新材料与工艺手册

[轻量化客车] 电动客车铝合金车身榫卯节点弯曲性能研究

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发表于 2020-10-21 17:24:19 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】电动客车铝合金车身榫卯节点弯曲性能研究

摘 要:针对铝合金型材难焊、怕焊的特点,设计了一种用于电动客车铝合金骨架的榫卯连接节点,对铝合金型材梁、榫卯节点及加强榫卯节点三种结构开展了三点弯曲性能试验,研究比较了三种结构的破坏模式、力学性能和应变分布。研究结果表明,型材梁破坏模式主要是腹板屈曲变形及下翼缘受拉断裂,榫卯节点及加强榫卯节点能够减少单根卯梁腹板受力过程中的屈曲变形,两者的失效主要表现为卯梁下翼缘处焊缝开裂。在三种样件中,加强榫卯节点峰值力最高,型材梁弯曲刚度、吸能效果均优于其它两种样件。相同弯曲力下,榫卯节点卯梁腹板处应变高于型材梁,节点加强后,卯梁腹板应变有所减小,翼缘处应变增大。
关键词:电动汽车;轻量化;铝合金;榫卯连接

1 引言
由于电动汽车使用的动力电池比能量相对燃油小,其续驶里程受到很大限制,因此当前发展轻量化技术对推动电动汽车产业化非常重要[1]。铝合金是比较理想的车身轻量化材料,然而铝合金材料本身存在着难焊、怕焊的特点,目前常采用螺栓、铆接、胶接等连接方式,尽管如此,现有的铝合金车身连接技术仍存在很多局限[2]。将中国古建筑中榫卯连接的思想运用到以铝合金挤压型材为主的客车白车身中,能够有效提高铝合金车身梁柱连接稳定性,降低应力集中效应,提高车身整体刚度[3]。因此,很有必要探索新型的铝合金结构连接方式,解决铝合金节点的连接难题,开发出性能先进、轻量化的电动汽车。
针对电动客车铝合金车身的连接结构及性能,很多学者已经进行了研究,并取得了一定成果。文献[4]对铝合金客车骨架接头进行轴向拉伸试验,考察了6 种铝合金接头的轴向抗拉性能。文献[5]对铝合金铆接接头和焊接接头进行轴向拉伸试验,发现焊接接头强度明显强于铆接接头,铆接车身可能存在车身刚度不足的问题。文献[6]研究了铝合金榫卯节点在横向和纵向两种受力方式下的力学特征,验证了榫卯节点维持车身刚度的能力。文献[7]对榫卯框单元进行试验,讨论了铝合金榫卯框单元的性能和在车身骨架中应用的可能性。文献[8]建立了一套铝合金榫卯结构客车骨架的有限元分析技术,对车身骨架进行弯曲、扭转工况仿真,验证了榫卯结构车身的强度。
由以上文献可以看出,目前铝合金节点连接仍集中于传统的焊接、铆接和螺栓连接,也有一部分学者对榫卯连接方式做了初步探索,但对其破坏模式、加强方式影响等研究仍不深入。因此,以一种电动客车采用的铝合金型材榫卯节点为研究对象,对型材梁、榫卯节点、加强榫卯节点进行三点弯曲试验,对比了三者的破坏模式、力学性能和应变差异。


2 试验方法
2.1 样件设计及制备
铝合金榫卯结构客车骨架由不同截面形状的型材梁相互穿插构成,每两根相互穿插的型材梁构成一个榫卯节点,整个车身由空间一系列横梁和纵梁通过榫卯连接方式而成,形成空间相互加强的车身结构,具有良好的力学性能,如图1 所示。

图1 铝合金车身与榫卯节点
Fig.1 Aluminium Body and Mortise-Tenon Joint

本研究中,选取了上述电动客车侧边车身使用率最高的一种榫卯及加强榫卯节点作为研究对象,为了掌握该结构与未开孔型材梁之间的差异,还选择了未开孔型材梁作为对比对象,共有三种试验样件。
试验所用样件均由牌号为6063-T6 的一种铝合金型材构成,材料屈服强度为178MPa,抗拉强度为208MPa。试验所用未开孔型材梁长400mm,型材截面长75mm,宽45mm,内有一对距离为45mm 的夹持筋板,用于构成榫卯结构;榫卯节点由开孔卯梁和榫梁组成,其中卯梁长400mm,所插入榫梁长155mm,榫卯装配为0.2mm 的间隙配合,装配完成后在节点处焊接固定;加强榫卯节点在榫卯节点的基础上,焊接4 个三角加强片,加强片的尺寸为(50×50×3)mm。为了观测节点处应变,在样件上粘贴4 个应变片,榫卯节点粘贴位置为卯梁腹板上部1、腹板下部2、上翼缘3、下翼缘4,如图2 所示。其他样件应变片粘贴位置与榫卯节点相同。试验前所测样件质量,如表1 所示。编号A 表示型材梁,编号B 表示榫卯节点,编号C 表示加强榫卯节点。

图2 试验平台
Fig.2 Test Platform
2.2 试验过程
试验在型号为CMT5205 的电子万能试验机上进行,试验机最大承载力为200kN。分别对型材梁、榫卯节点、加强榫卯节点进行三点弯曲试验,试验所用跨距为280mm,加载速度为2mm/min。力-位移曲线可由试验机自动获得,应变值由型号为DH3820 的应变采集系统获得。参考GB/T 33910-2017[9],选取试验峰值力、弯曲刚度、吸能量及比吸能率作为描述样件力学性能的指标(计算方法见式(1)~式(3))。各个样件试验结果,如表1 所示。
表1 样件试验结果
Tab.1 Mechanical Characteristic of Specimens

弯曲刚度K 由结构弹性范围内弯曲力增量ΔF 与相应位移增量ΔH 的比值表示(试验选择20%~40%峰值力作为弯曲刚度计算范围[10]):

吸能量E 由结构在变形中力与位移的积分表示(试验H0 选取50mm):
‍‍

‍‍
比吸能率SEA 等于结构在变形中的吸能量除以结构总质量:


3 试验结果与分析
3.1 力位移曲线
型材梁、榫卯节点和加强榫卯节点的力-位移曲线,如图3所示。对于型材梁(图中黑色实线),在达到峰值力之前,样件经历弹性变形阶段和塑性变形阶段,载荷持续增大,当压头位移为14.59mm 时,达到峰值力33.27kN。随后腹板和内部夹持筋发生屈曲变形,弯曲力缓慢下降,当压头位移为53.94mm,弯曲力下降到16.93kN 时,型材梁下翼缘断裂,弯曲力急剧下降。

图3 样件力-位移曲线
Fig.3 Load-Displacement of Specimens

与型材梁不同的是,榫卯节点与加强榫卯节点力-位移曲线未见弯曲力缓慢下降的屈曲变形阶段,变形过程主要分为两部分:弹性+塑性变形阶段和结构失效阶段,如图3 所示。对于榫卯节点,当位移为10.31mm 时,达到峰值力26.53kN,随后节点焊缝开裂,弯曲力急剧下降,当位移为19.02mm 时,弯曲力进入一个短暂的平台期,平台期弯曲力在6.50kN 左右,随后弯曲力持续下降直至完全丧失。对于加强榫卯节点,峰值力为33.58kN,相应的位移为18.82mm,平台期弯曲力约为8.99kN。对比三条力-位移曲线,可以发现如下特征:(1)榫卯节点由于卯梁存在开孔弱化和焊接弱化,峰值力与对应的极限位移较型材梁均有下降;(2)当对榫卯节点通过三角片加强后,峰值力与极限位移均有不同程度的提高,结构失效段平台期弯曲力也高于未加强节点;(3)榫卯节点和加强榫卯节点没有明显的屈曲变形阶段,表明榫卯连接可以有效缓解卯梁腹板和内部夹持筋板的屈曲变形。

3.2 破坏模式
样件的破坏模式,如图4 所示。型材梁在三点弯曲试验中,破坏主要在样件中部:上翼缘由于压头挤压发生材料变形,内部加持筋对上翼缘的剪切作用导致裂纹的产生;腹板上部发生严重屈曲变形,同时挤压腹板下部;下翼缘由于达到材料极限强度发生断裂,裂纹自下翼缘沿腹板扩展,最终导致承载力能力完全丧失。对于榫卯节点,无论有无三角片加强,都表现为一种相似的破坏模式:卯梁下翼缘受拉,并在榫梁和卯梁连接边缘发生断裂,裂纹自下向上扩展至卯梁上翼缘,导致弯曲力持续下降;在整个破坏过程中,卯梁腹板未发生明显的屈曲变形。加强榫卯节点由于存在三角加强片,破坏模式稍有不同:在三点弯曲试验中,焊在节点下方的三角加强片先与卯梁脱离,随后卯梁发生断裂;在卯梁裂纹自下向上扩展的过程中,节点上方加强片对卯梁上翼缘产生挤压,导致上翼缘向内部塌陷,并出现明显屈曲变形。


图4 样件破坏模式
Fig.4 Failure Modes of Specimens


3.3 性能指标
试验样件的力学性能,如表2 所示。对比数据发现,加强榫卯节点峰值力最高(33.58kN),型材梁具有最大的弯曲刚度(8.85kN.mm-1)。榫卯节点峰值力、弯曲刚度与型材梁相比分别下降了20.26%和34.92%;加强节点与未加强节点相比,峰值力提高了26.57%,弯曲刚度降低了2.43%。在三点弯曲试验中,榫卯节点抗弯能力主要由卯梁提供,由于开孔弱化和焊接弱化,导致榫卯节点承载能力弱于型材梁;节点加强后,提高了节点峰值力,但没有提高弹性变形范围内的弯曲刚度。
三种试验样件的吸能性能对比图,如图5 所示。可以看出,型材梁具有更好的吸能性能。榫卯节点相比型材梁,吸能量、比吸能率都有明显下降,二者分别降低了65.90%和73.75%;节点加强后,相对于榫卯节点,吸能量提升了86.68%,比吸能率提升了73.81%。这主要由于加强榫卯节点在受力时,三角加强片变形吸收了一部分能量,同时三角加强片挤压卯梁,使得卯梁上、下翼缘发生塑性变形,从而提高了节点的吸能量。虽然加强节点提高了吸能效果,但吸能量和比吸能率仍未达到型材梁的水平,表明榫卯节点在轴向三点弯曲方向的吸能效果弱于型材梁。

图5 样件吸能效果对比
Fig.5 Comparison of Energy Absorption Effects


3.4 应变对比
在弯曲力增加到峰值的过程中,三种样件相同位置的应变分布(应变片位置见图2),如图6 所示。可以看出,三种样件相同位置的应变分布趋势基本一致:腹板上部和上翼缘表现为压应变,腹板下部和下翼缘表现为拉应变。观察图6(a)可以看出,在卯梁腹板上部,对于相同的弯曲力,榫卯节点应变大于型材梁;节点加强后,应变在三种样件中最小。观察图6(b),在卯梁腹板下部,相同弯曲力下,型材梁具有最小的应变。对比图6(c)、(d)可以看出,对于卯梁上翼缘和下翼缘处应变,由于远离焊缝,材料未被弱化,榫卯节点与型材梁差别不大;加强节点变形过程中,三角加强片对卯梁上下翼缘造成挤压,应变明显高于其余两种样件;加强节点上翼缘还观察到应变反转现象,表明应变有从压向拉转化的趋势,如图6(c)所示。




图6 应变分布对比
Fig.6 The Comparison of Strain Distribution


4 结论
研究了铝合金车身所用型材梁、榫卯及加强榫卯节点在三点弯曲试验下的破坏模式、力学性能和应变分布规律,可以得到以下结论:
(1)型材梁的破坏模式主要是腹板屈曲和下翼缘断裂。榫卯及加强榫卯节点的破坏模式主要是榫梁、卯梁连接处的焊缝断裂;与单根型材梁相比,卯梁未观察到明显的腹板屈曲,避免了由于腹板屈曲变形引起的弯曲力下降。
(2)三种样件中,榫卯加强节点峰值力最高(33.58kN),型材梁具有最大的弯曲刚度(8.85kN.mm-1)和最高的比吸能率(1.60J.g-1)。加强榫卯节点提高了榫卯节点的弯曲力(提高26.57%)和比吸能率(提高73.81%),但没有提升弯曲刚度。
(3)榫卯节点由于存在焊缝,等值弯曲力下,腹板处的应变大于型材梁。与榫卯节点相比,加强榫卯节点可以减小卯梁腹板处的应变,但由于变形中三角片挤压卯梁上、下翼缘,导致翼缘处应变增大。
来源:期刊-《机械设计与制造》;作者:刘 强,王尽沙
(中山大学工学院)



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