鋁型材榫接結(jié)構(gòu)彎曲強(qiáng)度研究分析

（中山大學(xué)工學(xué)院，廣東 廣州 510006）

鋁型材榫接結(jié)構(gòu)彎曲強(qiáng)度研究分析

單清云 高 群 熊會(huì)元

（中山大學(xué)工學(xué)院，廣東 廣州 510006）

本文研究對(duì)象是由東莞中山大學(xué)研究院和深圳五洲龍集團(tuán)研發(fā)的新型輕量化純電動(dòng)中巴。在本次分析中，利用物理試驗(yàn)的方法，對(duì)鋁型材榫接結(jié)構(gòu)試件進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，對(duì)鋁型材榫接結(jié)構(gòu)的抗彎曲性能進(jìn)行了分析，獲得了評(píng)價(jià)其抗彎曲性能的各項(xiàng)參數(shù)，并通過(guò)榫接結(jié)構(gòu)性能的對(duì)比，了解到型材穿孔榫接后，其抗彎曲性能及吸能特性的變化。

結(jié)構(gòu)分析；抗彎強(qiáng)度；靜態(tài)特性；彎曲斷裂能量

1 引言

榫接結(jié)構(gòu)，在中國(guó)傳統(tǒng)家具加工工藝中，是指在相互聯(lián)接的兩塊材料中，其中一個(gè)做出榫頭，另一個(gè)做出榫眼，然后相互配合，依靠之間材料的摩擦力和壓迫力將兩塊材料固定在一起。運(yùn)用得當(dāng)，可使整個(gè)結(jié)構(gòu)體結(jié)合得相當(dāng)牢固。

但是在汽車(chē)工業(yè)中，榫接結(jié)構(gòu)并未得到廣泛應(yīng)用，而且相關(guān)的研究也很少。在新一代的SEV和ECUV的底盤(pán)和車(chē)身結(jié)構(gòu)中，將大量引入鋁型材的榫接結(jié)構(gòu)，因而對(duì)榫接結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，考察其力學(xué)性能及安全性能顯得十分有必要。

2 鋁型材及其榫接結(jié)構(gòu)試件物理測(cè)試

本文對(duì)鋁型材榫接結(jié)構(gòu)進(jìn)行彎曲性能測(cè)試。實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)測(cè)試，主要是利用微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)鋁型材十字形榫接結(jié)構(gòu)試件進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，通過(guò)記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，來(lái)獲得鋁型材榫接結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能參數(shù)，為鋁型材結(jié)構(gòu)的有限元分析提供材料參數(shù)支持。

表1 鋁型材試件平放時(shí)的彎曲斷裂能量

表2 鋁型材試件平放時(shí)的彎曲斷裂能量

2.1 試件描述。鋁型材的截面在整體上呈矩形狀，在外矩形輪廓的兩條短邊上對(duì)中分布內(nèi)T形槽，在外矩形輪廓的兩條長(zhǎng)邊上對(duì)中分布矩形槽，在內(nèi)部有兩條對(duì)稱分布、和短邊平行且連接兩個(gè)長(zhǎng)邊的橫筋，橫筋之間的內(nèi)空距離與型材的外矩形輪廓的短邊尺寸相等，四條槽的槽口寬度相等。

2.2 試件加載。將試件對(duì)稱地放置在加載裝置上，并作以下編號(hào)：T1～T3為十字榫接結(jié)構(gòu)平放彎曲試件，T4～T6為加三角筋十字榫接結(jié)構(gòu)平放彎曲試件。

試驗(yàn)采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方法，對(duì)試件所加載的彎矩由試件中部施加的向下的壓力F來(lái)實(shí)現(xiàn)。為避免壓力過(guò)于集中，支撐點(diǎn)和壓力加載點(diǎn)與試件接觸的部分都為圓柱面。對(duì)鋁型材榫接結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)研究，主要研究在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮條件下的抗彎性能及吸能特性。所有的試驗(yàn)均均采用三思微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，并取穩(wěn)態(tài)壓縮速度為5 mm /min進(jìn)行。其中：

鋁型材截面寬度a=45mm，鋁型材截面長(zhǎng)度b=75mm，壓頭圓弧直徑d=40mm。

參照《GBT 232—1999 金屬材料彎曲試驗(yàn)方法》，支座間距：

表3 十字榫接結(jié)構(gòu)的彎曲性能比較

試件長(zhǎng)度：

結(jié)合試驗(yàn)儀器實(shí)際情況，在《GBT 232-1999 金屬材料彎曲試驗(yàn)方法》允許的范圍內(nèi)，當(dāng)鋁型材平放時(shí)，選取lH=230 mm，LH=304.85；當(dāng)鋁型材立放時(shí)，選取lV=268 mm，LV=351.9mm為保證加載過(guò)程中試件不脫落，L應(yīng)該足夠大，基于盈余原則，在本次試驗(yàn)中，所有試件L均取400mm。

2.3 彎曲斷裂能量。對(duì)試件連續(xù)施加彎曲壓力，直至試件斷裂試樣斷裂，記錄彎曲力—撓度曲線，并計(jì)算曲線下包圍的面積U，即為試件的彎曲斷裂能量。U由公式（3）計(jì)算：

2.3.1 十字榫接試件平放時(shí)的彎曲斷裂能量。十字榫接試件平放時(shí)，根據(jù)公式（3），可得到對(duì)應(yīng)的彎曲斷裂能量，見(jiàn)表1：

由表1可得鋁型材試件平放時(shí)的彎曲斷裂能量：

2.3.2 十字榫接試件立放時(shí)的彎曲斷裂能量。十字榫接試件立放時(shí)，根據(jù)公式（3），可得到對(duì)應(yīng)的彎曲斷裂能量，見(jiàn)表2：

由表2可得鋁型材試件平放時(shí)的彎曲斷裂能量

3 比較分析

由以上分析，可得到原鋁型材和十字榫接結(jié)構(gòu)的彎曲性能比較見(jiàn)表3：

十字榫接結(jié)構(gòu)立放時(shí)的彎曲彈性模量比其他位姿的結(jié)構(gòu)要小，從宏觀上看，就是其抗壓剛度較差，容易產(chǎn)生變形。但是它能承受的最大載荷，以及能承受的最大撓度都比比其他位姿的結(jié)構(gòu)要大，即在變形較大時(shí)，它也能保證結(jié)構(gòu)的完整性。此外，導(dǎo)致它彎曲時(shí)所需要的能量也是各種位姿結(jié)構(gòu)中最大的，因而，這種結(jié)構(gòu)可以用在吸能零部件結(jié)構(gòu)中。

結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)鋁型材榫接結(jié)構(gòu)的抗彎曲性能進(jìn)行了分析，獲得了評(píng)價(jià)其抗彎曲性能的各項(xiàng)參數(shù)，并同過(guò)榫接結(jié)構(gòu)性能的對(duì)比，了解到型材穿孔榫接后，其抗彎曲性能及吸能特性的變化。十字榫接試件平放受壓時(shí)，在中部豎直短型材外矩形輪廓的兩條長(zhǎng)邊上對(duì)中分布的矩形槽最底端應(yīng)力集中，率先開(kāi)始破壞，裂紋隨著壓頭下壓而向上延伸，導(dǎo)致其整體抗彎性能不佳，為4個(gè)位姿里面最差的一個(gè)。

十字榫接試件立放受壓時(shí)，橫桿外矩形輪廓的兩條長(zhǎng)邊上對(duì)中分布的矩形槽在開(kāi)孔后斷開(kāi)，并由中間水平短桿填充，在中性面由短桿承受彎矩，而不是由矩形槽來(lái)承受，故其抗彎曲性能比原型材立放時(shí)有了較大的提高。而由于橫桿在外矩形輪廓的兩條短邊上對(duì)中分布內(nèi)T形槽，下壓時(shí)有一定的潰縮空間，故其吸能特性也有較大提高。

[1]劉瑞堂,劉文博,劉錦方．工程材料力學(xué)性能[M]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2001．

[2]湯安明,師俊平．鋁合金材料剪切斷裂實(shí)驗(yàn)分析[J]．力學(xué)季刊,2002,23（01）:82-86．

TG37

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