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原文传递铝合金薄壁梁结构轻量化设计及其变形行为的研究

论文题名：	铝合金薄壁梁结构轻量化设计及其变形行为的研究
关键词：	铝合金;薄壁梁结构;轻量化设计;变形模式;诱导孔;失效准则
摘要：	薄壁梁具有质量轻，强度高，变形稳定等特点，被广泛的应用于现代汽车车身结构中。汽车薄壁梁结构的典型变形工况为弯曲变形与轴向压缩变形。本文针对两种典型变形工况，系统研究了铝合金薄壁梁的变形行为及设计方法，为汽车铝合金结构的设计开发提供理论支持。　　基于显式动力学有限元分析软件，以混合元胞自动机(HCA)作为优化计算模型，对铝合金前碰撞横梁的结构进行优化设计。针对拓扑优化结果，采用模拟退火法优化横梁壁厚尺寸，获得薄壁、中空且带有加强筋结构的铝合金前碰撞横梁设计方案。通过三点弯曲、摆锤冲击与台车碰撞实验与数值仿真验证，铝合金前碰撞横梁比原钢质横梁质量减轻了25％，抗弯曲性能提高52％，吸能性能提高了45.6％。结果表明，采用元胞自动机优化设计得到的铝合金横梁满足法规要求，具有良好的耐撞性，能够对车身起到较好的防护作用。　　以6063铝合金多胞截面挤压型材为研究对象，通过准静态压缩试验，研究了铝合金薄壁梁结构的轴向压缩变形行为。铝合金薄壁梁试样在180℃条件下时效0min-540min，使用WAW-E600型万能试验机沿轴向压缩薄壁梁试样，研究不同时效状态下铝合金薄壁梁结构的轴向压缩性能。结果表明，随着时效时间的增加，铝合金薄壁梁试样的轴向压缩变形由欧拉模式逐渐转变为手风琴模式，试样的名义载荷与吸能性能也随之增加。时效540min试样以手风琴模式变形，其吸能性能较未时效试样提高99％。研究发现，材料的弹性模量与切线模量对于薄壁梁结构的轴向压缩变形模式有较大的影响。提出使用变形模式参考系数Ψ判断薄壁梁结构的变形行为。随着Ψ的降低，试样的变形由欧拉模式转变为手风琴模式。同时，铝合金薄壁梁结构的变形模式会随着材料弹-塑性过渡阶段应力-应变曲线变化率的降低逐渐转变为手风琴模式。　　通过在铝合金薄壁梁结构一端合理开设单排诱导孔，可以使试样的第一峰值载荷降低7％-12％，其变形由欧拉模式转化为混合模式，由钻石模式转化为手风琴模式。与相同时效状态的原始薄壁梁试样相比，开设诱导孔后，试样的变形过程更加规律稳定。在原变形为欧拉模式和钻石模式的铝合金薄壁梁上开设诱导孔后，试样压缩变形的名义载荷增加，吸能性能提高;在原变形为混合模式和手风琴模式的薄壁梁结构上开设诱导孔后，试样的吸能性能略有降低。在180℃条件下时效30min的铝合金薄壁梁试样上开设多排诱导孔，进行了一系列薄壁梁轴向压缩试验，结果表明，诱导孔的位置及孔径对薄壁梁试样的变形行为有较大的影响。当诱导孔直径过大，薄壁梁诱导孔45°对角线位置首先发生失稳变形，试样的压缩变形模式为灯笼模式，是一种全新的薄壁梁压缩变形模式。在该变形模式下，试样的变形载荷波动较小，压溃稳定，但由于可压缩距离减少，试样的总吸能性能有所降低。　　采用万能试验机进行了标准试样准静态拉伸，S型试样准静态拉伸和薄壁梁试样的轴向压缩试验。在准静态轴向压缩试验过程中，6061铝合金薄壁梁试样发生开裂，而6063铝合金试样未发生失效，但是拉伸试验结果表明两种材料具有相同的延伸率。通过光学显微镜观察拉伸试样表面可知，6061铝合金试样表面出现橘皮状组织，而6063铝合金试样表面光滑。使用金相显微镜观察试样的显微组织，6063铝合金为典型的等轴状再结晶组织，而6061铝合金存在大量弥散的金属间化合物，晶粒组织较粗大。使用Cockcroft-Latham韧性断裂准则预测铝合金材料的失效行为。通过单向拉伸试验和数值仿真相结合的方法，得到了铝合金发生韧性断裂的临界应变能，并通过S形试样的拉伸试验及薄壁梁结构的压缩试验与数值仿真结果对比，验证了Cockcroft-Latham韧性断裂准则的准确性。使用该失效准则预测铝合金的失效行为，具有参数求解方便，计算精度高等优点，非常适用于铝合金车身以及零部件在碰撞过程中失效行为的预测。
作者：	王冠
专业：	机械工程
导师：	李落星
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文