%、22%，利用熱壓罐工藝完成預成型，預成型過程中的溫度為120℃，壓力為-0.3MPa。
參閱圖4，本發明所述的車體結構的主體截面厚度尺寸為37mm，其中內蒙皮7、外蒙皮9的厚度均為2mm，蜂窩芯材8的厚度為33mm。車體內蒙皮7、外蒙皮9採用的是EV101/HFW200T-A3/42碳纖維預浸料，所需的鋪層數量為9層，鋪層角度依次為(±45º)、(0º，90º)、(±45º)、(0º，90º)、 (0º，90º)、(±45º)、(0º，90º)、 (±45º)、(0º，90º)，0º、±45º、90º碳纖維預浸料鋪層的比例依次為為28%、44%、28%。車體內蒙皮7、外蒙皮9的接觸區域的碳纖維預浸料鋪層保持連續。所述的蜂窩芯材8採用的是國產NOMEX蜂窩，具有一定的隔音、降噪性能。
參閱圖5，本發明所述的車體門框一體化結構在車體內蒙皮7、外蒙皮9初步成型，蜂窩芯材8填充以及預成型的門框結構、隔框結構6預埋工作完成後，在高溫爐內加壓固化最終成型，成型溫度為120℃、壓力為-0.4MPa。
本發明所述的車體門框一體化結構及其成型方法，將應用於下一代地鐵項目碳纖維車體結構中。該結構較之傳統的金屬門框結構形式，能夠實現減重約40%，實現了車體結構輕量化的設計目的。