鋁合金薄壁梁結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計及其變形行為的研究.pdf

1、薄壁梁具有質(zhì)量輕，強度高，變形穩(wěn)定等特點，被廣泛的應(yīng)用于現(xiàn)代汽車車身結(jié)構(gòu)中。汽車薄壁梁結(jié)構(gòu)的典型變形工況為彎曲變形與軸向壓縮變形。本文針對兩種典型變形工況，系統(tǒng)研究了鋁合金薄壁梁的變形行為及設(shè)計方法，為汽車鋁合金結(jié)構(gòu)的設(shè)計開發(fā)提供理論支持。
　　基于顯式動力學(xué)有限元分析軟件，以混合元胞自動機(HCA)作為優(yōu)化計算模型，對鋁合金前碰撞橫梁的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。針對拓撲優(yōu)化結(jié)果，采用模擬退火法優(yōu)化橫梁壁厚尺寸，獲得薄壁、中空且?guī)в屑訌娊?/p>

2、結(jié)構(gòu)的鋁合金前碰撞橫梁設(shè)計方案。通過三點彎曲、擺錘沖擊與臺車碰撞實驗與數(shù)值仿真驗證，鋁合金前碰撞橫梁比原鋼質(zhì)橫梁質(zhì)量減輕了25％，抗彎曲性能提高52％，吸能性能提高了45.6％。結(jié)果表明，采用元胞自動機優(yōu)化設(shè)計得到的鋁合金橫梁滿足法規(guī)要求，具有良好的耐撞性，能夠?qū)嚿砥鸬捷^好的防護作用。
　　以6063鋁合金多胞截面擠壓型材為研究對象，通過準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗，研究了鋁合金薄壁梁結(jié)構(gòu)的軸向壓縮變形行為。鋁合金薄壁梁試樣在180℃條件下時

3、效0min-540min，使用WAW-E600型萬能試驗機沿軸向壓縮薄壁梁試樣，研究不同時效狀態(tài)下鋁合金薄壁梁結(jié)構(gòu)的軸向壓縮性能。結(jié)果表明，隨著時效時間的增加，鋁合金薄壁梁試樣的軸向壓縮變形由歐拉模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槭诛L(fēng)琴模式，試樣的名義載荷與吸能性能也隨之增加。時效540min試樣以手風(fēng)琴模式變形，其吸能性能較未時效試樣提高99％。研究發(fā)現(xiàn)，材料的彈性模量與切線模量對于薄壁梁結(jié)構(gòu)的軸向壓縮變形模式有較大的影響。提出使用變形模式參考系數(shù)Ψ判斷

4、薄壁梁結(jié)構(gòu)的變形行為。隨著Ψ的降低，試樣的變形由歐拉模式轉(zhuǎn)變?yōu)槭诛L(fēng)琴模式。同時，鋁合金薄壁梁結(jié)構(gòu)的變形模式會隨著材料彈-塑性過渡階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化率的降低逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槭诛L(fēng)琴模式。
　　通過在鋁合金薄壁梁結(jié)構(gòu)一端合理開設(shè)單排誘導(dǎo)孔，可以使試樣的第一峰值載荷降低7％-12％，其變形由歐拉模式轉(zhuǎn)化為混合模式，由鉆石模式轉(zhuǎn)化為手風(fēng)琴模式。與相同時效狀態(tài)的原始薄壁梁試樣相比，開設(shè)誘導(dǎo)孔后，試樣的變形過程更加規(guī)律穩(wěn)定。在原變形為歐拉模式和鉆

5、石模式的鋁合金薄壁梁上開設(shè)誘導(dǎo)孔后，試樣壓縮變形的名義載荷增加，吸能性能提高;在原變形為混合模式和手風(fēng)琴模式的薄壁梁結(jié)構(gòu)上開設(shè)誘導(dǎo)孔后，試樣的吸能性能略有降低。在180℃條件下時效30min的鋁合金薄壁梁試樣上開設(shè)多排誘導(dǎo)孔，進行了一系列薄壁梁軸向壓縮試驗，結(jié)果表明，誘導(dǎo)孔的位置及孔徑對薄壁梁試樣的變形行為有較大的影響。當(dāng)誘導(dǎo)孔直徑過大，薄壁梁誘導(dǎo)孔45°對角線位置首先發(fā)生失穩(wěn)變形，試樣的壓縮變形模式為燈籠模式，是一種全新的薄壁梁壓縮變

6、形模式。在該變形模式下，試樣的變形載荷波動較小，壓潰穩(wěn)定，但由于可壓縮距離減少，試樣的總吸能性能有所降低。
　　采用萬能試驗機進行了標(biāo)準(zhǔn)試樣準(zhǔn)靜態(tài)拉伸，S型試樣準(zhǔn)靜態(tài)拉伸和薄壁梁試樣的軸向壓縮試驗。在準(zhǔn)靜態(tài)軸向壓縮試驗過程中，6061鋁合金薄壁梁試樣發(fā)生開裂，而6063鋁合金試樣未發(fā)生失效，但是拉伸試驗結(jié)果表明兩種材料具有相同的延伸率。通過光學(xué)顯微鏡觀察拉伸試樣表面可知，6061鋁合金試樣表面出現(xiàn)橘皮狀組織，而6063鋁合金試樣表

7、面光滑。使用金相顯微鏡觀察試樣的顯微組織，6063鋁合金為典型的等軸狀再結(jié)晶組織，而6061鋁合金存在大量彌散的金屬間化合物，晶粒組織較粗大。使用Cockcroft-Latham韌性斷裂準(zhǔn)則預(yù)測鋁合金材料的失效行為。通過單向拉伸試驗和數(shù)值仿真相結(jié)合的方法，得到了鋁合金發(fā)生韌性斷裂的臨界應(yīng)變能，并通過S形試樣的拉伸試驗及薄壁梁結(jié)構(gòu)的壓縮試驗與數(shù)值仿真結(jié)果對比，驗證了Cockcroft-Latham韌性斷裂準(zhǔn)則的準(zhǔn)確性。使用該失效準(zhǔn)則預(yù)測鋁