铝型材榫接结构弯曲强度研究分析

（中山大学工学院，广东 广州 510006）

铝型材榫接结构弯曲强度研究分析

单清云 高 群 熊会元

（中山大学工学院，广东 广州 510006）

本文研究对象是由东莞中山大学研究院和深圳五洲龙集团研发的新型轻量化纯电动中巴。在本次分析中，利用物理试验的方法，对铝型材榫接结构试件进行三点弯曲试验，对铝型材榫接结构的抗弯曲性能进行了分析，获得了评价其抗弯曲性能的各项参数，并通过榫接结构性能的对比，了解到型材穿孔榫接后，其抗弯曲性能及吸能特性的变化。

结构分析；抗弯强度；静态特性；弯曲断裂能量

1 引言

榫接结构，在中国传统家具加工工艺中，是指在相互联接的两块材料中，其中一个做出榫头，另一个做出榫眼，然后相互配合，依靠之间材料的摩擦力和压迫力将两块材料固定在一起。运用得当，可使整个结构体结合得相当牢固。

但是在汽车工业中，榫接结构并未得到广泛应用，而且相关的研究也很少。在新一代的SEV和ECUV的底盘和车身结构中，将大量引入铝型材的榫接结构，因而对榫接结构进行研究，考察其力学性能及安全性能显得十分有必要。

2 铝型材及其榫接结构试件物理测试

本文对铝型材榫接结构进行弯曲性能测试。实现该项测试，主要是利用微机控制电液伺服万能试验机对铝型材十字形榫接结构试件进行弯曲试验，通过记录试验数据，来获得铝型材榫接结构的力学性能参数，为铝型材结构的有限元分析提供材料参数支持。

表1 铝型材试件平放时的弯曲断裂能量

表2 铝型材试件平放时的弯曲断裂能量

2.1 试件描述。铝型材的截面在整体上呈矩形状，在外矩形轮廓的两条短边上对中分布内T形槽，在外矩形轮廓的两条长边上对中分布矩形槽，在内部有两条对称分布、和短边平行且连接两个长边的横筋，横筋之间的内空距离与型材的外矩形轮廓的短边尺寸相等，四条槽的槽口宽度相等。

2.2 试件加载。将试件对称地放置在加载装置上，并作以下编号：T1～T3为十字榫接结构平放弯曲试件，T4～T6为加三角筋十字榫接结构平放弯曲试件。

试验采用三点弯曲试验方法，对试件所加载的弯矩由试件中部施加的向下的压力F来实现。为避免压力过于集中，支撑点和压力加载点与试件接触的部分都为圆柱面。对铝型材榫接结构进行试验研究，主要研究在准静态压缩条件下的抗弯性能及吸能特性。所有的试验均均采用三思微机控制电液伺服万能试验机，并取稳态压缩速度为5 mm /min进行。其中：

铝型材截面宽度a=45mm，铝型材截面长度b=75mm，压头圆弧直径d=40mm。

参照《GBT 232—1999 金属材料弯曲试验方法》，支座间距：

表3 十字榫接结构的弯曲性能比较

试件长度：

结合试验仪器实际情况，在《GBT 232-1999 金属材料弯曲试验方法》允许的范围内，当铝型材平放时，选取lH=230 mm，LH=304.85；当铝型材立放时，选取lV=268 mm，LV=351.9mm为保证加载过程中试件不脱落，L应该足够大，基于盈余原则，在本次试验中，所有试件L均取400mm。

2.3 弯曲断裂能量。对试件连续施加弯曲压力，直至试件断裂试样断裂，记录弯曲力—挠度曲线，并计算曲线下包围的面积U，即为试件的弯曲断裂能量。U由公式（3）计算：

2.3.1 十字榫接试件平放时的弯曲断裂能量。十字榫接试件平放时，根据公式（3），可得到对应的弯曲断裂能量，见表1：

由表1可得铝型材试件平放时的弯曲断裂能量：

2.3.2 十字榫接试件立放时的弯曲断裂能量。十字榫接试件立放时，根据公式（3），可得到对应的弯曲断裂能量，见表2：

由表2可得铝型材试件平放时的弯曲断裂能量

3 比较分析

由以上分析，可得到原铝型材和十字榫接结构的弯曲性能比较见表3：

十字榫接结构立放时的弯曲弹性模量比其他位姿的结构要小，从宏观上看，就是其抗压刚度较差，容易产生变形。但是它能承受的最大载荷，以及能承受的最大挠度都比比其他位姿的结构要大，即在变形较大时，它也能保证结构的完整性。此外，导致它弯曲时所需要的能量也是各种位姿结构中最大的，因而，这种结构可以用在吸能零部件结构中。

结语

本文对铝型材榫接结构的抗弯曲性能进行了分析，获得了评价其抗弯曲性能的各项参数，并同过榫接结构性能的对比，了解到型材穿孔榫接后，其抗弯曲性能及吸能特性的变化。十字榫接试件平放受压时，在中部竖直短型材外矩形轮廓的两条长边上对中分布的矩形槽最底端应力集中，率先开始破坏，裂纹随着压头下压而向上延伸，导致其整体抗弯性能不佳，为4个位姿里面最差的一个。

十字榫接试件立放受压时，横杆外矩形轮廓的两条长边上对中分布的矩形槽在开孔后断开，并由中间水平短杆填充，在中性面由短杆承受弯矩，而不是由矩形槽来承受，故其抗弯曲性能比原型材立放时有了较大的提高。而由于横杆在外矩形轮廓的两条短边上对中分布内T形槽，下压时有一定的溃缩空间，故其吸能特性也有较大提高。

[1]刘瑞堂,刘文博,刘锦方．工程材料力学性能[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,2001．

[2]汤安明,师俊平．铝合金材料剪切断裂实验分析[J]．力学季刊,2002,23（01）:82-86．

TG37

：A