本发明属于复合材料在轨道车辆上的应用技术领域，特别是涉及悬挂式空铁领域，具体涉及一种低成本的碳纤维复合材料空铁车体的结构及制造工艺。
背景技术：
目前，国内对碳纤维复合材料车体的研究还处于起步阶段，现阶段的复合材料只是在一些非受力部分的替换，现有的标准动车组cfpr设备舱，实现了结构的整体化，相对于铝合金结构，cfrp设备舱减重35％，采用此标准动车组cfpr设备舱的列车已于2015年6月出厂。2011年12月在落成的500km/h高速试验车采用了碳纤维复合材料车头罩。上海磁悬浮列车的驾驶室是世界上最大的单件玻纤增强的车头。现阶段国内还没有一辆商业运行的复合材料车体。
国外的研究相对来说比较早，阿尔斯通的lrvcitidas列车，其前端树脂灌注成型；diab公司利用玻璃纤维复合材料制作双层列车的驾驶室；芬兰的fibrecomoy公司利用蜂窝和泡沫芯材开发了一种通道式复合材料技术，应用与轨道车辆设计；韩国铁道研究院的ttx摆式列车拥有一个23m长的车身壳体，也是第一辆采用碳纤维复合材料壳体的列车，其车体部分(不包括底架)主要是碳纤维复合材料，铝蜂窝夹心材料和不锈钢的内部增强骨架，该车已经2010年正式进行商业运行，其重量较不锈钢壳体减轻了15％，减重效果并不明显；acs公司也开始涉足复合材料车身壳体，生产一种弯曲的轻质夹芯车板；庞巴迪公司生产了一种轻质混合结构的talent列车，车身为复合材料；印度轨道交通使用复合材料设计齿轮箱，复合材料的设计使齿轮箱减重50％；tvg高速列车，采用了碳纤维复合材料对车体进行设计，将车体重量减轻25％；德国研发了世界上第一款纤维复合材料的转向架。
目前轨道列车中的碳纤维复合材料车体主要存在以下缺陷：
(1)严格意义上说现在研制的碳纤维复合材料车体中间骨架还是采用全焊接铝合金框架结构，并不是全碳纤维复合材料车体，存在非金属材料和金属材料之间的变形不匹配等问题；
(2)现有的全碳纤维复合材料地铁车体减重不明显，成本高，商业运行上较困难；
2016年9月10日，我国首列空铁列车正式下线，采用大容量电池牵引技术，全焊接铝合金框架结构加复合材料蒙皮技术，实现车体的轻量化，具有美观舒适和隔音隔热等特点。日前，已研制出具有完全自主知识产权的世界首辆全碳纤维复合材料地铁车体，使整车较同类地铁金属车体减重约35％，从而对提高车体的运载能力、降低能源消耗、降低全寿命周期成本、减少线路损害等具有重大意义。
悬挂式空铁出现丰富了公共交通制式，缓解了其他公共交通的压力，众多优点中的最重要的是采用高架的方式充分利用地面空间，正是因为悬挂式空铁的这个特性，使得悬挂式空铁车体除了与传统轨道交通方式(轻轨和地铁等)的车体有着共同的特性之外，对车体的轻量化提出更高的要求，由于悬挂式空铁的运行环境良好、成本低、载重小、速度慢、长度小等优势，悬挂式空铁列车的碳纤维复合材料化是最理想的试验车体，其他的轨道车体可以在空铁车体的碳纤维复合材料车体的基础上进行开展。现阶段还没有针对悬挂式空铁车的碳纤维复合材料车体。
由于不同于地铁车，轻轨车的运行环境和承载方式，现阶段针对悬挂式空铁列车的碳纤维复合材料车体的结构需要全新的设计和研发。
技术实现要素：
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种低成本的碳纤维复合材料空铁车体的结构及制造工艺以达到在车体轻量化的前提下满足悬挂式车体的承载方式的功能与结构的目的。
本发明所采用的技术方案为：一种低成本的碳纤维复合材料空铁车体的结构，包括呈u型槽状的车体侧墙及车底，所述车体侧墙两端装配连接有端墙；车体侧墙的内顶面和内底面分别装配连接顶架和底架；车体侧墙的外顶面装配连接与所述端墙相匹配的顶棚，顶棚上开设有转向架安装孔；所述车体侧墙和端墙均包括呈网格状的加强筋骨架、内蒙皮和外蒙皮，所述内蒙皮和外蒙皮分别贴附于所述加强筋骨架的内侧表面和外侧表面上，加强筋骨架的网格内填充有多个夹芯泡沫块；所述顶棚包括夹芯层板、上蒙皮和下蒙皮，所述上蒙皮和下蒙皮分别贴附于所述夹芯层板的上侧表面和下侧表面；所述顶架、底架、加强筋骨架、内蒙皮、外蒙皮、上蒙皮和下蒙皮均由碳纤维复合材料模压一体成型；所述加强筋骨架设为中空结构，且加强筋骨架的内部填充有夹芯泡沫。
进一步地，所述夹芯泡沫、夹芯泡沫块和夹芯层板均采用硬质防火泡沫制成。
进一步地，所述夹芯层板的截面呈底边开口的梯形状，且开口处的内侧壁上设有内沿边；所述内沿边通过螺钉连接于所述车体侧墙的外顶面上。
进一步地，所述顶架包括两根横向顶边梁、两根纵向顶边梁和顶网架，所述横向顶边梁和纵向顶边梁均呈u型槽状；所述顶网架由一体成型的工型顶横梁和矩形顶纵梁构成，工型顶横梁的两端分别装配至两根纵向顶边梁内且通过螺栓固定连接，矩形顶纵梁的端部装配至横向顶边梁内。
进一步地，所述底架包括两根横向底边梁、两根纵向底边梁、工型承载梁和底网架，所述横向底边梁和纵向底边梁均呈u型槽状；所述底网架由一体成型的工型底横梁和矩形底纵梁构成，工型底横梁的两端分别装配至两根纵向底边梁内且通过螺栓固定连接，矩形底纵梁的端部装配至横向底边梁内；所述工型承载梁的两侧分别与所述底网架和所述车体侧墙装配连接。
进一步地，所述内蒙皮和外蒙皮之间预埋有位于所述夹芯泡沫块内部的预埋件，预埋件内预留有螺纹孔。
进一步地，所述预埋件和加强筋骨架的外部均包覆有发泡层。
进一步地，还包括法兰和外凸滑槽，所述法兰和外凸滑槽均通过螺栓与所述预埋件连接，且法兰和外凸滑槽均与所述内蒙皮的表面胶接连接；所述法兰的内部套接装配有扶手。
本发明还公开了一种低成本的碳纤维复合材料空铁车体的制造工艺，包括以下步骤：
(1)模具制造：根据车体的断面外轮廓制造木质模具，车体长度是木质模具长度的倍数；在木质模具的表面手铺复合材料铺层，形成复合材料模具；
(2)铺层和外蒙皮制造：在步骤(1)中复合材料模具的内部依次铺有纤维复合材料、碳纤维预浸料和真空袋，并置入烘箱内进行固化形成外蒙皮；
(3)安放夹芯泡沫块和加强筋骨架：在步骤(2)的外蒙皮内表面铺有过渡粘结层，过渡粘结层上放置加强筋骨架，并在加强筋骨架的网格内放入夹芯泡沫块，采用二次胶接工艺将夹芯泡沫块和加强筋骨架与外蒙皮粘接连接，再置入烘箱内并抽真空之后进行整体固化；
(4)铺层和内蒙皮制造：在步骤(3)中夹芯泡沫块和加强筋骨架固化后的表面上依次铺有过渡粘结层、碳纤维预浸料和纤维复合材料，采用共胶接工艺将夹芯泡沫块和加强筋骨架与碳纤维预浸料粘接连接，再置入烘箱内并抽真空之后进行整体固化，形成车体单元；
(5)重复步骤(1)～步骤(4)生成多个车体单元，将车体单元之间通过装配连接形成车体。
进一步地，所述步骤(2)和步骤(4)中的纤维复合材料为附着有金属网的玻璃纤维或者附着有金属网的芳纶纤维；所述步骤(1)中的复合材料铺层为玻璃环氧树脂基复合材料。
本发明的有益效果为：
1.本发明采用顶架与底架搭配形成“双承载架”的方式，适合悬挂式空铁车体的运行方式，区别于地铁车的承载结构方式；由于车体侧墙、顶棚均装配连接于顶架上，顶架则会承载整个车体，转向架穿过转向架安装孔与顶架相连接，替代传统的车体顶棚与转向架相连的方式，底架连接于车体侧墙内，底架只用于承载乘客，载荷从底架传递到车体侧墙，再到顶架，顶架则通过转向架直接承载载荷，最终载荷传递到轨道梁上面，进一步把载荷分布在整个车体上，实现车体的轻量化的极大化；
2.本发明碳纤维复合材料空铁车体的车身为碳纤维复合材料夹芯结构，包括碳纤维复合材料的外蒙皮，碳纤维复合材料的内蒙皮，内、外蒙皮之间的碳纤维复合材料的加强筋骨架和夹芯泡沫块，通过“二次胶接工艺”和“共胶接工艺”实现一体化整体车体进行承载；既提高了车体的整体刚度，又减少了大量的零件数和装配工作，还避免了金属的焊接缺陷，达到了良好的隔音隔热效果，扩大了车体的内部空间；
3.本发明碳纤维复合材料空铁车体的车体侧墙由两侧的碳纤维复合材料和位于中间的夹芯泡沫块构成“三明治”结构，三明治效应”大大提高了车体的弯曲刚度和抗疲劳性能，且配合铺于碳纤维复合材料表面的纤维复合材料，纤维复合材料含有金属网，能够大大提高车身的防冲击性能和防雷击性能；
4.本发明碳纤维复合材料空铁车体还可满足转向架与车体的连接、车体设备放置、乘客位置、车体轮胎放置和逃生功能的功能设计空间；
5.本发明采用的分模块成型的方式，通过分模块成型多个车体单元，各个车体单元之间装配连接成车体，相较于传统一体成型车体，一方面，可不再对热压罐或者烘箱的尺寸有严格要求；另一方面，一套分块模具可以适合多型号的车体，实现成本的最低化；
6.本发明采用的碳纤维复合材料预浸料，且夹芯泡沫、夹芯泡沫块和夹芯层板均采用硬质防火泡沫制成，硬质防火泡沫具有阻燃特性，同时具有无毒的环保特性，进而提高车体的整体安全性能。
附图说明
图1是本发明提供的一种低成本的碳纤维复合材料空铁车体的结构的整体结构示意图；
图2是本发明提供的一种低成本的碳纤维复合材料空铁车体的结构的分解结构示意图；
图3是本发明提供的一种低成本的碳纤维复合材料空铁车体的结构的剖视示意图；
图4是本发明提供的一种低成本的碳纤维复合材料空铁车体的结构中夹芯层板的结构示意图；
图5是本发明提供的一种低成本的碳纤维复合材料空铁车体的结构中加强筋骨架的结构示意图；
图6是本发明提供的一种低成本的碳纤维复合材料空铁车体的结构中顶架和底架的结构示意图；
图7是本发明提供的一种低成本的碳纤维复合材料空铁车体的结构中法兰的装配结构示意图(一)；
图8是本发明提供的一种低成本的碳纤维复合材料空铁车体的结构中法兰的装配结构示意图(二)；
图9是本发明提供的一种低成本的碳纤维复合材料空铁车体的结构中外凸滑槽的装配结构示意图；
图10是本发明提供的一种低成本的碳纤维复合材料空铁车体的制造工艺中刚性连接方式一的示意图；
图11是本发明提供的一种低成本的碳纤维复合材料空铁车体的制造工艺中刚性连接方式二的示意图；
图12是本发明提供的一种低成本的碳纤维复合材料空铁车体的制造工艺中车体侧墙的局部示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步阐述。
如图1-图9所示，本发明提供了一种低成本的碳纤维复合材料空铁车体的结构，其包括呈u型槽状的车体侧墙4，所述车体侧墙4两端均装配连接有端墙1，端墙1用于密封车体侧墙4的两端开口，且车体侧墙4的开口侧内壁设有内沿，内沿的两侧分别为车体侧墙4的内顶面和车体侧墙4的外顶面，车体侧墙4的内顶面和内底面分别装配连接有顶架5和底架6，即顶架5和底架6均与所述车体侧墙4连接，且车体侧墙4的外顶面装配连接有与所述端墙1相匹配的顶棚2，顶棚2的长度＝车体侧墙4的长度+端墙1的厚度x2，顶棚2上开设有转向架安装孔3，转向架通过转向架安装孔3伸入至顶棚2的内部与所述顶架5连接，顶架5通过转向架将载荷传输至悬挂轨道上；所述车体侧墙4和端墙1均包括呈网格状的加强筋骨架7、内蒙皮8和外蒙皮9，所述内蒙皮8和外蒙皮9分别贴附于所述加强筋骨架7的内侧表面和外侧表面上，加强筋骨架7用于提升车体的整体刚度，在车体的门或窗户位置处应该保证加强筋骨架7的完整性，加强筋骨架7的网格内填充有多个夹芯泡沫块10，夹芯泡沫块10是通过预先裁剪形成的，能够填入至对应加强筋骨架7的网格内；所述顶棚2包括夹芯层板11、上蒙皮13和下蒙皮12，所述上蒙皮13和下蒙皮12分别贴附于所述夹芯层板11的上侧表面和下侧表面；所述顶架5、底架6、加强筋骨架7、内蒙皮8、外蒙皮9、上蒙皮13和下蒙皮12均由碳纤维复合材料模压一体成型，利用碳纤维复合材料的力学特性，能够提高车体的截面刚度，最大程度减轻车体的整体重量；所述加强筋骨架7设为中空结构，且加强筋骨架7的内部填充有夹芯泡沫15，夹芯泡沫15通过泡沫模具填充于加强筋骨架7的内腔中，具有不易于脱模，惯性矩大以及贴合面积大的优点；所述车体侧墙4上对称开设有车门和车窗，加强筋骨架7在车门和车窗的位置处具备收口设计，以保证加强筋骨架7的完整性。
基于上述结构：
具备逃生功能设计：悬挂式空铁车体在高架上面，距离地面大约8米左右，车体发生火灾等事故时候需要转移乘客，车体具有逃生功能是需要考虑和设计。逃生设备主要是气囊式和滑梯式，放置在车体的底架下，一旦发生事故，需要转移乘客，逃生设备自动弹出，优选的，硬质防火泡沫采用硬质聚氨酯泡沫。
具备车体移动功能设计：当悬挂式空铁车体放置在地面上或者地面上需要移动时候，需要安装轮胎，在移动时候轮胎弹出，悬挂起来运行的时候，轮胎收入底架下。
顶棚与顶架之间主要用于放置车体空调、电源等设备。
所述夹芯泡沫15、夹芯泡沫块10和夹芯层板11均采用硬质防火泡沫制成，其中，夹芯泡沫块10和夹芯层板11均根据实际情况生产成相应的形状结构，硬质防火泡沫具有绝热效果好、重量轻、比强度大、施工方便等优良特性，同时还具有隔音、防震、电绝缘、耐热、耐寒、耐溶剂等特点。
所述夹芯层板11的截面呈底边开口的梯形状，即夹芯层板11呈一侧面开口的梯形槽状，且开口处的内侧壁上设有内沿边；所述内沿边通过螺钉连接于所述车体侧墙4的外顶面上，实现对夹芯层板11的安装固定，进而达到车体的顶棚2安装。
所述顶架5包括两根横向顶边梁16、两根纵向顶边梁17和顶网架，其中两根横向顶边梁16和两根纵向顶边梁17的端部连接形成矩形框架结构，所述横向顶边梁16和纵向顶边梁17均呈u型槽状；所述顶网架由一体成型的工型顶横梁19和矩形顶纵梁18构成，工型顶横梁19的两端分别装配至两根纵向顶边梁17内且通过螺栓固定连接，矩形顶纵梁18的端部装配至横向顶边梁16内，作为优选的，所述工型顶横梁19均匀排布于两根横向顶边梁16之间，矩形顶纵梁18均匀排布于两根纵向顶边梁17之间。
所述底架6包括两根横向底边梁、两根纵向底边梁、工型承载梁14和底网架，所述横向底边梁和纵向底边梁均呈u型槽状；所述底网架由一体成型的工型底横梁和矩形底纵梁构成，工型底横梁的两端分别装配至两根纵向底边梁内，即装配至纵向底边梁的槽内，且通过螺栓固定连接，矩形底纵梁的端部装配至横向底边梁内，即矩形底纵梁装配至横向底边梁的槽内；所述工型承载梁14的两侧分别与底网架和所述车体侧墙4装配连接，作为优选的，所述工型底横梁均匀排布于两根横向底边梁之间，矩形底纵梁均匀排布于两根纵向底边梁之间。
所述内蒙皮8和外蒙皮9之间预埋有位于所述夹芯泡沫块10内部的预埋件20，预埋件20内预留有螺纹孔，螺纹孔可以配设螺钉或者螺栓，达到预埋件20能够固定车体的其他设施的目的，作为优选的，所述预埋件20采用钛合金材料制成。
所述预埋件20和加强筋骨架7的外部均包覆有发泡层21，发泡层21能够起到良好的隔热和缓冲的作用。
还包括法兰22和外凸滑槽23，所述法兰22和外凸滑槽23均通过螺栓与所述预埋件20连接，拧动螺栓实现对法兰22或者外凸滑槽23的安装固定，且法兰22和外凸滑槽23均与所述内蒙皮8的表面胶接连接，以进一步地增加对法兰22和外凸滑槽23的安装稳定性；所述法兰22的内部套接装配有扶手24，通过法兰22起到对扶手24的安装固定。
本发明还公开了一种低成本的碳纤维复合材料空铁车体的制造工艺，包括以下步骤：
(1)模具制造：根据车体的断面外轮廓制造木质模具，车体长度是木质模具长度的倍数；在木质模具的表面手铺复合材料铺层，形成复合材料模具；作为优选的，本实施例中，车体长度设为9米，而木质模具的长度设为4.5米，复合材料铺层整体成型技术可以大量减少零件数量，从而减轻结构重量，降低制作成本，同时大量减少紧固件数目，从而减轻结构重量，降低结构的装配成本。
(2)铺层和外蒙皮9制造：在步骤(1)中复合材料模具的内部依次铺有纤维复合材料27、碳纤维预浸料26和真空袋，真空袋进行密封和施加表面压力，并置入烘箱内进行固化形成外蒙皮9；
(3)安放夹芯泡沫块10和加强筋骨架7：在步骤(2)的外蒙皮9内表面上铺有过渡粘结层25，过渡粘结层25上放置加强筋骨架7，并在加强筋骨架7的网格内放入夹芯泡沫块10，采用二次胶接工艺将夹芯泡沫块10和加强筋骨架7与外蒙皮9粘接连接，夹芯泡沫块10和加强筋骨架7与外蒙皮9通过过渡粘结层25进行粘结连接，再置入烘箱内并抽真空之后进行整体固化；(如图12所示)
(4)铺层和内蒙皮8制造：在步骤(3)中夹芯泡沫块10和加强筋骨架7固化后的表面上依次铺有过渡粘结层25、碳纤维预浸料26和纤维复合材料27，采用共胶接工艺将夹芯泡沫块10和加强筋骨架7与碳纤维预浸料26粘接连接，夹芯泡沫块10和加强筋骨架7与碳纤维预浸料26之间通过过渡粘结层25进行粘结连接，再置入烘箱内并抽真空之后进行整体固化，形成车体单元；(如图12所示)
(5)重复步骤(1)～步骤(4)生成多个车体单元，将车体单元之间通过装配连接形成车体，相邻两车体单元之间通过刚性连接或者非刚性连接而成。
针对步骤(1)，即采用了分模块成型技术，具体的如下：车体的长度根据其型号不同可能有差别，而截面形状往往相似，本着一体化整体成型工艺以及模具通用化的前提，最大程度降低成本，分块模具具有重要意义。
分块模具指把原本车体的模具分成两块或者更多，一方面，可不再对热压罐或者烘箱的尺寸进行严格要求；另一方面，一套分块模具可以适合多型号，实现成本的最低化。
当车体被分成几个车体单元之后，再通过装备连接成一体时，这种结果往往没有一体成型的刚度，装配连接部位为整个车体中最薄弱的环节。本实施例中采用大断面之间的连接方式，以保证装配连接部位的刚度，主要采用刚性连接和非刚性连接的两种方式，其中，(1)刚性连接主要采取车体侧墙4之间的刚性连接方式，分为车体单元之间对接后通过螺栓连接或者车体单元之间相互套接；(2)采取非刚性连接的方式，即采用密封式橡胶风挡实现两个车体单元之间的连接，实现两个车体单元之间的相对运动。
具体如图10、图11所示，
其中，如图10所示，在通过模具对车体单元成型时，在车体单元的端口位置出进行收口形成内沿边，相邻两个车体单元之间对接后，内沿边相互贴合后，通过螺栓进行装配连接；
如图11所示，在通过模具对车体单元成型时，在车体单元的一端端口位置处进行收口形成套口，套口的尺寸略小于车体单元的端口尺寸，实现两车体单元之间可进行相互套接的方式进行装配。
所述步骤(2)和步骤(4)中的纤维复合材料27为附着有金属网的玻璃纤维或者附着有金属网的芳纶纤维，金属网可贴附在玻璃纤维或者芳纶纤维的表面上；所述步骤(1)中的复合材料铺层为玻璃环氧树脂基复合材料。
上述碳纤维预浸料26采用碳纤维t700预浸料，也可采用碳纤维环氧树脂单向带预浸料。
本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。