一种碳纤维复材车体结构及轨道列车

技术领域

本申请涉及轨道交通技术领域，特别涉及一种碳纤维复材车体结构及轨道列车。

背景技术

车体结构是轨道列车的重要承载结构，传统的高速动车组的车体结构通常采用铝合金型材组焊，随着对轨道列车轻量化性能要求的提高，碳纤维复材以其高比强度、比模量、耐腐蚀性能等特点成为优于铝合金型材的选择。

目前，在碳纤维复材车体结构上，需要针对车体结构的不同部位设计和制造对应的碳纤维型材，比如车顶碳纤维型材、侧墙碳纤维型材和底架地板碳纤维型材，因此在同一类碳纤维复材车体结构上有多种的型材种类，增加了碳纤维复材车体结构的制造成本，延长了碳纤维复材车体结构的出厂周期。

发明内容

本申请的目的是提供一种碳纤维复材车体结构，车体断面采用全碳纤维拉挤型材，实现车体的轻量化，且利用车体断面型材的互换性，减少型材种类，实现制造成本的降低和出厂周期的缩短。本申请的另一目的是提供一种包括碳纤维复材车体结构的轨道列车。

为实现上述目的，本申请提供一种碳纤维复材车体结构，包括车体侧墙单元、车体车顶单元和车体底架单元，所述车体侧墙单元包括侧墙框架以及与所述侧墙框架组装为一体的碳纤维型材，所述车体车顶单元包括车顶框架以及与所述车顶框架组装为一体的碳纤维型材，所述车体底架单元包括底架框架以及与所述底架框架组装为一体的碳纤维型材，所述侧墙框架、所述车顶框架与所述底架框架中的碳纤维型材的断面统一且可实现互换。

在一些实施例中，所述车体车顶单元上集成有风道和行李架，所述风道与所述车体车顶单元顶面上的碳纤维结构固化后连接为一体，所述行李架与所述车体车顶单元侧弧面上的碳纤维结构固化后连接为一体。

在一些实施例中，所述车体底架单元上集成有车下纵向线槽，所述车下纵向线槽与所述车体底架单元底面上的碳纤维结构固化后连接为一体；所述车下纵向线槽的延伸方向与所述碳纤维复材车体结构的长度方向相同，多条所述车下纵向线槽沿所述碳纤维复材车体结构的宽度方向间隔设置；所述车体侧墙单元的下部固化车内纵向线槽。

在一些实施例中，所述车体底架单元包括底架地板以及沿所述碳纤维复材车体结构的宽度方向设置在所述底架地板两端的底架边梁；所述车体底架单元上集成有横向隔板，所述横向隔板与所述底架边梁和所述底架地板连接；所述横向隔板的延伸方向与所述碳纤维复材车体结构的宽度方向相同，多个所述横向隔板沿所述碳纤维复材车体结构的长度方向间隔设置。

在一些实施例中，所述车体侧墙单元的底端设置有与所述底架边梁安装的侧墙安装结构，所述侧墙安装结构包括侧板和底板，所述侧板与所述底板之间形成定位角，所述定位角与所述底架边梁的斜角配合。

在一些实施例中，所述底架边梁的外部底面设置有第一侧延伸板，所述第一侧延伸板支撑所述底架地板的底面；所述底架边梁的外部顶面设置有安装槽，所述安装槽用于供所述底架地板的第二侧延伸板伸入，且所述第二侧延伸板伸入所述安装槽后的上表面与所述底架边梁的外部顶面的上表面平齐；所述底板压合于所述底架边梁的外部顶面，且所述底板、所述第二侧延伸板和所述底架边梁的外部顶面同时通过紧固组件穿过实现连接；所述第一侧延伸板与所述底架地板的底面、所述侧板与所述底架边梁的侧面均通过紧固件连接。

在一些实施例中，所述底架边梁的内部设置有气密筋，所述气密筋围合形成有气密型腔；所述紧固组件包括螺栓和铆钉，所述铆钉穿过所述底板、所述第二侧延伸板和所述底架边梁的外部顶面后伸入所述气密型腔中，所述螺栓穿过所述底板、所述第二侧延伸板和所述底架边梁的外部顶面后伸入所述底架边梁的实心结构。

在一些实施例中，所述碳纤维型材由多个拉挤型材单体组成，所述拉挤型材单体间采用公母头插接配合，且作为型材插接公头的拉挤型材单体上设置有定位凹槽和鱼骨斜齿凹槽，作为型材插接母头的拉挤型材单体上设置有定位凸块和斜向骨筋，所述定位凸块与所述定位凹槽配合，所述斜向骨筋与所述鱼骨斜齿凹槽配合。

在一些实施例中，所述车体侧墙单元上设置有等截面变刚度异型梁，所述等截面变刚度异型梁沿所述碳纤维复材车体结构的长度方向间隔设置，所述等截面变刚度异型梁位于所述车体侧墙单元中的两窗口间；所述等截面变刚度异型梁包括碳纤维复合材料的外皮，所述外皮围合形成的内槽中填充有不同刚度的内芯。

本申请还提供了一种轨道列车，包括上述碳纤维复材车体结构。

相对于上述背景技术，本申请所提供的碳纤维复材车体结构包括车体侧墙单元、车体车顶单元和车体底架单元，车体侧墙单元包括侧墙框架以及与侧墙框架组装为一体的碳纤维型材，车体车顶单元包括车顶框架以及与车顶框架组装为一体的碳纤维型材，车体底架单元包括底架框架以及与底架框架组装为一体的碳纤维型材，侧墙框架、车顶框架与底架框架中的碳纤维型材的断面统一且可实现互换。

在该碳纤维复材车体结构的制造过程中，因为车体侧墙单元、车体车顶单元和车体底架单元中存在断面统一且可实现互换的碳纤维型材，所以针对这一部分碳纤维结构，仅需设计和制造一种型材，从而将这一种型材即碳纤维型材适用于车体侧墙单元、车体车顶单元和车体底架单元中的任一车体单元中，从而实现同一种碳纤维型材在不同车体单元中的通用适配性。结合上述结构及过程说明，可以看到，该碳纤维复材车体结构至少具有以下有益效果：该碳纤维复材车体结构的车体断面采用全碳纤维拉挤型材，实现车体的轻量化，且利用车体断面型材的互换性，减少型材种类，实现制造成本的降低和出厂周期的缩短。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的碳纤维复材车体结构的结构示意图；

图2为图1中车体侧墙单元与车体底架单元连接处的放大结构图；

图3为本申请实施例提供的作为型材插接公头的拉挤型材单体的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的作为型材插接母头的拉挤型材单体的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的型材插接公头和型材插接母头插接的结构示意图。

其中：

1、车体侧墙单元；101、侧墙框架；1011、侧墙安装结构；10111、侧板；10112、底板；

2、车体车顶单元；201、车顶框架；

3、车体底架单元；301、底架框架；3011、底架地板；30111、第二侧延伸板；3012、底架边梁；30121、第一侧延伸板；30122、安装槽；30123、气密筋；30124、气密型腔；

4、碳纤维型材；401、定位凹槽；402、鱼骨斜齿凹槽；403、定位凸块；404、斜向骨筋；

5、风道；6、行李架；7、车下纵向线槽；8、车内纵向线槽；9、横向隔板；10、等截面变刚度异型梁；11、螺栓；12、铆钉。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。

针对现有技术方案中需要在同一类碳纤维复材车体结构上设计和制造多种型材种类所带来的制造成本高和出厂周期长的问题，本申请提供了一种碳纤维复材车体结构，请参考图1，图1为本申请实施例提供的碳纤维复材车体结构的结构示意图。

如图1所示，本申请实施例提供的碳纤维复材车体结构主要包括车体侧墙单元1车体车顶单元2和车体底架单元3，车体侧墙单元1包括侧墙框架101以及与侧墙框架101组装为一体的碳纤维型材4，车体车顶单元2包括车顶框架201以及与车顶框架201组装为一体的碳纤维型材4，车体底架单元3包括底架框架301以及与底架框架301组装为一体的碳纤维型材4，侧墙框架101车顶框架201与底架框架301中的碳纤维型材4的断面统一且可实现互换。

在本实施例中，车体断面采用全碳纤维拉挤型材，且利用车体断面型材的互换性，减少型材种类，增加安全性且降低制造成本；车顶中部，侧墙窗口区域，底架地板型材断面统一，实现可互换使用，因为车体不同部位断面的可互换性，所以降低了车体制造成本。

在该碳纤维复材车体结构的制造过程中，因为车体侧墙单元1车体车顶单元2和车体底架单元3中存在断面统一且可实现互换的碳纤维型材4，所以针对这一部分碳纤维结构，仅需设计和制造一种型材，从而将这一种型材即碳纤维型材4适用于车体侧墙单元1车体车顶单元2和车体底架单元3中的任一车体单元中，从而实现同一种碳纤维型材4在不同车体单元中的通用适配性。结合上述结构及过程说明，可以看到，该碳纤维复材车体结构至少具有以下有益效果：该碳纤维复材车体结构的车体断面采用全碳纤维拉挤型材，实现车体的轻量化，且利用车体断面型材的互换性，减少型材种类，实现制造成本的降低和出厂周期的缩短。

请继续参考图1，在一种具体的实施方式中，本方案中充分利用复合材料的二次固化功能，减少车体结构部类数量，减少大部类连接，有利于车体气密性提高，利于批量化生产。

具体而言，在一些实施例中，车体车顶单元2上集成有风道5和行李架6，风道5与车体车顶单元2顶面上的碳纤维结构固化后连接为一体，行李架6与车体车顶单元2侧弧面上的碳纤维结构固化后连接为一体。

在本实施例中，通过充分利用碳纤维可多次固化的优势，将传统分离的风道5和行李架6集成于车体结构上，既提高了车体的刚度强度，又减少了后续检修维护工作。另外，本申请方案相当于是在车顶提前集成部分风道、行李架(与复材车顶固化成型)，在结构功能方面：既满足风道和行李架功能，更有利于轻量化的设计；在提高生产效率方面：由于把车辆制造过程中后工序的部件(风道、行李架)提前集成到单个大部类上，生产工序可以提前，有利于标准化、模块化、自动化生产的开展。

在此基础上，本申请实施例进一步将其他功能件进行在车体结构上的集成。

在一些实施例中，车体底架单元3上集成有车下纵向线槽7，车下纵向线槽7与车体底架单元3底面上的碳纤维结构固化后连接为一体；车下纵向线槽7的延伸方向与碳纤维复材车体结构的长度方向相同，多条车下纵向线槽7沿碳纤维复材车体结构的宽度方向间隔设置；车体侧墙单元1的下部固化车内纵向线槽8。

在本实施例中，结合常导制式高速磁浮承载方式，将前述风道5、行李架6、车下纵向线槽7和车内纵向线槽8等功能件通过无开孔固定方式集成在车体结构上，减少了后续车体结构上的连接，避免了在车体型材进行开孔，尽可能保证碳纤维的连续性，从而提高车体气密性。另外，风道5固化在车顶部位，行李架6固化在侧顶圆弧处，车下纵向线槽7固化在底架下部，车内纵向线槽8固化在侧墙下部，这些功能件与车体一体化的结构设计还可以提高车体刚度及减少后续功能件维修。

请继续参考图1，在一些实施例中，车体底架单元3上集成有横向隔板9。

在本实施例中，车体底架单元3包括底架地板3011以及沿碳纤维复材车体结构的宽度方向设置在底架地板3011两端的底架边梁3012，横向隔板9与底架边梁3012和底架地板3011连接。

横向隔板9的延伸方向与碳纤维复材车体结构的宽度方向相同，多个横向隔板9沿碳纤维复材车体结构的长度方向间隔设置。通过底架下部集成吊挂横向隔板9，可以增加车体垂向及横向刚度，降低底架气密变形量，提高车体气密承载能力，同时减少后续功能件维修。

请继续参考图1，在一些实施例中，车体侧墙单元1上设置有等截面变刚度异型梁10，通过在断面内部固化等截面变刚度异型梁10提高车体法向刚度，进而通过等截面变刚度异型梁10与型材的不同组合可在保证车体具有足够的强度刚度前提下，满足轻量化要求。

在本实施例中，等截面变刚度异型梁10沿碳纤维复材车体结构的长度方向间隔设置，等截面变刚度异型梁10位于车体侧墙单元1中的两窗口间；等截面变刚度异型梁10包括碳纤维复合材料的外皮，外皮围合形成的内槽中填充有不同刚度的内芯，实现等截面变刚度异型梁10的变刚度。

需要说明的是，等截面变刚度异型梁10不是单纯为了提高车体刚度，而是通过变刚度设计将侧墙非窗口区域刚度设计为最低，目的使侧墙下部气密变形较大，从而减小关键接口区域(窗口、底架等)车体变形，达到平衡车体整体变形的目标。

在一些情况下，本申请实施例保留原有司机室承载结构，利用仿真拓扑优化车体断面使车顶中部，侧墙窗口区域，底架地板型材断面统一，型材间采用可防脱的快速装配插接接头，实现可互换使用。

作为可选的，车顶侧墙采用波浪形防脱快速接头，在车顶和侧墙连接接头损坏时，防止车顶向外脱出，增加安全性。

请参考图3至图5，其中，图3为本申请实施例提供的作为型材插接公头的拉挤型材单体的结构示意图，图4为本申请实施例提供的作为型材插接母头的拉挤型材单体的结构示意图，图5为本申请实施例提供的型材插接公头和型材插接母头插接的结构示意图。

在一种具体的实施方式中，拉挤型材间设计为无紧固件的纯胶粘鱼骨状防脱连接，型材间采用可防脱的快速装配插接接头。

具体而言，在一些实施例中，碳纤维型材4由多个拉挤型材单体组成，拉挤型材单体间采用公母头插接配合，且作为型材插接公头的拉挤型材单体上设置有定位凹槽401和鱼骨斜齿凹槽402，作为型材插接母头的拉挤型材单体上设置有定位凸块403和斜向骨筋404，定位凸块403与定位凹槽401配合，斜向骨筋404与鱼骨斜齿凹槽402配合。

在使用时，型材插接母头的定位凸块403之间形成开口，在型材插接母头与型材插接公头配合时，此处开口上下的定位凸块403变形后，形成一定角度，保证型材插接母头在开口扩张后能够与型材插接公头插接，插入到位后定位凸块403卡入定位凹槽401，斜向骨筋404卡入鱼骨斜齿凹槽402。需要注意的是，因为斜向骨筋404和鱼骨斜齿凹槽402的方向为顺着插入的方向和逆着拔出的方向，所以能够对型材插接母头与型材插接公头起到防脱的倒刺效果。

请参考图2，图2为图1中车体侧墙单元与车体底架单元连接处的放大结构图。

在一种具体的实施方式中，本申请方案中车体结构大部类间的快速定位可实现快速装配。

具体而言，在一些实施例中，车体侧墙单元1的底端设置有与底架边梁3012安装的侧墙安装结构1011，侧墙安装结构1011包括侧板10111和底板10112，侧板10111与底板10112之间形成定位角，定位角与底架边梁3012的斜角配合。通过侧墙安装结构1011与底架边梁3012的安装方式，可以看到车体侧墙单元1与车体底架单元3采用的是搭接方式。

更具体的，如图2所示，底架边梁3012的外部底面设置有第一侧延伸板30121，第一侧延伸板30121支撑底架地板3011的底面；底架边梁3012的外部顶面设置有安装槽30122，安装槽30122用于供底架地板3011的第二侧延伸板30111伸入，且第二侧延伸板30111伸入安装槽30122后的上表面与底架边梁3012的外部顶面的上表面平齐；底板10112压合于底架边梁3012的外部顶面，且底板10112第二侧延伸板30111和底架边梁3012的外部顶面同时通过紧固组件穿过实现连接；第一侧延伸板30121与底架地板3011的底面侧板10111与底架边梁3012的侧面均通过紧固件连接。

在本实施例中，车体侧墙单元1、车体车顶单元2和车体底架单元3彼此定位，然后通过紧固件或紧固组件实现固定，尤其是可以通过同一位置的紧固组件实现车体侧墙单元1、车体车顶单元2和车体底架单元3三者的固定，提高了装配效率。另外，边梁与侧墙及地板设计为铆接和螺栓连接通用接口，通过铆钉及螺栓的合理分布实现轻量化。

在此基础上，底架边梁3012的内部设置有气密筋30123，气密筋30123围合形成有气密型腔30124；紧固组件包括螺栓11和铆钉12，铆钉12穿过底板10112第二侧延伸板30111和底架边梁3012的外部顶面后伸入气密型腔30124中，螺栓11穿过底板10112第二侧延伸板30111和底架边梁3012的外部顶面后伸入底架边梁3012的实心结构。

在本实施例中，侧墙下部与底架边梁设计栓铆通用接口，在保证气密同时满足栓铆混合连接。内侧连接区域(紧固组件处)采用螺栓和铆钉的混合连接，根据车辆受力区域合理进行螺栓及铆钉的分配；外侧连接区域(紧固件处)采用铆接连接。其中，螺栓传递轴向力，铆钉传递剪切力，气密筋保证气密性。

本申请方案通过边梁内部型腔及筋板的合理设置，使在背面无法操作的情况下，通过在边梁立筋内安装钢丝螺套进行螺栓安装，保证了边梁型腔的气密性；铆接区域设置小断面型腔，在保证铆接的同时，通过型腔下部筋板保证其他型腔的气密性，通过螺栓和铆接的实现同时又保证了螺栓承受轴向力，铆接承受剪切力，保证设计的合理性。

通过上述问题的解决可实现在相同气密载荷条件下(±20000Pa)车体相对于铝合金结构减重30％。

本申请还提供了一种轨道列车，包括上述碳纤维复材车体结构。

在本实施例中，该轨道列车包括上述碳纤维复材车体结构，应具有上述碳纤维复材车体结构的全部有益效果；其中的碳纤维复材车体结构为一种可快速装配的高承载轻量化碳纤维复材车体结构，包括可互换的部分侧墙、车顶及底架双层碳纤维型材；包括车顶与侧墙波浪形防脱快速接头；包括底架边梁与地板及侧墙间L型快速装配接头，且此接头适应螺栓和铆钉的混合连接；包括沿车辆长度方向间隔一定间距分布多个横向吊挂隔板；包括沿车辆宽度方向间隔不同间距，在底架地板下部集成部分纵向线槽；包括沿车辆长度方向在两窗口间增加多个异型变刚度加强梁，侧墙下部集成部分沿车长方向的线槽。

需要注意的是，本申请中提及的诸多部件均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部件，其结构和原理都为本技术人员均可通过技术手册得知或通过常规实验方法获知。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本申请所提供的碳纤维复材车体结构及轨道列车进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。