鋁型材榫接結構彎曲強度研究分析

（中山大學工學院，廣東 廣州 510006）

鋁型材榫接結構彎曲強度研究分析

單清云 高 群 熊會元

（中山大學工學院，廣東 廣州 510006）

本文研究對象是由東莞中山大學研究院和深圳五洲龍集團研發的新型輕量化純電動中巴。在本次分析中，利用物理試驗的方法，對鋁型材榫接結構試件進行三點彎曲試驗，對鋁型材榫接結構的抗彎曲性能進行了分析，獲得了評價其抗彎曲性能的各項參數，并通過榫接結構性能的對比，了解到型材穿孔榫接后，其抗彎曲性能及吸能特性的變化。

結構分析；抗彎強度；靜態特性；彎曲斷裂能量

1 引言

榫接結構，在中國傳統家具加工工藝中，是指在相互聯接的兩塊材料中，其中一個做出榫頭，另一個做出榫眼，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。運用得當，可使整個結構體結合得相當牢固。

但是在汽車工業中，榫接結構并未得到廣泛應用，而且相關的研究也很少。在新一代的SEV和ECUV的底盤和車身結構中，將大量引入鋁型材的榫接結構，因而對榫接結構進行研究，考察其力學性能及安全性能顯得十分有必要。

2 鋁型材及其榫接結構試件物理測試

本文對鋁型材榫接結構進行彎曲性能測試。實現該項測試，主要是利用微機控制電液伺服萬能試驗機對鋁型材十字形榫接結構試件進行彎曲試驗，通過記錄試驗數據，來獲得鋁型材榫接結構的力學性能參數，為鋁型材結構的有限元分析提供材料參數支持。

表1 鋁型材試件平放時的彎曲斷裂能量

表2 鋁型材試件平放時的彎曲斷裂能量

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中分布內T形槽，在外矩形輪廓的兩條長邊上對中分布矩形槽，在內部有兩條對稱分布、和短邊平行且連接兩個長邊的橫筋，橫筋之間的內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。將試件對稱地放置在加載裝置上，并作以下編號：T1～T3為十字榫接結構平放彎曲試件，T4～T6為加三角筋十字榫接結構平放彎曲試件。

試驗采用三點彎曲試驗方法，對試件所加載的彎矩由試件中部施加的向下的壓力F來實現。為避免壓力過于集中，支撐點和壓力加載點與試件接觸的部分都為圓柱面。對鋁型材榫接結構進行試驗研究，主要研究在準靜態壓縮條件下的抗彎性能及吸能特性。所有的試驗均均采用三思微機控制電液伺服萬能試驗機，并取穩態壓縮速度為5 mm /min進行。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 金屬材料彎曲試驗方法》，支座間距：

表3 十字榫接結構的彎曲性能比較

試件長度：

結合試驗儀器實際情況，在《GBT 232-1999 金屬材料彎曲試驗方法》允許的范圍內，當鋁型材平放時，選取lH=230 mm，LH=304.85；當鋁型材立放時，選取lV=268 mm，LV=351.9mm為保證加載過程中試件不脫落，L應該足夠大，基于盈余原則，在本次試驗中，所有試件L均取400mm。

2.3 彎曲斷裂能量。對試件連續施加彎曲壓力，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）計算：

2.3.1 十字榫接試件平放時的彎曲斷裂能量。十字榫接試件平放時，根據公式（3），可得到對應的彎曲斷裂能量，見表1：

由表1可得鋁型材試件平放時的彎曲斷裂能量：

2.3.2 十字榫接試件立放時的彎曲斷裂能量。十字榫接試件立放時，根據公式（3），可得到對應的彎曲斷裂能量，見表2：

由表2可得鋁型材試件平放時的彎曲斷裂能量

3 比較分析

由以上分析，可得到原鋁型材和十字榫接結構的彎曲性能比較見表3：

十字榫接結構立放時的彎曲彈性模量比其他位姿的結構要小，從宏觀上看，就是其抗壓剛度較差，容易產生變形。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構要大，即在變形較大時，它也能保證結構的完整性。此外，導致它彎曲時所需要的能量也是各種位姿結構中最大的，因而，這種結構可以用在吸能零部件結構中。

結語

本文對鋁型材榫接結構的抗彎曲性能進行了分析，獲得了評價其抗彎曲性能的各項參數，并同過榫接結構性能的對比，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，在中部豎直短型材外矩形輪廓的兩條長邊上對中分布的矩形槽最底端應力集中，率先開始破壞，裂紋隨著壓頭下壓而向上延伸，導致其整體抗彎性能不佳，為4個位姿里面最差的一個。

十字榫接試件立放受壓時，橫桿外矩形輪廓的兩條長邊上對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中分布內T形槽，下壓時有一定的潰縮空間，故其吸能特性也有較大提高。

[1]劉瑞堂,劉文博,劉錦方．工程材料力學性能[M]．哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社,2001．

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

TG37

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