探索材料新思路 铝在商用车上应用介绍

●  1.简介

    欧洲为铝的结构设计的新代码，作为本章的基础。标准名称是：
    EN 1999 Eurocode 9：铝结构的设计
    Part 1-1 一般结构规则
    Part 1-2 防火结构设计
    Part 1-3 易疲劳结构
    Part 1-4 由于冷形成结构的护墙板
    Part 1-5 框架结构
    Part 1-1 为静态设计使用，Part 1-3 在本章为“疲劳”设计。

    欧洲新标准正开发铝的结构性，不久将公开。建议使用相关标准执行在商用车的铝部件。

    标准名称是：EN 1090-3：钢结构的实行，铝结构--Part 3：铝结构的技术要求。

●  2.铝的潜能

    铝设计的优势：

    高强度与重量的比率

    可以通过挤压工艺创造您自己要求的截面

    很好的抗腐蚀性

    车辆使用寿命长

    易使用

    易修理

    特别为产品设计，使用量身定做的型材与其他金属相比，铝具有巨大的优势。在外形设计中，这种材料可以作为最佳的。相关细节是，它可以缓解制造及铸造的相关组件。

●  3.符号含义

    本节定义的经常使用的标志
    Fo 0.2%保证强度(弹性极限强度)的特征值
    Fu 极限抗拉强度特征值
    Fub 螺栓拉伸极限强度
    E 弹性系数
    d 螺栓直径
    do 孔直径
    t 壁厚
    A 横截面积
    W 截面系数
    γM 抵抗力的部分安全因素，在EN 1999-1-1：
    脚标Ed 用于的负载效应。这可能是对轴向里(NEd)，弯矩(MEd)，剪切力(VEd)，扭转(TEd)，螺栓连接力（(Fv,Ed代表剪切力，Ft,Ed代表张力）。

●  4.铝与钢的对比

    铝和钢是相对高强度金属。材质均不可燃，也不会助燃。对于结构用途的主要区别有：

    弹性：铝的弹性系数是钢的1/3。这意味着相同截面的铝和钢有相同的负载时，钢要偏转三倍。

    重量：铝的密度是钢的1/3。这意味着，在相同截面的情况下，钢的重量要比铝重3倍。

    焊接：当焊接硬化铝合金，一些硬化的效果将会消失。在受热区域(HAZ)的影响下，强度将减少。

    这样的减少，取决于合金，韧度，产品类型，焊接工艺。通常情况下，钢在焊接后强度不会减少。

    热延长：铝的热延长的系数是钢的两倍。这意味着，具有相同温度差异，铝和相似的钢，铝将得到2倍的热延长。由于铝的弹性系数是钢的1/3，铝的固定压力，是相似钢的2/3。

    大多数铝合金结构有相对高的“强度与E系数”的比率。当铝合金应变硬化或热处理时，这种效果尤其明显。铝合金结构比标准钢的比率多两倍。然而，当与高强度的刚想比较时，铝合金构造有相同的“强度于E系数”的比率。还应指出的是，合金的弹性系数主要取决于它的同族金属。换句话说，所有的铝合金都有相似的E-系数，但这也适用于钢合金。因此，所谓的“高强度钢”没有比低碳钢更好的弹性性能。钢的设计师经常用材料的强度作为控制的标准，当设计钢的结构和检查后，是否偏转是其中的要求。

    当设计铝结构时，它经常会偏离标准进行操控。出于这个原因，设计过程将开始偏向别的标准，它将被检查，之后如果结构的压力或抵抗力在限度之中。

    偏转下弯曲的荷载取决于弹性系数（E）并且在负载和跨度的惯性同时存在。在同样的跨度和负载下，它将是E x I产品，决定转向问题。

    要得到钢和铝同样弯曲程度的偏离，铝的惯性必须是钢的三倍。如果增加惯性是可以做到的仅仅是增加厚度及flanges就可以了，铝和钢将有同样的重量。

    为了减少重量，铝要弯曲的程度更大些。例子将说明这个问题，铝将有和IPE 240钢相同的偏转。惯性和IPE 240的质量。

    I=38.9·106mm4.
    mass=30.7kg/m.

    铝必须有惯性I=116.7·106mm4达到相同的偏离。

    如果铝合金的高度是240mm，这将符合I240x240x12x18.3的惯性，质量是
    I=116.6·106mm4
    mass=30.3kg/m

     如果铝合金的高度是300mm，偏离标准将满足I300x200x6x12.9的惯性I=116.7·106mm4，质量=18.4kg/m，节省40%的重量。

     I330x200x6x10将有的惯性I=117.3·106mm4，质量=15.8kg/m，节省49%的重量。 这三个不同的铝将和IPE 240一样有相同的偏离。这将是beam的稳定性和形状，将决定beam的重量。表VI.1显示，beam和重量有所减轻。

    铝结构的压力设计根据偏离标准经常会很低。在接下来钢beam的例子中，IPE 240和铝beam I330x200x6x10相比较（两个beam在表VI.1中都有显示）。偏离标准是跨度(24mm)的1/250,跨度是6000mm，负载是11.6kN/m。图VI.1，钢S355应力应变的曲线和铝EN AW-6082 T6是有显示的。钢和铝beam的应力应变也是有显示的。在相同的偏离下，相同的负载和相同的跨度，钢beam有161 MPa的弯曲压力，同时铝beam有73 MPa的弯曲压力。当弯曲24mm时，压力达到最大值。

●  5.极限状态设计

    极限状态设计和部分安全因素方法是新设计标准的基础。欧洲标准EN 19xx在城市工程师是所有材料的基础。铝的实际标准是：

    EN 1990 Eurocode—机构设计的基础
    EN 1991 Eurocode 1—结构上采取措施。全部
    EN 1999 Eurocode 9—铝结构的设计
    EN 1990给部分负荷的安全和规则因素荷载组合有不同的动作效果。
    EN 1991给结构和建筑物提供特殊的负载，像自重，活的荷载，风荷载，雪荷载，交通负载等等。
    EN 1999为铝结构设计规则。

    什么是最终极限状态

    最终极限状态是安全结构被预算的条件。结构将瓦解，设计按照最终极限状态将避免结构的失败。

    部分安全系数的阻力(γM)应顾虑强度性能的散射和几何横截面。用于连接部分的安全系数将兼有在缝隙的不确定性，在螺栓和螺栓的配置。负载效应(γF)的部分安全因素顾虑确定散射，负荷的概率，在不同负荷的组合。不同安全因素不同于负载类型，他们肯定他们是如何组合的。横载（结构的自重）有部分低的安全因素，而活载（例如，各方面的力量，是可变的，在运行期间，例如，货物的重量，道路震动等等）具有较高的局部安全系数。

    条件满足： Rk/γM≥γF·Ek

    Rk是阻力的特征值；它可以轴向拉伸和挤压，弯曲，剪切或阻力合并。

    Ek是负载效应的特殊价值；它可轴向拉伸或挤压，弯曲，在一个截面或连接面剪切或结合负载效应。

    γM是抵抗部分安全因素，也经常称之为物质因素。

    γF是负载效应的部分安全因素，也常称之为负载因素。图VI.2中有相关显示。

    部分安全因素的典型价值，部分阻力是1.10(gM1)，，螺栓是1.25(γM2 and γMw)。铆钉连接和焊接连接。这些材料因素是为建筑物和土木工程，也常用于结构设计，因为材料，几何尺寸及连接制造几乎于铝结构相似。

    什么是正常使用极限状态

    使用极限状态是正常使用及现状太必须得到满足的一个条件。使用最多的使用极限状态是：
    在各个方面的偏转极限，像震动一样的动态效果

    正常使用极限状态抵抗(gM)部分安全因素和负载效应(γF)的部分安全因素是1.0。

●  6.使用极限服务状态

    所有的预算在使用极限服务状态都是弹性计算。弹性变形是被计算和极限偏离的比较。震动的大小以同样的方式被计算出来。如果震动有很高的周期，变量元素和连接细节，要做疲劳检查。
通常情况下，弹性偏离的计算基于总截面变量元素的惯性。在第四类（请见section 7.2.4 in EN 1999-1-1）截面的变量元素，有必要减少惯性，如果强调压缩部分的截面比强调局部发生弯曲要高。

    计算截面偏离第四类变量元素的惯性：

    σ_gr是在截面上，基于总截面的特性，压力压缩极限服务状态上的最大值。

    l_gr总截面的瞬间惯性

    l_eff是有效截面在最终极限状态的瞬间惯性，局部弯曲的宽限。

    7.1. 横截面类

    截面分为四类。在表VI.2，不同的类型确定怎样的截面，在压缩和弯曲时。这与截面的阻力（承重能力）有直接的关系。截面薄的部分也许系在压力最低的地方，这将减少截面的阻力。这是考虑到横截面的分类规则。

    EN 1999-1-1，6.1.4规定如何给截面分类。β值（例：宽与厚的比）是可算的：

    b=截面部分的宽，t=相应厚度，η=取决于压力的值和如果部分是外在的或内部是截面。

    不同类别或焊接非焊接或外在内在部分分别给β值不同的限制。

    大部分铝在商务车结构将在重量上被优化。截面第一类和第二类将因此很少被使用。

    第三类和第四类的截面的弹性设计将呈现常态。

    7.2. 承重阻力

    承重阻力总是比负载效应的因素高。EN 1999-1-1规定计算不同变量元素承重阻力要通过不同的负载效应。在表VI.3，一些规则列表请参考：

    7.3. 焊接连接

    7.3.1. 普遍性

    EN 1999-1-1规定，第8.6，通过MIG或TIG适用于结构焊接，按照EN 1090-3的焊缝质量。持证焊接被强烈推荐。

    被推荐的焊接消耗品有：

    第VIII节，第3.8部分
    EN 1999-1-1，第3.3.4部分
    EN 1011-4

    当焊接硬化铝合金时，部分硬化效果被毁坏。焊接连接可以有三个优势：

    同族材质(fo)之一（非热效应）
    处于热效应区域(fo,HAZ)
    焊接金属之一(fw)
    通常情况下，有必要检验在HAZ和焊接的压力。

    在HAZ下的强度取决于合金，韧度，产品类型，焊接部分。价值在EN 1999-1-1表3.2。

    焊接的强度（焊接金属）依赖于填充金属（焊接消费品）并且合金被焊接。

    价值在EN 1999-1-1表8.8中体现。

    没有后盾的单面对接焊缝几乎不可能焊接在铝上。如果不能避免单面对接焊缝，有效接缝厚度可以被视为：

    为J和U型共同筹备深度

    共同筹备深度减去3毫米或是25%，任何比V或斜角型少。

    除了单面对焊，角的焊缝用于弥补焊接的低渗透。

    当设计一些焊接措施时应注意的是：

    为焊接槽提供一个很好的接口。设备的焊接头通常用来焊接铝是最够大的，因此在接缝附近要有足够大的空间。

    好的接口也需要检查接缝。全部接缝将100%被肉眼检查再加上一些非破坏性的测试(NDT)。
    全面渗头单面焊接不可能焊接没有后盾。
    如果可能，接缝位置的压力将很低。

    7.3.2. 焊接处

    重负荷元素应该焊接全面渗透的焊接。全面渗透焊接的有效厚度应该应该被视为和最薄连接的厚度。有效长度应该被视为总长，如果运行与非运行的板材被使用。如果不是，那么板长将减少为有效厚度的两倍。（图VI.3）

    焊接设计公示：正常压力，张力或压缩力，垂直于焊接轴：

    剪切压力：

    结合正常压力和剪切压力：

    7.3.3. 角焊缝

    角焊缝定义焊缝厚度用毫米。
    图VI.4显示如何测量焊缝厚度。
    有效长度可被视为焊接总长：
    焊接长度至少是焊缝厚度的八倍。
    焊接长度不超过焊缝厚度的100倍在非平均压力分配下。
    压力分布和焊接长度一样均为常数。

    作用在角焊缝上的压力将被解析为压力单位元素，相对间距部分（请看图VI.7）这些单位元素为：
    σ⊥：垂直于间距的正常压力
    σ∥平行于焊缝轴线T的正常压力
    τ⊥作用在间距垂直于焊缝的剪切力
    τ∥作用在间距平行于焊缝的剪切力
    角焊缝的设计公式：

    7.3.4. 热效应区

    热效应区的压力必须被检查。为焊接和角焊缝计算最小飞机的压力。以下(ref. BS 8118)描述了飞机的焊接(Figures VI.8, VI.9,VI.10, VI.11)

    W:焊接金属，检查焊接

    F:热效应区，检查融合边界

    T:热效应区，检查截面

    7.4. 螺栓连接

    螺栓连接规定，在EN 1999-1-1，第8.5条，

    最小，常规，最大空间，底和边缘的的距离的螺栓，请见表VI.4。

    d₀是孔的直径，t=板材的厚度
    适合螺栓的最大通径是0.3毫米非适合螺栓是1.0毫米。
    螺栓连接的失效模式可以是：
    分段模式，沿着剪切一组螺栓，一排螺栓剪切失败，沿着面对一组螺栓的张力。
    螺栓剪切失败
    螺栓孔剪切失败
    螺栓的张力失败
    冲压剪切螺栓头或螺母
    结合剪切及拉伸失败

    连接细节通过拉伸力量，拉伸不直接通过螺栓，螺栓上要有额外的效力。这些效力被称为窥探效力(Q)并且他们相当重要。请见图VI.12。