(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
榫接結(jié)構(gòu),在中國傳統(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的底盤和車身結(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。
本文對(duì)鋁型材榫接結(jié)構(gòu)進(jìn)行彎曲性能測試。實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)測試,主要是利用微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(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),通過記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù),來獲得鋁型材榫接結(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來實(shí)現(xiàn)。為避免壓力過于集中,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,見表2:
由表2可得鋁型材試件平放時(shí)的彎曲斷裂能量
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。
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邊上對(duì)中分布的矩形槽最底端應(yīng)力集中,率先開始破壞,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邊上對(duì)中分布的矩形槽在開孔后斷開,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。
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