【技术帖】铝合金榫卯结构的几何特征

虽然对铝合金的焊接技术及其在车辆中的应用开展了大量研究[1-5],但是,由于铝合金材料的焊接性差、铝合金型材壁薄及焊缝受力复杂等原因,铝合金型材焊接在汽车上的应用并未形成优势。另一种铝合金型材连接技术——“连接角码+螺栓”[6-7]因其工艺效率不高、成本高和连接配件质量大等原因也未得到推广。榫卯结构是一种传统的木结构连接方法,利用构件上互相嵌套的结构实现构件之间的连续性连接,既实现了连接又保持了材料的连续性,同时,榫卯结构还有利于提高装配连接精度。文中提出在铝合金型材之间采用榫卯连接并辅助焊接和角码连接的组合连接方式,以提高型材之间的连接效率、减小质量和降低成本。

对铝合金榫卯结构的研究几乎是空白,与木榫卯结构不同的是,铝合金型材的截面不一定是实心材料、而可能是一个带腔和筋的空心结构,这将导致铝合金榫卯结构出现几何缺陷,从而削弱铝合金榫卯连接的性能。但是,由于铝合金型材截面设计非常灵活,可以通过不同的截面设计对这些缺陷进行一定的弥补,仍然可以获得较好的连接效果。文中系统研究了铝合金榫卯结构的几何特点及几何缺陷,提出了面向榫卯连接的铝合金型材截面拓扑设计原则,给出了工程应用中的典型铝合金榫卯结构类型。

1.1 铝合金基础榫卯结构

如果不考虑铝合金型材的空心特点,铝合金型材基础榫卯结构和木榫卯结构完全相同。设两根铝合金型材B1 和B2 互相垂直交叉,在交叉处采用穿插式榫卯结构,如图1 所示,在此特称B2 为榫头型材,B1 为卯孔型材,其中,型材B2 的头部为榫头,插入型材B1的卯孔中。图1 中,参考B1 和B2 的长度方向l1 和l2建立榫卯结构的参考坐标系O-xyz,称O-xy 坐标面为主榫卯面(简称主面),O-xz 坐标面为榫垂面,O-yz 坐标面为卯垂面。

图1 铝合金基础榫卯结构及坐标系

榫头和卯孔之间的接触面称为榫卯面,榫卯面成对出现在榫头和卯孔上并互相接触,并通过榫卯面之间的接触承受压力,但是不能承受拉力。为便于分析,约定榫卯面中平行于主面的榫卯面称为主侧面,平行于榫垂面的榫卯面为副侧面,平行于卯垂面的榫卯面为台阶面。

可见,实心铝合金榫卯结构和普通榫卯结构一样,均由榫头、卯孔和榫卯面所组成。实心铝合金榫卯结构采用成对的榫卯面限制型材的运动,采用榫头材料和卯孔周边材料承受外部载荷。

1.2 铝合金榫卯结构的固定

榫卯结构并未完全限制两根型材之间的相对运动,需要对未限制的运动进一步实施固定。

(1)焊接固定加强 在榫卯结构外相贯线上实施焊接,如图2a 所示。

图2 铝合金榫卯结构的固定

(2)角码固定加强 在榫卯结构基础上增加角码辅助固定零件。三角片是一种最简单的角码,将三角片的两个垂直边通过焊接或粘接的方式分别固定到两个型材上,可实现榫卯结构的固定加强,如图2b 所示。

可见,铝合金榫卯结构与木榫卯结构还是有较大的区别,铝合金榫卯结构在焊接加固后实际上是一种“榫卯+焊接组合连接”,铝合金榫卯结构在角码加固后实际上是一种“榫卯+角码+焊接组合连接”。通过多种连接的组合,避免了单一连接的不足,提高了整体连接的性能。

大部分的铝合金型材都是空腔型材,由于空腔的存在,两根空腔型材之间的榫卯结构可能存在以下几种几何缺陷：榫卯面缺失、榫头破缺和卯孔壁破缺。理论上,榫卯面是成对出现在榫头和卯孔上的(简称榫卯面组),但是由于铝合金型材空心,可能会导致榫卯面组中会丢失一个,甚至两个面,即出现单榫卯面组或空榫卯面组;同时,由于榫卯面也是榫头或卯孔的外表面,当出现榫卯面缺失时,会导致榫头或卯孔壁的外表面不完整,出现榫头破缺或卯孔破缺。

铝合金榫卯结构的几何缺陷取决于型材截面上材料的分布情况,两者之间的关系如表1 所示。表1 分别显示了主侧面、副侧面和台阶面是否会出现丢失,以及出现丢失的原因。

表1 铝合金型材截面的材料分布与榫卯面缺陷之间的关系

由表1 分析可知,铝合金榫卯结构中的副侧面和台阶面的组合中一定会出现丢失榫卯面的情况,导致出现单榫卯面组(有面-丢面)和空榫卯面组(丢面-丢面),只有主侧面的组合中可能成对出现榫卯面(有面-有面),但是如果截面内部壁厚材料设计分布不合理,主侧面组也可能出现单榫卯面组(有面-丢面)和空榫卯面组(丢面-丢面)的情况,因此,导致出现榫卯结构的几何缺陷。

为了分析铝合金榫卯结构的性能与特点,需要一系列相关的表征参数,从几何、力学和轻量化3 方面建立铝合金型材及榫卯结构的基本特征参数。

(1)型材几何参数

铝合金型材截面形态各异,但可以用6 个共性几何参数表达其基本几何特点：

式中：A0——型材截面的材料面积,该面积大小反映了型材截面材料的多少;

A——型材截面的外轮廓所围成的面积,该面积大小反映了型材截面的外部形状大小;

L——型材截面外轮廓周长;

t——型材壁厚(主体结构的壁厚);

h,w——铝合金榫卯结构中任意一个榫头的高度和榫头截面的最大宽度(不同的榫头该参数通常不一样)。

(2)截面刚度特性参数

铝合金型材截面的刚度特性决定了型材的基础力学特性,按材料力学理论,可用型材截面的几何模量来表达型材截面的刚度特性,记为：

式中：Wm,Wt,Wq ——截面弯曲拉压模量、截面扭转剪切模量和截面平行剪切模量,这些参数取决于型材截面的形状和尺寸。

(3)局部刚度特性参数

型材局部刚度是指型材在某一局部结构区域的承载能力,该能力取决于铝合金材料的强度及局部结构刚度,而局部结构刚度又取决于该局部的材料壁厚及局部加强结构特征(例如,局部加强筋、局部加强板、局部转角等),记为：

式中：[σ],[τ] ——铝合金型材的许用拉应力和许用剪应力;

tm——局部壁厚;

c——局部刚度系数,无局部加强结构特征时c=1,否则,c＞1(具体数值需要通过试验确定)。

(4)型材材料面积比

定义以下铝合金型材截面的材料面积比iAA0：

对于开口实心壁厚型材(例如,L,T,U,I 等轮廓形式的型材),iAA0=1,对于带封闭腔的空心型材,iAA0＞1。通常iAA0 越大,型材截面的刚性越好,轻量化效果也越好。

(5)型材周长面积比

定义以下铝合金型材截面的周长面积比iLA：

iLA 越大,表明该型材的相对外围周长越大,作为榫头结构时,榫头和卯孔的接触面积越大,越有利于减小榫卯面上的压力,有利于连接的稳定性。

(6)榫头高宽比

对任意一个榫头,定义铝合金榫头的高宽比ihw 为：

ihw 反映了铝合金榫头的细长形态,ihw 越大,表示榫头越细长,越有利于连接的稳定性。

(7)型材轻量化系数

定义铝合金型材的轻量化系数ilight 为：

ilight 越大,表明同样的截面材料能够具有更好的截面性能,越有利于轻量化。

在进行铝合金型材截面拓扑设计时主要考虑两条原则：(1)尽量提升铝合金型材的各项性能参数指标;(2)尽量减少榫卯结构的几何缺陷。

4.1 截面轮廓拓扑

截面轮廓拓扑对铝合金型材的各项性能参数影响很大。理论上,能够挤压成型的任何截面拓扑都可以作为型材截面形状。根据型材截面轮廓的几何特征,可将铝合金型材截面分为薄壁封闭截面、厚壁开口截面和薄壁组合截面3 大类。不同类型的截面其性能各不相同,应用场合也各有不同,定性的对比分析如表2所示。假定各铝合金型材截面的材料面积A0 相同。

表2 3 类型材的性能分析

4.2 截面内部结构拓扑

为了减小由于铝合金型材内部空腔所带来的铝合金榫卯结构的几何缺陷,对铝合金型材截面的内部结构进行合理设计,图3 给出了卯孔型材截面内部结构拓扑的参考模型。

图3 卯孔型材截面内部拓扑参考模型

该内部结构拓扑参考模型具有以下几何特征：

(1)构造主榫卯面 在两个型材的主侧面位置均布置水平壁厚结构(错开壁厚高度),提供完整的榫卯主侧面榫卯面组,如图4a 所示。主榫卯面是榫卯结构的主要受力面。

图4 型材截面典型内部几何特征

(2)构造主榫卯带 如无法构造完整的主榫卯面结构,可在主侧面位置布置凹槽结构,在主侧面上形成带状接触区域,局部发挥主榫卯面的作用,如图4b 所示。

(3)构造主榫卯边 如无法构造主榫卯带结构,可在主侧面位置布置筋结构,在主侧面上形成线状接触区域,局部发挥主榫卯面的作用,但是作用较小,如图4c 所示。

(4)构造副榫卯边 布置水平腹板结构,可在副侧面上形成线状接触,局部发挥副榫卯面组的作用,但是作用较弱,如图4d 所示。

(5)构造内外相贯线 保证型材外表封闭且卯孔型材高度大于榫头型材高度,可获得完整的外相贯线,如图4e 所示;如果在卯孔型材腔内布置竖直腹板结构,与榫头型材穿插配合后可形成内部相贯线,如图4f所示。相贯线有利于榫卯连接的稳定。

具体应用中不一定要构造上述所有几何特征,可根据实际情况合理选择利用,优先保证封闭的外相贯线和主榫卯面组,之后依次是封闭的内相贯线、主榫卯带、主榫卯边和副榫卯边。

由于铝合金型材具有空心多腔的特点,铝合金榫卯结构的类型没有木榫卯结构那么多,但仍然可以发挥铝合金截面设计灵活的特点,专门设计一些适用的铝合金榫卯连接的类型。

两根铝合金型材之间的榫卯结构可按不同特点进行分类：(1)按榫卯部位可分为X,T,L 和I 形(直通榫);(2)按榫卯面是否封闭可分为闭口榫和开口榫;(3)按连接后两根型材外表面是否齐平可分为台阶榫、单面齐平榫和双面齐平榫;(4)按两根型材是否穿透可分为穿透榫和盲榫。典型的铝合金榫卯结构如表3 所示。

表3 典型铝合金榫卯结构基本类型及特点

注：蒙皮*是指榫卯连接后,在型材的外表面上进行蒙皮;L***和I***榫卯结构是通过专门的接头对型材进行连接,其本质是3 个构件之间的组合榫卯连接,接头与两根型材之间分别形成榫卯结构。

(1)铝合金榫卯结构由榫头型材、卯孔型材和固定加强结构所构成。

(2)由于铝合金型材的多腔空心结构特点,导致铝合金榫卯结构中的榫卯面出现大量丢失现象,因此,榫卯面、榫头和卯孔出现几何缺陷,会明显降低榫卯结构的力学性能,需采取焊接、码接等固定加强措施对其进行有效弥补。

(3)定义了7 类基本参数用于描述铝合金榫卯结构的几何特点和性能特征,为铝合金榫卯结构的分析提供了依据,据此研究了3 类典型的型材截面外轮廓拓扑的特点及应用场合。

(4)提出了型材截面内部结构拓扑的参考模板,该模板可以尽量减少榫卯面的几何缺陷。

(5)对工程中的铝合金榫卯结构进行了分类,提供了X,T,L 和I 形这4 类共10 种有实用价值的铝合金榫卯结构类型。