一种低成本工艺成型的碳纤维复合材料地铁车身及其制造方法与流程

本发明涉及地铁车辆技术领域，特别是一种低成本工艺成型的碳纤维复合材料地铁车身及其制造方法，以达到地铁车体轻量化的目的。

背景技术：

地铁车体是用于容纳旅客、司乘人员、行李等和安装各种设备的部件，由转向架支撑，主要起承载作用，是轨道车辆的主要组成部分。现有的地铁车体多使用金属材料，车身由两侧墙和车顶三部分组成，它存在重量大，成本高，耗能大，耐腐蚀性差，使用周期短等缺点；一般车体承载结构的重量约占车辆总重的20%-25%，因此，有效的减轻车体的重量，达到车体轻量化的目的具有重要意义。

碳纤维复合材料由于具有高比强度和高比模量，密度小，耐高温，耐腐蚀，抗腐蚀，热膨胀系数低等优点，在轨道交通领域的应用得到了很大的发展。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种低成本工艺成型的碳纤维复合材料地铁车身及其制造方法，解决了现有车身重量大，耐腐蚀性差，抗疲劳性能差，使用周期短等缺点，达到车体轻量化的目的。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明是一种低成本工艺成型的碳纤维复合材料地铁车身，包括碳纤维外蒙皮、碳纤维内蒙皮、铺设在碳纤维外蒙皮与碳纤维内蒙皮之间的蜂窝夹芯层，夹芯层为蜂窝、泡沫与数个纵横加强筋、门框、窗框拼接而成，夹芯层与碳纤维外蒙皮和碳纤维内蒙皮通过胶膜连接采用ooa工艺整体固化成型。

本发明的进一步改进在于：碳纤维外蒙皮、碳纤维内蒙皮、纵横加强筋、门框和窗框均为碳纤维织物预浸料。

本发明的进一步改进在于：所述碳纤维织物预浸料和胶膜具有阻燃性能。

本发明是一种低成本工艺成型的碳纤维复合材料地铁车身，所述碳纤维复合材料地铁车身成型包括以下步骤：

（1）碳纤维外蒙皮ooa工艺成型：按铺贴角度及铺层数设计顺序，以激光投影线为铺贴基准线，将裁剪成特定形状的碳纤维织物预浸料依次铺贴在车身模具上，碳纤维外蒙皮铺贴厚度3mm-5mm,利用定制的车身模具的自加热系统固化成型碳纤维外蒙皮；

（2）夹芯层ooa工艺成型：打磨处理碳纤维外蒙皮、门框、窗框及纵横加强筋胶接面，将门框和窗框放置在定位区域，按照激光投影定位的区域将蜂窝、泡沫与纵横加强筋进行拼接，检测拼接位置以及尺寸情况，拼接完成后，利用定制的车身模具的自加热系统及鼓风加热设备固化成型夹芯层；

（3）碳纤维内蒙皮ooa工艺成型：按铺贴角度及铺层数设计顺序，以激光投影线为铺贴基准线，将裁剪成特定形状的碳纤维织物预浸料依次铺贴在车身模具上，碳纤维内蒙皮铺贴厚度3mm-5mm,利用定制的车身模具的自加热系统及鼓风加热设备固化成型碳纤维内蒙皮，即完成车身整体成型。

本发明的进一步改进在于：碳纤维内蒙皮和碳纤维外蒙皮均为碳纤维织物预浸料铺贴并采用ooa工艺成型，碳纤维内蒙皮铺贴厚度3mm-5mm,碳纤维外蒙皮铺贴厚度3mm-5mm,在碳纤维织物预浸料铺贴过程中，第一层需进行预压实，后续过程中每3-4层需进行一次预压实。

本发明的进一步改进在于：门框、窗框均为碳纤维织物预浸料包缠泡沫采用热压罐工艺成型，其中泡沫夹芯通过胶模具与碳纤维织物预浸料进行连接。

本发明的进一步改进在于：纵横加强筋为碳纤维织物预浸料铺贴并采用热压罐工艺成型的工字梁。

本发明的进一步改进在于：夹芯层ooa工艺成型过程中，蜂窝和泡沫与纵横加强筋、碳纤维内蒙皮、碳纤维外蒙皮通过胶膜进行连接，蜂窝与蜂窝通过带状发泡胶进行拼接。

本发明的进一步改进在于：碳纤维外蒙皮、碳纤维内蒙皮及夹芯层ooa工艺成型过程中，固化升温速率控制在1-3℃/min，固化结束后降温速率不大于2℃/min。

本发明的有益效果是：

（1）本发明提供一种低成本工艺成型的碳纤维复合材料地铁车身及其制造方法，采用碳纤维复合材料替代金属材料，解决了现有车身重量大，耐腐蚀性差，抗疲劳性能差、使用周期短等缺点，达到车体轻量化的目的。

（2）本发明碳纤维复合材料地铁车身为碳纤维复合材料夹芯结构，包括碳纤维外蒙皮、碳纤维内蒙皮，铺设在碳纤维内、外蒙皮之间的夹芯层，夹芯层与碳纤维内、外蒙皮通过胶膜胶接整体成型，不仅减少车体零部件数量和装配工作量，而且大大提高了车身的隔音、隔热性能。

（3）本发明碳纤维复合材料地铁车身为夹芯结构，该结构的抗冲击性和抗冲击回弹变形能力增强。

（4）本发明采用的碳纤维织物预浸料及树脂具有阻燃性能，从而增强了车身的抗阻燃性能，大大提高了车体的安全性能。

（5）本发明采用ooa成型工艺，仅在真空压力下固化且不须采用热压罐设备制造出具有与热压罐成型相同性能和质量的复合材料车身制件，避免了热压罐及其运作费用的高投入，大幅降低了制造成本。

（6）本发明采用ooa成型工艺在真空甚至中低温条件下固化成型对模具和辅助材料的要求较低，进一步降低了制造成本。

（7）本发明采用ooa成型工艺在缩短制造周期、简化工序、灵活方便应用、减少工装投入和运作成本、节能等方面具有明显优势，使用此工艺可得到与热压罐成型的具有同等性能和质量的大型化和超大型化复合材料制件。

本发明采用ooa成型工艺使用碳纤维复合材料替代金属材料，不仅有效的减轻地铁车身的重量，达到车体轻量化的目的，减小了车体耗能，延长了使用寿命，而且大大降低了制造成本。

附图说明

图1为本发明地铁车身的结构示意图。

图2为本发明地铁车身的断面结构示意图。

图3为本发明地铁车身的夹芯层结构示意图。

其中，1-碳纤维外蒙皮，2-碳纤维内蒙皮，3-夹芯层，4-门框，5-窗框，6-纵横加强筋，7-蜂窝，8-泡沫。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

如图1-3所示，本发明是一种低成本工艺成型的碳纤维复合材料地铁车身，所述车身包括碳纤维外蒙皮1、碳纤维内蒙皮2、铺设在所述碳纤维外蒙皮1与所述碳纤维内蒙皮2之间的蜂窝夹芯层3，所述夹芯层3为蜂窝7、泡沫8与数个纵横加强筋6、门框4、窗框5拼接而成，所述夹芯层3与碳纤维外蒙皮1和碳纤维内蒙皮2通过胶膜链接整体固化成型，所述碳纤维外蒙皮1、碳纤维内蒙皮2、纵横加强筋6、门框4和窗框5均为碳纤维织物预浸料，所述碳纤维预浸料和胶膜具有阻燃性能。

一种低成本工艺成型的碳纤维复合材料地铁车身，所述碳纤维复合材料地铁车身成型包括以下步骤：

（1）碳纤维外蒙皮1ooa工艺成型：按下料图样裁剪预浸料，并将已裁剪的预浸料进行编号并标示0°方向，按铺贴角度及铺层数设计顺序，以激光投影线为铺贴基准线，将裁剪成特定形状的碳纤维预浸料依次铺贴在车身模具上，碳纤维外蒙皮1铺贴厚度3mm-5mm，在碳纤维织物预浸料铺贴过程中，第一层需进行预压实，后续过程中每3-4层需进行一次预压实，预压实要求：依次铺放一层可剥布、有孔隔离膜、透气毡、真空袋膜，密封胶条密封，连接真空系统抽真空，预压实真空度不低于920mbar，时间不少于15min；外蒙皮铺贴完成后进行封装及气密性检查，依次铺放一层可剥布、无孔隔离膜、透气毡、真空袋膜，密封胶条密封，连接真空系统抽真空，保证真空度在920mbar以上，15min后关闭真空，5min内真空压力下降超过50mbar；气密性满足要求后，使用棉被将封装后的外蒙皮进行覆盖，棉被之间采用搭接形式以保证其保温效果，利用定制的车身模具的自加热系统进行固化，固化制度：以1-3℃/min的升温速率从室温至80℃-90℃，并在80℃-90℃下保温120min，以1-3℃/min的升温速率从80℃-90℃升温至110℃-120℃，并在110℃-120℃下保温120min，以0-2℃/min的降温速率从110℃-120℃降温至40℃，保温阶段的温度和时间以滞后热电偶为准；固化结束后拆除辅助材料，即完成碳纤维外蒙皮1成型；

（2）夹芯层3ooa工艺成型：打磨处理碳纤维外蒙皮1、门框4、窗框5及纵横加强筋6胶接面，且需沿着纤维方向打磨，需打磨至去除胶接面树脂层，打磨完成后用清洁白布蘸取丙酮清洗，至最后擦拭打磨面的清洁白布洁净无异物为止；蜂窝7及泡沫8在使用前用丙酮或异丙醇清洗干净，并在120℃±10℃中干燥至少120min，干燥后的蜂窝及泡沫进行真空密封；将门框4和窗框5放置在定位区域并胶接，按照激光投影定位的区域将蜂窝7、泡沫8与纵横加强筋6进行拼接，检测拼接位置以及尺寸情况，如有偏差可以适当休整蜂窝尺寸，碳纤维外蒙皮1与夹芯层3通过胶膜进行连接，蜂窝与蜂窝之间通过带状发泡胶进行拼接，拼接完成后，进行封装及气密性检查，气密性满足要求后，利用定制的车身模具的自加热系统及鼓风加热设备进行固化，固化制度：80℃-90℃保温120min，110℃-120℃保温120min，固化结束后拆除辅助材料，即完成夹芯层3成型；

（3）碳纤维内蒙皮2ooa工艺成型：在夹芯层3上铺贴一层胶膜，胶膜铺贴采用搭接形式，搭接宽度12mm～25mm，门框4、窗框5翻边区域胶膜铺贴要保证压实，胶膜铺贴完成后需进行预压实；按铺贴角度及铺层数设计顺序，以激光投影线为铺贴基准线，将裁剪成特定形状的碳纤维织物预浸料依次铺贴在夹芯层3上，碳纤维内蒙皮2铺贴厚度3mm-5mm，碳纤维织物预浸料铺贴时门框4、窗框5翻边区域要保证压实；在碳纤维织物预浸料铺贴过程中，第一层需进行预压实，后续过程中每3-4层需进行一次预压实；碳纤维内蒙皮2铺贴完成后，进行封装及气密性检查，气密性满足要求后，利用定制的车身模具的自加热系统及鼓风加热设备进行固化，固化制度：80℃-90℃保温120min，110℃-120℃保温120min，固化结束后拆除辅助材料，完成碳纤维内蒙皮2成型，即完成碳纤维复合材料车身整体成型。

本发明所述的碳纤维复合材料地铁车身，使用具有高比强度和高比模量，密度小，耐高温，耐腐蚀，抗腐蚀，热膨胀系数低等优点的碳纤维复合材料采用ooa工艺一体成型夹芯结构的地铁车身，不仅可以充分发挥复合材料可设计性强、整体化程度高、疲劳性能好等优势，而且可以有效的减轻地铁车身的重量，达到车体轻量化的目的，减小了车体耗能，延长使用寿命，更重要的是使用低成本的ooa成型工艺，大大降低了成型碳纤维复合材料车身的成本。