蒙皮榫卯框單元力學(xué)性能試驗與分析

魏　航，高　群，宗志堅,2

（1.中山大學(xué)工學(xué)院，廣州　510006；2.東莞中山大學(xué)研究院，廣東東莞　523000）

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蒙皮榫卯框單元力學(xué)性能試驗與分析

魏航1，高群1，宗志堅1,2

（1.中山大學(xué)工學(xué)院，廣州510006；2.東莞中山大學(xué)研究院，廣東東莞523000）

摘要：為研究新型鋁合金榫卯結(jié)構(gòu)在車身骨架中的力學(xué)性能及可行性，對無蒙皮榫卯框及兩種不同蒙皮型式的榫卯框開展靜力試驗研究。研究結(jié)果表明，蒙皮對框架的面內(nèi)剛度加強(qiáng)作用大于面外剛度加強(qiáng)作用，蒙皮榫卯框的平均面內(nèi)剛度為無蒙皮框的5倍，雙面攪拌摩擦焊接蒙皮對面外力學(xué)性能增強(qiáng)效果較為明顯。

關(guān)鍵詞：客車；蒙皮；榫卯結(jié)構(gòu)；力學(xué)性能；試驗分析

1　概述

鋁合金榫卯結(jié)構(gòu)車架改變了傳統(tǒng)鋼質(zhì)車架的梁柱連接型式。在梁上開孔，將柱插入孔中，并用加勁肋在梁柱相交面焊接固定，形成類似于古建筑結(jié)構(gòu)中的榫卯結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

榫卯結(jié)構(gòu)是一種最簡單、穩(wěn)定的連接方式，使兩塊材料在不需第三者材料的介入下實現(xiàn)牢固連接。中國建筑中的梁、柱、斗拱和屋頂結(jié)構(gòu)就通過榫卯完美地結(jié)合在一起。將榫卯結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想運(yùn)用于以鋁合金擠壓型材為桿梁件的客車車身骨架中，可以在一定程度上保持結(jié)構(gòu)的完整性，大大減少焊接、鉚接的使用，起到減小重量、提高連接強(qiáng)度的作用，不失為車身輕量化的解決思路之一[1]。

為探討鋁合金榫卯結(jié)構(gòu)的性能及在車身骨架中應(yīng)用的可行性，東莞中山大學(xué)研究院自主研發(fā)了鋁合金榫卯結(jié)構(gòu)客車車身骨架，見圖2。當(dāng)一對梁及一對柱分別相交時，會形成榫卯連接平面單元——框單元。框單元是車身側(cè)圍及底架的基本組成單元。對框單元單獨(dú)進(jìn)行分析有助于了解鋁合金榫卯結(jié)構(gòu)車身骨架的特性，為車身設(shè)計提供指導(dǎo)。由于鋁合金車架的剛度較小，在較為惡劣的行駛工況下會在局部區(qū)域出現(xiàn)開口變形較大的問題[2]。此外，有研究表明，榫連結(jié)構(gòu)的接觸區(qū)邊緣存在高的應(yīng)力梯度[3]。當(dāng)使用榫連鋁合金車身骨架結(jié)構(gòu)時，榫卯節(jié)點的應(yīng)力集中會極大地危害骨架的使用壽命。因此，對框單元進(jìn)行針對性的局部優(yōu)化，改善榫卯節(jié)點應(yīng)力集中狀況顯得尤為重要。

對框單元的加強(qiáng)思想是借助蒙皮效應(yīng)，利用蒙皮在其自身平面內(nèi)具有很大的抗剪能力，其參與結(jié)構(gòu)整體受力，對主體結(jié)構(gòu)有加強(qiáng)作用，大大提高了結(jié)構(gòu)的空間整體性[4]。本文主要針對新型鋁合金榫卯結(jié)構(gòu)框單元的蒙皮補(bǔ)強(qiáng)方式進(jìn)行試驗研究。

根據(jù)車身框架受載情況，設(shè)計了面內(nèi)面外加載試驗方案，對試驗件采用不同蒙皮連接技術(shù)（粘接以及攪拌摩擦焊接（簡稱FSW技術(shù)）），考核其力學(xué)性能；同時考慮不同蒙皮連接型式（框架一側(cè)蒙皮及兩側(cè)均有蒙皮），將其力學(xué)試驗結(jié)果與無蒙皮框進(jìn)行比較，獲得不同蒙皮連接型式對框結(jié)構(gòu)性能的影響，為車身框架結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

2　試驗概況

2.1試驗設(shè)計

車架作為汽車的承載基體，應(yīng)有足夠的剛度和強(qiáng)度使車身的變形最小，同時保證其有足夠的可靠性與壽命。對于客車，直接關(guān)系到車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的主要是彎曲和扭轉(zhuǎn)兩種工況。在彎曲工況下，車身所承受的載荷來自垂向方向，車身骨架發(fā)生整體彎曲變形，車身側(cè)圍骨架發(fā)生面內(nèi)彎曲。在扭轉(zhuǎn)工況下，載荷產(chǎn)生于路面不平度對車身造成的非對稱支承，車身骨架會隨之發(fā)生彎曲及扭轉(zhuǎn)，車身側(cè)圍骨架將發(fā)生面內(nèi)及面外復(fù)合變形。試驗加載方案將簡化為面內(nèi)受力及面外受力兩種形式。為便于分析和解決問題，試件采用標(biāo)準(zhǔn)化試件，梁柱鋁型材的長度均為700 mm，梁上面有卯孔，將柱插入其中，榫卯連接外側(cè)采用三角片焊接固定，梁、柱及焊接三角片組成剛性榫卯連接接頭，見圖3；榫卯連接的細(xì)節(jié)情況見圖4。面內(nèi)受力設(shè)計了平面剪切試驗，面外受力為豎直下壓試驗，試驗加載及固定形式見圖5。試驗中單面蒙皮一側(cè)均朝上。

圖4　鋁合金榫卯節(jié)點梁

圖5　試驗設(shè)計方案

2.2蒙皮連接方式

本文分別采取單面膠粘接及雙面攪拌摩擦焊接兩種蒙皮連接形式，如圖6所示。蒙皮材料為6系鋁合金，尺寸為400 mm×400 mm，蒙皮體四邊固定。其中膠接采用AB環(huán)氧膠，蒙皮厚度為1 mm，蒙皮形式為單面蒙皮。攪拌摩擦焊接蒙皮厚度選擇為2 mm，主要是考慮攪拌摩擦焊接工藝會使母材厚度出現(xiàn)一定程度的減薄。因此，蒙皮的厚度不能太薄，但是2 mm的厚度的確使得車身的重量有所增加，因此，還可以進(jìn)一步優(yōu)化。與傳統(tǒng)客車只采用單面蒙皮的型式不同，新型鋁合金榫卯結(jié)構(gòu)車身骨架由于梁柱型材的特殊構(gòu)形，型材的內(nèi)外翼緣均可以裝蒙皮，具體情況視車身骨架的使用需要而定。例如車身側(cè)圍骨架在發(fā)生側(cè)向碰撞時，必須具備足夠安全性，對側(cè)圍框架裝雙面蒙皮可以進(jìn)一步增加車身框架的完整性，保證車內(nèi)乘坐人員的安全。因此，設(shè)計試驗件的蒙皮型式為雙面FSW蒙皮。

圖6　蒙皮榫卯框加工成型件及剖視圖

2.3夾具設(shè)計

夾具材料為45#鋼，試驗時樣件裝夾形式見圖7。通過分別將梁柱靠近端面位置進(jìn)行固定來實現(xiàn)對框架整體的剛體約束。U型夾具與底板通過高強(qiáng)螺栓牢固連接，設(shè)計了兩種U型夾具，分別與框單元的梁柱型材尺寸相匹配。U型夾具厚度為15 mm，底板厚度為20 mm，保證其有足夠的剛度，不發(fā)生過大的變形。此外，還設(shè)計了梁柱填充塞頭，以防止夾持作用對型材端面造成的破壞。2.4加載方式

試驗在廣汽研究院的試制實驗室內(nèi)進(jìn)行。試驗加載規(guī)則：0.16 mm/s位移控制加載方式，設(shè)置最大力為50 kN，最大位移100 mm。當(dāng)試驗件在加載過程中發(fā)生整體破壞即進(jìn)行手動卸載。作動器所施加的水平荷載由計算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行自動采集，最終所得到的數(shù)據(jù)為位移與相應(yīng)水平荷載之間的關(guān)系曲線。

圖7　平面剪切試驗裝夾圖

3　試驗結(jié)果分析與對比

3.1面內(nèi)力學(xué)性能

3.1.1載荷位移曲線

不同框單元在面內(nèi)水平載荷作用下，由試驗及計算得到的荷載位移曲線如圖8所示，框單元在穩(wěn)定線彈性階段的剛度見表1。由圖8和表1可以看出，得益于蒙皮效應(yīng)，不同蒙皮連接均能使榫卯框在平面內(nèi)承載剛度及強(qiáng)度有顯著提高。不同蒙皮形式的榫卯框平均面內(nèi)剛度為無蒙皮框的5倍。

圖8　面剪切試驗載荷——位移曲線

表1　平面剪切試驗試件線彈性剛度

3.1.2破壞分析

1）單面膠接蒙皮框的破壞特征。單面膠接蒙皮框的破壞特征主要為蒙皮波狀變形，膠接連接破壞，榫卯框上梁發(fā)生輕微向左下方轉(zhuǎn)動（見圖9）。這是由于蒙皮屈曲后形成拉力場，拉力場所形成的拉力存在豎直向下的分力，對相連接的型材翼緣產(chǎn)生作用，使上梁向下彎曲。膠層發(fā)生的破壞為內(nèi)聚破壞，是蒙皮與框架變形不同步的程度超過膠層固化強(qiáng)度的承受極限所致。

單面膠接蒙皮對框架的加強(qiáng)主要是利用蒙皮屈曲后所形成的拉力場。因此，蒙皮的變形較為嚴(yán)重。此外，拉力場膠連在榫卯框架上，對梁、柱還會形成附加內(nèi)力，造成榫卯框發(fā)生額外的彎曲變形。

2）雙面FSW蒙皮框的破壞特征。雙面FSW蒙皮框的破壞特征為上梁右端向右下彎曲，加勁肋焊縫撕裂（見圖10）。由于雙面FSW蒙皮處于平面應(yīng)力狀態(tài)，上梁右側(cè)開孔截面在雙向受壓作用下，失穩(wěn)繞截面強(qiáng)軸方向偏轉(zhuǎn)，下彎后與加勁肋發(fā)生分離，加勁肋焊縫在拉應(yīng)力作用下發(fā)生破壞。

圖9　單面膠接蒙皮框平面剪切破壞情況

圖10　雙面FSW蒙皮框平面剪切試驗破壞情況

F S W連接件及蒙皮未發(fā)生破壞，說明使用F S W技術(shù)進(jìn)行蒙皮連接是可行的。但由于梁開孔截面較為薄弱，在雙向軸壓作用下會導(dǎo)致榫卯框梁開孔截面以繞截面強(qiáng)軸彎曲變形的型式破壞[8]，因此，仍然需要對梁開孔截面進(jìn)行加強(qiáng)。

3 . 2面外力學(xué)性能

3 . 2 . 1載荷位移曲線

不同試件在面外豎直載荷作用下，由試驗及計算得到的荷載位移曲線如圖1 1所示。由曲線可以看出，蒙皮效應(yīng)對榫卯框在面外承載剛度的增強(qiáng)作用遠(yuǎn)不如面內(nèi)明顯，雙面FSW蒙皮的增強(qiáng)優(yōu)勢突出。當(dāng)榫卯框雙面都蒙皮后，蒙皮將對結(jié)構(gòu)體的正反面同時產(chǎn)生抵擋面內(nèi)變形的作用，進(jìn)而對整個榫卯框的變形產(chǎn)生約束。因此，能提高框結(jié)構(gòu)的承載能力。但雙面蒙皮框的下蒙皮將出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中，達(dá)到FSW焊接接頭的極限強(qiáng)度后，在曲線N點發(fā)生斷裂，蒙皮框剛度出現(xiàn)退化。

單面膠接蒙皮框的載荷位移曲線與無蒙皮框相似，對榫卯框的面外彎曲剛度加強(qiáng)效果不明顯。平面剪切試驗試件線彈性剛度見表2。

圖11　面外扭轉(zhuǎn)載荷——位移曲線

表2　平面剪切試驗試件線彈性剛度

3.2.2破壞分析

1）單面膠接蒙皮框的破壞特征。單面膠接蒙皮的破壞特征有：加載端梁柱彎曲變形，梁的彎曲較為嚴(yán)重，梁卯孔上方有斷裂現(xiàn)象；蒙皮存在屈曲變形并被撕開。蒙皮發(fā)生開裂的原因是加載梁發(fā)生彎曲變形造成卯孔截面轉(zhuǎn)動，卯孔與柱不能貼合。隨著卯孔的轉(zhuǎn)角不斷增大，卯孔會將蒙皮剪開，見圖12。

2）雙面FSW蒙皮框的破壞特征。雙面FSW蒙皮的破壞特征有：加載端梁柱發(fā)生彎曲變形，上下蒙皮發(fā)生塑性變形以及FSW搭接焊縫在蒙皮角點位置發(fā)生不同程度開裂，見圖13。

圖12　單面膠接蒙皮框豎直下壓試驗破壞情況

圖13　雙面FSW蒙皮框試件豎直下壓試驗破壞情況

4　結(jié)論

根據(jù)車身框架受載情況設(shè)計了蒙皮框單元面內(nèi)面外加載試驗方案，完成了無蒙皮榫卯框及兩種不同蒙皮型式的榫卯框的靜力試驗研究，分析了各試驗件的載荷位移曲線，研究了試驗件的破壞型式。通過研究可以得出以下結(jié)論：

1）蒙皮對框架的面內(nèi)剛度加強(qiáng)作用大于面外剛度加強(qiáng)作用，不同蒙皮型式的榫卯框平均面內(nèi)剛度為無蒙皮框的5倍。

2）面內(nèi)受力狀態(tài)下，單面膠接蒙皮容易發(fā)生屈曲變形，但是有較強(qiáng)的屈曲后強(qiáng)度，能提高蒙皮榫卯框的承載能力；雙面FSW蒙皮榫卯框處于平面應(yīng)力狀態(tài)，榫卯框中應(yīng)力以軸壓應(yīng)力為主，榫卯節(jié)點是影響其承載力的主要因素。

3）面內(nèi)受力狀態(tài)下，雙面蒙皮對梁的加強(qiáng)存在偏心，會導(dǎo)致榫卯框梁卯孔薄弱截面，以繞截面強(qiáng)軸彎曲變形的形式破壞，因此，仍然需要對卯孔進(jìn)行加強(qiáng)。

4）面外受力狀態(tài)下，雙面FSW蒙皮的增強(qiáng)優(yōu)勢突出，單面膠接蒙皮對榫卯框加強(qiáng)效果不明顯；雙面蒙皮比單面蒙皮的加強(qiáng)效果更好。

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修改稿日期：2015-07-02

Test and Analysis on Mechanical Property for Covering Skin Frame Unit with
Mortise-tenon Joint

Wei Hang, Gao Qun, Zong Zhijian
（1.College of Engineering，Sun Yat-Sen University，Guangzhou 510006，China;

2.Dongguan Institute of Sun Yat-Sen University, Dongguan 523000, China）

Abstract：To investigate the mechanical properties and feasibility of the new type aluminum structure with mortise-tenon joints in the use of bus / coach body frame, the authors carry out static tests of no skin frame with mortise-tenon joints and twotypes of frames with different forms of outer skin panels. The research results showthat the strengthening role of the skin in the inner surface stiffness of the frame is greater than the outer surface stiffness, the average inner surface stiffness of the skin mortise-tenon frame is 5 times of no skin mortise-tenon frames, and the enhancement effect ofthe Friction Stir Weldingsided skin is more prominent.

Key words:bus / coach; skin panel; mortise-tenon joint structure; mechanical property; test analysis

作者簡介：魏航（1990-），女，碩士；研究方向：電動汽車輕量化結(jié)構(gòu)。

基金項目：廣東省科技計劃項目（2011A010802003）；廣東省科技攻關(guān)計劃（2009A011604003）；東莞市重大科技專項（2011215155）

中圖分類號：U463.83+2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1006-3331（2016）01-0047-04