轨道车辆复合材料扶手杆设计方法、扶手及轨道车辆与流程

1.本发明涉及轨道车辆技术领域，具体涉及轨道车辆复合材料扶手杆设计方法、扶手及轨道车辆。


背景技术：

2.这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
3.目前轨道车辆的立式扶手采用不锈钢金属材料制成，不锈钢金属材料具有各项同性，各个方向的承载能力相同，有可能造成某个方向的承载能力冗余进而造成立式扶手重量大，不符合轨道交通车辆轻量化设计的要求。
4.采用复合材料制作扶手能够有效减轻扶手的重量，满足轨道车辆轻量化设计的要求，但是轨道车辆中扶手受拉压荷载和剪切荷载，如何对扶手的复合材料进行设计，使得扶手满足承载能力需求，是本领域亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供轨道车辆复合材料扶手杆设计方法、扶手及轨道车辆，使得设计得到的扶手杆能够满足承载需求。
6.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
7.第一方面，本发明的实施例提供了轨道车辆复合材料扶手杆设计方法，包括以下步骤：
8.根据预先获取的纤维含量与纵向模量的关系结合加工工艺可达的纤维含量确定全0
°
纤维时复合材料的模量极限值；
9.根据设定的扶手杆刚度阈值和模量极限值得到扶手杆的几何尺寸；
10.根据获取的扶手杆的几何尺寸建立扶手杆的初始力学分析模型，对建立的初始力学分析模型进行力学分析，得到扶手杆的受力状态；
11.根据扶手杆的受力状态选取多个预先设定的初步铺层方案；
12.将多个初步铺层方案依次结合扶手杆的几何尺寸建立铺层设计后力学分析模型，并对铺层后力学分析模型依次进行力学分析，选取分析得到的拉压应力小于拉压应力阈值、剪切应力小于剪切应力阈值的铺层方案为最终的铺层方案。
13.可选的，所述初始力学模型为全0
°
纤维的复合材料扶手杆力学分析模型。
14.可选的，扶手杆的几何尺寸的确定方法为：
15.根据人体工学确定扶手杆的外径范围，根据轨道车辆的高度确定扶手杆的高度；
16.根据设定的内外径比确定扶手杆内径的范围；
17.根据扶手杆的内、外径范围选取多个内、外径设计方案；
18.将多个内、外径方案依次结合模量极限值得到多个内、外径方案对应的扶手杆的刚度值；
19.选取刚度值大于设定刚度阈值的内、外径设计方案作为扶手杆的内、外径尺寸。
20.可选的，所述设定的内外径比值为0.8-1.0，优选为0.8。
21.可选的，当获取的扶手杆受力状态为受拉压应力时，选取只进行0
°
和90
°
铺层的初步铺层方案，当获取的扶手杆受力状态为既受拉压应力也受剪切应力时，选取进行0
°
、
±
45
°
和90
°
的初步铺层方案。
22.可选的，确定模量极限值时，选取挤拉、编织和缠绕协同联合工艺的可达纤维含量作为确定模量极限值的纤维含量。
23.第二方面，本发明的实施例提供了一种扶手，包括扶手杆，扶手杆顶端设有第一连接组件以连接轨道车辆车体顶部连接梁，扶手杆底端设有第二连接组件以连接轨道车辆的车辆底板，扶手杆采用第一方面所述的轨道车辆复合材料扶手杆设计方法进行设计。
24.可选的，所述第一连接组件包括第一固定板，第一固定板设有用于与轨道车辆车体顶部连接梁固定的第一固定孔，第一固定板底面设有插杆，插杆插入扶手杆顶端内部。
25.可选的，所述第二连接组件包括位于扶手杆底端内部的金属螺纹筒，金属螺纹筒通过螺纹连接在扶手杆底端的螺纹紧固件压紧固定在扶手杆底端内部，且金属螺纹筒与扶手杆粘结固定，金属螺纹筒与螺纹杆螺纹连接，螺纹杆的底端连接第二固定板，第二固定板设有用于与轨道车辆底板固定的第二固定孔；
26.进一步的，所述螺纹紧固件采用紧固螺栓，紧固螺栓的轴线与扶手杆轴线垂直且与扶手杆螺纹连接。
27.第三方面，本发明的实施例提供了一种轨道车辆，设置有第二方面所述的扶手。
28.本发明的有益效果如下：
29.1.本发明的设计方法，通过刚度阈值、模量极限值进行扶手杆的尺寸设计，使得扶手杆满足刚度要求，根据扶手杆的尺寸建立扶手杆的力学分析模型，将多个初步铺层方案依次结合扶手杆的几何尺寸建立铺层设计后力学分析模型，并对铺层后力学分析模型依次进行力学分析，选取分析得到的拉压应力小于拉压应力阈值、剪切应力小于剪切应力阈值的初步铺层方案为最终的铺层方案，使得整个扶手杆满足了应力要求，进而使得设计出的复合材料扶手杆满足使用需求，解决了轨道交通车辆立式扶手的复合材料扶手杆的设计问题，使得设计出的扶手杆重量轻，满足各项承载需求，不会出现材料冗余的情况，满足了轨道车辆轻量化设计的需求。
30.2.本发明的设计方法，对扶手杆的初始力学分析模型进行力学分析，得到扶手杆的受力状态，根据扶手杆的受力状态选取多个预先设定的初步铺层方案，只对选取的初步铺层方案进行后续分析处理即可，减小了后续的设计工作量。
31.3.本发明的扶手，由于插杆插入扶手杆顶端内部，螺纹杆与螺纹套筒螺纹连接，因此能够实现扶手杆高度的调节，而且螺纹套筒通过螺纹紧固件压紧在扶手杆底端内部，且螺纹套筒与扶手杆粘结固定，满足了扶手杆采用复合材料制成时，金属螺纹套筒与扶手杆的固定需求。
附图说明
32.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
33.图1是本发明实施例1方法流程图；
34.图2是本发明实施例1纤维含量与纵向模量关系图；
35.图3是本发明实施例1扶手杆内外径比值与抗弯特性关系图；
36.图4是本发明实施例1初始力学分析模型载荷分析图；
37.图5是本发明图4中的局部放大图；
38.图6是本发明实施例1多个初步铺层方案表；
39.图7是本发明实施例2整体结构示意图；
40.图8是本发明实施例2扶手杆与第一连接组件装配主视图；
41.图9是本发明图8的a向截面示意图；
42.图10是本发明实施例2扶手杆与第二连接组件装配主视图；
43.图11是本发明图10的b向截面示意图；
44.图12是本发明实施例2紧固螺栓设置示意图；
45.其中，1.扶手杆，2.第一固定板，2-1.第一固定孔，3.插杆，4.第二固定板，4-1.第二固定孔，5.螺纹杆，6.金属螺纹套筒，7.紧固螺栓。
具体实施方式
46.实施例1
47.本实施例提供了一种轨道车辆复合材料扶手设计方法，如图1所示，包括以下步骤：
48.步骤1：根据纤维含量与纵向模量的关系结合复合材料的制备工艺可达的纤维含量确定全0
°
纤维时复合材料的模量极限值。
49.本实施例中，如图2所示，所述纤维含量与纵向模量的关系图可预先获取，如图2中的曲线所示。
50.本实施例中，所述复合材料的制备工艺采用现有的挤拉、编织和缠绕协同联合工艺，该工艺可达的纤维含量为67％。
51.步骤2：根据设定的扶手杆刚度阈值和模量极限值得到扶手杆的几何尺寸；
52.扶手杆的几何尺寸的设计包括以下具体步骤：
53.步骤2.1：根据人体工学确定扶手杆的外径范围，本实施例中，所述扶手杆的外径范围为34mm-42mm。
54.步骤2.2：根据设定的扶手杆的内外径比值和扶手杆的外径范围，确定扶手杆的内径范围。
55.本实施例中，所述设定的扶手杆的内外径比值为0.8-1.0，优选的采用0.8，如图3所示，材料的内、外径比值在0.8-1.0时，材料的抗弯特性将会得到较大的利用，图3中，横坐标n代表内、外径比值，k代表单位长度质量的圆棒与圆管的截面刚度的比值，该值越大代表单位质量的材料发挥的抗弯性能越大。
56.步骤2.3：根据设定的外径数值间隔获取多组扶手杆的外径、内径设计方案，针对每组外径、内径设计方案，结合步骤1获取的模量极限值得到不同设计方案对应的扶手杆的刚度值。
57.步骤2.4：将获得的多组刚度值与预先设定的刚度阈值进行比较，选择刚度值大于刚度阈值对应的外径、内径组合作为满足要求的扶手杆外径、内径组件。
58.本实施例中，外径和内径的差值为扶手杆的壁厚，设计出的壁厚范围为3.5mm-5.5mm，即多组外径、内径设计方案对应的扶手杆的壁厚位于3.5mm-5.5mm范围内，本领域技术人员可根据实际需要选择对应的壁厚。
59.优选的，所述扶手杆的外径与原金属扶手杆的外径一直，为38mm，内径为30.4mm，壁厚为3.8mm。
60.所述扶手杆的长度根据轨道车辆的高度确定即可，在此不进行详细叙述。
61.步骤3：根据步骤2得到的扶手杆的几何尺寸，建立扶手杆的初始力学分析模型。
62.其中，扶手杆的初始力学分析模型为全0
°
限位复合材料杆模型。
63.如图4-图5所示，根据轨道车辆立式扶手杆的实际边界条件和载荷条件，对扶手杆的初始力学分析模型进行荷载分析，获取扶手杆的受力状态，包括扶手杆的拉、压应力和剪切应力。
64.步骤4：根据步骤3获取的扶手杆的受力状态，在初步铺层设计方案库中选择对应的初步铺层设计方案。
65.如图6所示，初步铺层设计方案库中包含有多个预先给定的不同树脂材料对应的铺层方案。
66.当步骤3所获取的受力状态为扶手杆只受到拉、压应力时，在方案库中选择不同树脂材料对应的只具有0
°
和90
°
的铺层方案。
67.当步骤3所获取的受力状态为扶手杆既受到拉、压应力也受到剪切应力时，在方案库中选择不同树脂材料对应的具有0
°
、
±
45
°
和90
°
的铺层方案。
68.本实施例中，根据扶手杆的受力状态选取多个初步铺层方案，只对选取的初步铺层方案进行后续分析处理即可，减小了后续的设计工作量。
69.步骤5：将步骤4选取的多个初步铺层方案依次结合扶手杆的几何尺寸建立铺层设计后力学分析模型，并对铺层设计后力学分析模型依次进行力学分析，选取分析得到的拉压应力小于拉压应力阈值、剪切应力小于剪切应力阈值的初步铺层方案为最终的铺层方案，拉压应力阈值和剪切应力阈值根据树脂材料进行确定即可。
70.具体的，初步铺层方案给出了层数以及对应的纤维束，建立铺层设计后力学分析模型时，每层的厚度根据层数和扶手杆的壁厚进行确定。
71.建立好多个初步铺层方案对应的铺层设计后力学分析模型后，根据轨道车辆的实际边界条件和荷载条件进行荷载分析，得到每个铺层设计后力学分析模型的拉、压应力和剪切应力。
72.将最大拉压应力小于拉压应力阈值、最大剪切应力小于剪切应力阈值所铺层设计后力学分析模型对应的铺层方案作为最终的铺层方案，而且得到对应的树脂材料，在一种实际的最终的铺层方案中，具有0
°
、
±
45
°
和90
°
铺层，
±
45
°
的铺层占比为10％-30％，优选为20％。
73.本实施例的设计方法，通过刚度阈值、模量极限值进行扶手杆的尺寸设计，使得扶手杆满足刚度要求，根据扶手杆的尺寸建立扶手杆的力学分析模型，将多个初步铺层方案依次结合扶手杆的几何尺寸建立铺层设计后力学分析模型，并对铺层后力学分析模型依次进行力学分析，选取分析得到的拉压应力小于拉压应力阈值、剪切应力小于剪切应力阈值的初步铺层方案为最终的铺层方案，使得整个扶手杆满足了应力要求，进而使得设计出的
复合材料扶手杆满足使用需求，解决了轨道交通车辆立式扶手的复合材料扶手杆的设计问题，使得设计出的扶手杆重量轻，满足各项承载需求，不会出现材料冗余的情况，满足了轨道车辆轻量化设计的需求。
74.实施例2
75.本实施例提供了一种扶手，扶手为轨道车辆的立式扶手，如图7所示，包括扶手杆1，扶手杆1的顶端设有第一连接组件，第一连接组件用于与轨道车辆的车体顶部连接梁固定，所述扶手杆1的底端设有第二连接组件，第二连接组件用于与轨道车辆的底板固定。
76.其中扶手杆采用复合材料杆，采用实施例1所述的设计方法设计而成。制备时，最外层是
±
45
°
铺层可利用编织工艺进行在线编织铺层，内部0
°
铺层可采用单向纤维束拉挤成型，并且可以采用大丝束纤维，降低产品成本，90
°
铺层通过缠绕工艺实现。
77.制备方法和对应的设备采用现有技术即可，在此不进行详细叙述。
78.如图8-图9所示，所述第一连接组件包括第一固定板2，第一固定板2采用矩形板，其设置有第一固定孔2-1，第一固定板2能够通过第一固定孔2-1和螺栓与车体顶部连接梁固定连接。
79.为了方便调整安装位置，所述第一固定孔2-1采用长条孔，为了保证连接稳定性，所述第一固定孔2-1设置四个，四个第一固定孔2-1设置在第一固定板2的四个角处。
80.所述第一固定板2的底面设置有插杆3，插杆3与扶手杆1的内径相匹配，插杆3插入扶手杆1顶端内部且插杆3的外杆面与扶手杆1的内表面能够相对滑动。
81.如图10-图12所示，所述第二连接组件包括第二固定板4，第二固定板4采用圆形板，圆形板上沿环向设置有多个第二固定孔4-1，圆形板能够通过第二固定孔4-1和螺栓与轨道车辆的底板固定连接。
82.所述第二固定板4的顶面中心位置设置有螺纹杆5，螺纹杆5与固定在扶手杆底端内部的金属螺纹套筒6螺纹固定连接，所述金属螺纹套筒6采用不锈钢螺纹套筒，其设置在扶手杆1底端内部，且与扶手杆1同轴设置，由于金属螺纹套筒6无法与扶手杆1焊接固定，因此所述扶手杆1的杆壁上螺纹连接有至少一组螺纹紧固件，同一组的螺纹紧固件间隔180
°
设置即相对设置，所述螺纹紧固件采用紧固螺栓7，紧固螺栓7的轴线沿扶手杆1的径向设置，紧固螺栓7与扶手杆1螺纹连接，转动紧固螺栓7，紧固螺栓7能够将金属螺纹套筒6压紧在扶手杆1底端内部，为了进一步提高金属螺纹套筒6与扶手杆的固定强度，所述金属螺纹套筒6的外筒面与扶手杆1的内表面粘结固定。
83.本实施例中，通过转动扶手杆1，即可调节扶手杆1的高度，调节方便快捷。
84.本发明的扶手杆，能够通过编织、拉挤和缠绕直接成型工艺进行制备，相对于传统的不锈钢扶手杆加工成型工序更加简单，生产效率高，可实现与原有不锈钢扶手杆成本持平的情况下，减重60％以上。
85.实施例3
86.本实施例提供了一种轨道车辆，设置有实施例2所述的扶手，其中第一固定板2与轨道车辆车体顶部连接梁固定连接，第二固定板4与轨道车辆车体底板固定连接，轨道车辆的其余结构采用现有技术即可，在此不进行详细叙述。
87.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修
改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.轨道车辆复合材料扶手杆设计方法，其特征在于，包括以下步骤：根据预先获取的纤维含量与纵向模量的关系结合加工工艺可达的纤维含量确定全0
°
纤维时复合材料的模量极限值；根据设定的刚度阈值和模量极限值得到扶手杆的几何尺寸；根据获取的扶手杆的几何尺寸建立扶手杆的初始力学分析模型，对建立的初始力学分析模型进行力学分析，得到扶手杆的受力状态；根据扶手杆的受力状态选取多个预先设定的初步铺层方案；将多个初步铺层方案依次结合扶手杆的几何尺寸建立铺层设计后力学分析模型，并对铺层设计后力学分析模型依次进行力学分析，选取分析得到的拉压应力小于拉压应力阈值、剪切应力小于剪切应力阈值的铺层方案为最终的铺层方案。2.如权利要求1所述的轨道车辆复合材料扶手杆设计方法，其特征在于，所述初始力学模型为全0
°
纤维的复合材料扶手杆力学分析模型。3.如权利要求1所述的轨道车辆复合材料扶手杆设计方法，其特征在于，扶手杆的几何尺寸的确定方法为：根据人体工学确定扶手杆的外径范围，根据轨道车辆的高度确定扶手杆的高度；根据设定的内外径比确定扶手杆内径的范围；根据扶手杆的内、外径范围选取多个内、外径设计方案；将多个内、外径方案依次结合模量极限值得到多个内、外径方案对应的扶手杆的刚度值；选取刚度值大于设定刚度阈值的内、外径设计方案作为扶手杆的内、外径尺寸。4.如权利要求3所述的轨道车辆复合材料扶手杆设计方法，其特征在于，所述设定的内外径比值为0.8-1.0，优选为0.8。5.如权利要求1所述的轨道车辆复合材料扶手杆设计方法，其特征在于，当获取的扶手杆受力状态为受拉压应力时，选取只有0
°
和90
°
铺层的初步铺层方案，当获取的扶手杆受力状态为既受拉压应力也受剪切应力时，选取具有0
°
、
±
45
°
和90
°
的初步铺层方案。6.如权利要求1所述的轨道车辆复合材料扶手杆设计方法，其特征在于，确定模量极限值时，选取挤拉、编织和缠绕协同联合工艺的可达纤维含量作为确定模量极限值的纤维含量。7.一种扶手，其特征在于，包括扶手杆，扶手杆顶端设有第一连接组件以连接轨道车辆车体顶部连接梁，扶手杆底端设有第二连接组件以连接轨道车辆的车辆底板，扶手杆采用权利要求1-6任一项所述的轨道车辆复合材料扶手杆设计方法进行设计。8.如权利要求7所述的一种扶手，其特征在于，所述第一连接组件包括第一固定板，第一固定板设有用于与轨道车辆车体顶部连接梁固定的第一固定孔，第一固定板底面设有插杆，插杆插入扶手杆顶端内部。9.如权利要求7所述的一种扶手，其特征在于，所述第二连接组件包括位于扶手杆底端内部的金属螺纹筒，金属螺纹筒通过螺纹连接在扶手杆底端的螺纹紧固件压紧固定在扶手杆底端内部，且金属螺纹筒与扶手杆粘结固定，金属螺纹筒与螺纹杆螺纹连接，螺纹杆的底端连接第二固定板，第二固定板设有用于与轨道车辆底板固定的第二固定孔；进一步的，所述螺纹紧固件采用紧固螺栓，紧固螺栓的轴线与扶手杆轴线垂直且与扶
手杆螺纹连接。10.一种轨道车辆，其特征在于，设置有权利要求7所述的扶手。

技术总结
本发明涉及轨道车辆复合材料扶手杆设计方法、扶手及轨道车辆，包括以下步骤：根据预先获取的纤维含量与纵向模量的关系结合加工工艺可达的纤维含量确定模量极限值；根据设定的刚度阈值和模量极限值得到扶手杆的几何尺寸；根据扶手杆的几何尺寸建立扶手杆的初始力学分析模型，进行力学分析，得到扶手杆的受力状态；根据扶手杆的受力状态选取多个初步铺层方案；将多个初步铺层方案依次结合扶手杆的几何尺寸建立铺层设计后力学分析模型，并对铺层设计后力学分析模型依次进行力学分析，选取分析得到的拉压应力小于拉压应力阈值、剪切应力小于剪切应力阈值的铺层方案为最终的铺层方案，采用本发明的设计方法实现了复合材料扶手杆的设计。的设计。的设计。


技术研发人员：史磊 侯帅昌 赵英男 李慧颖 赵庆龙 蔡茂 岳书静 尹高冲 韩沛
受保护的技术使用者：中车成型科技（青岛）有限公司
技术研发日：2023.08.28
技术公布日：2023/10/15