鋁合金結構的案例
鋁合金結構的連接
國外幾種主要的鋁合金結構規范關于螺栓材料選用的規定：
歐洲鋁合金結構設計規范（prEN 1999-1-1：2002，簡稱歐規）：允許使用鋁合金螺栓、不銹鋼螺栓和鋼螺栓，并規定了這3類材料的力學性能值；
英國鋁合金結構設計規范（BS 8118：1991，簡稱英規）：允許使用鋁合金螺栓、不銹鋼螺栓和鋼螺栓，但未規定不銹鋼螺栓和鋼螺栓的力學性能值；
美國鋁合金結構設計規范(Specifications and guidelines for aluminum structures:1994，簡稱美規)：僅允許使用鋁合金螺栓。
參考以上規范，本規范規定宜采用鋁合金、不銹鋼螺栓，也可采用鋼螺栓。未作表面保護的鋼螺栓同鋁合金構件之間會發生電化學腐蝕，故使用鋼螺栓時，必須做好表面處理，且表面鍍層應保證具有一定的厚度。
鋁合金結構連接中采用有預拉力的高強度螺栓應符合一定的適用條件：
歐規和英規均規定了構件材料名義屈服強度f0.2的最低值，歐規為200N/mm2，英規為230N/mm2。如不符合這一條件，則高強度螺栓連接節點的強度就應南試驗來測定。而在美規中只允許使用普通螺栓，對高強度螺栓未作相應規定。
根據有關文獻研究:當高強度螺栓的抗拉強度 超過鋁合金構件抗拉強度fu的3倍時，如不采取特別的構造措施（如采用較大直徑的硬質墊圈），則螺栓內強大的預拉力會造成與螺栓頭或螺母相接觸的鋁合金構件表面損傷，進而引起螺栓松弛和預拉力損失。在極端溫度變化或連接較長時，由于鋁合金構件與鋼螺栓具有不同的熱傳導系數，將會引起摩擦面抗滑移系數的變化，進而影響連接節點的強度。
展開 雙支座鋁合金立柱計算分析方法對比
[3] GB50429-2007《鋁合金結構設計規范》[S]
來源：中國幕墻網
基于COMSOL的三明治復合結構泡沫鋁隔聲性能研究
因此，本文利用COMSOL有限元軟件，針對泡沫鋁、鋁合金和碳纖維復合材料三種材料組合而成的三種常見三明治復合結構泡沫鋁進行了三維幾何建模和聲學建模，并對其傳遞損失進行了數值仿真計算。分析了不同材料組合對三明治復合結構泡沫鋁隔聲性能的影響。為實際工程應用中三明治復合結構泡沫鋁的設計和優化提供了一定的理論基礎。
1 三明治復合結構泡沫鋁
1.1 三維幾何模型
將泡沫鋁、鋁合金、碳纖維復合材料三種材料進行組合，構建了鋁合金-泡沫鋁-鋁合金、碳纖維復合材料-泡沫鋁-碳纖維復合材料以及碳纖維復合材料-泡沫鋁-鋁合金等三種常見三明治復合結構泡沫鋁三維幾何模型，如圖1所示，其具體幾何尺寸參數如表1所示。
表1 三明治復合結構泡沫鋁三維幾何模型尺寸參數
圖1 三明治復合結構泡沫鋁三維幾何模型
1.2 聲學模型
基于COMSOL軟件構建了鋁合金-泡沫鋁-鋁合金、碳纖維復合材料-泡沫鋁-碳纖維復合材料以及碳纖維復合材料-泡沫鋁-鋁合金等三種常見三明治復合結構泡沫鋁聲學模型，如圖2所示，其中泡沫鋁、鋁合金及碳纖維復合材料技術參數如表2所示。
表2 泡沫鋁、鋁合金及碳纖維復合材料技術參數
圖2 三明治復合結構泡沫鋁聲學模型
2 三明治復合結構泡沫鋁傳遞損失計算
(1)域方程
在傳遞損失計算過程中使用“壓力聲學，頻域”接口在頻域求解此問題。模型求解的方程是修正的亥姆霍茲方程[6],求解聲壓p:
其中，c是聲速，ρ是密度，ω是角頻率。由于材料不同密度也會不同，因此方程中須包含密度。假設本模型在低頻范圍內主要存在抗性衰減。因此，不包含阻性衰減。
(2)邊界條件
邊界條件有三種不同類型。
展開 基于LS-DYNA的鋁合金前防撞橫梁結構設計與優化
圖3.6 原鋼制前防撞梁系統100%重疊剛性墻低速碰撞能量時間曲線
4、鋁合金前防撞橫梁的結構確定
鋁合金橫梁截面形狀采用中空加強筋結構能兼顧質量、成本和性能，此次研究使用軟件一共快速分析了12種截面形狀。在得出最優田字形截面形狀后，采用LS-OPT對加強筋各處壁厚進行了多目標優化數學模型的求解，具體設置如下：
尺寸多目標優化的研究對象是鋁合金橫梁截面結構各自的壁厚，因此對于田字形截面形狀的橫梁來說，它的截面形狀可以分為前端面、背端面、外加強、橫向內加強筋和縱向內加強筋，其中外加強筋的壁厚上下是一致的，橫向內加強筋和縱向內加強筋的壁厚可以不盡相同，截面結構如圖4.1所示。
圖4.1 鋁合金橫梁截面結構
由于鋁合金是擠壓型材，所以需要考慮工藝要求和擠壓成本，因此，其截面形狀不能過于復雜，并且壁厚不能過小。對于田字形截面形狀來說，有5個壁厚變量，分別是：tinner、tmiddle、touter、tribgn和tribrow，與它的截面結構相對應，5個壁厚變量的上下限以及初始值如表4.1所示。
表4.1 田字形截面形狀整合數據結果
根據壁厚尺寸多目標優化的目的，選擇優化目標為鋁合金橫梁的總質量和田字形截面形狀橫梁各自前端面、背板的位移輸出節點的位移差值的峰值最小化，而為了使鋁合金橫梁的性能優于原鋼制橫梁，所以約束有三個：一是田字形截面形狀橫梁的前端面沿X方向的最大形變量要小于原鋼制橫梁前端面沿X方向的最大形變量，即38.13mm；二是田字形截面形狀鋁合金前防撞梁系統的支反力峰值要大于原鋼制前防撞梁系統的支反力峰值，即29.25kN；三是田字形截面形狀橫梁的前端面塑性應變量峰值要小于原鋼制橫梁前端面塑性應變量峰值，即0.30。
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一張圖看懂鋁合金
鋁合金是工業中應用最廣泛的一類有色金屬結構材料，在航空、航天、汽車、機械制造、船舶及化學工業中已大量應用。工業經濟飛速發展，對鋁合金焊接結構件的需求日益增多，鋁合金的焊接性研究也隨之深入。目前鋁合金是應用最多的合金。這期小編給大家介紹鋁合金的一些基礎知識。
基于LS-DYNA的鋁合金前防撞橫梁結構設計與優化
圖2.6 原鋼制前防撞梁系統100%重疊剛性墻低速碰撞能量時間曲線
3、鋁合金前防撞橫梁的結構確定
鋁合金橫梁截面形狀采用中空加強筋結構能兼顧質量、成本和性能，此次研究使用軟件一共快速分析了12種截面形狀。在得出最優田字形截面形狀后，采用LS-OPT對加強筋各處壁厚進行了多目標優化數學模型的求解，具體設置如下：
尺寸多目標優化的研究對象是鋁合金橫梁截面結構各自的壁厚，因此對于田字形截面形狀的橫梁來說，它的截面形狀可以分為前端面、背端面、外加強、橫向內加強筋和縱向內加強筋，其中外加強筋的壁厚上下是一致的，橫向內加強筋和縱向內加強筋的壁厚可以不盡相同，截面結構如圖3.1所示。
圖3.1 鋁合金橫梁截面結構
由于鋁合金是擠壓型材，所以需要考慮工藝要求和擠壓成本，因此，其截面形狀不能過于復雜，并且壁厚不能過小。對于田字形截面形狀來說，有5個壁厚變量，分別是：tinner、tmiddle、touter、tribgn和tribrow，與它的截面結構相對應，5個壁厚變量的上下限以及初始值如表3.1所示。
表3.1 田字形截面形狀整合數據結果
根據壁厚尺寸多目標優化的目的，選擇優化目標為鋁合金橫梁的總質量和田字形截面形狀橫梁各自前端面、背板的位移輸出節點的位移差值的峰值最小化，而為了使鋁合金橫梁的性能優于原鋼制橫梁，所以約束有三個：一是田字形截面形狀橫梁的前端面沿X方向的最大形變量要小于原鋼制橫梁前端面沿X方向的最大形變量，即38.13mm；二是田字形截面形狀鋁合金前防撞梁系統的支反力峰值要大于原鋼制前防撞梁系統的支反力峰值，即29.25kN；三是田字形截面形狀橫梁的前端面塑性應變量峰值要小于原鋼制橫梁前端面塑性應變量峰值，即0.30。
展開 分享 | 國家增材中心10m級高強鋁合金重型運載火箭連接環實現一體化制造（材易通）
國家增材制造創新中心、西安交通大學盧秉恒院士團隊利用電弧熔絲增減材一體化制造技術，制造完成了世界上首件10m級高強鋁合金重型運載火箭連接環樣件，在整體制造的工藝穩定性、精度控制及變形與應力調控等方面均實現重大技術突破。
10m級高強鋁合金重型運載火箭連接環實現一體化制造
10米級超大型鋁合金環件是連接重型運載火箭貯箱的筒段、前后底與火箭的箱間段之間的關鍵結構件。該樣件重約1t，創新采用多絲協同工藝裝備，制造工藝大為簡化、成本大幅降低，制造周期縮短至1個月。目前，采用增減材一體化制造技術成功完成超大型環件屬國際首例。
大型鋁合金構件的直接制造有著重要需求
隨著航空航天技術的不斷發展，對飛行器的性能提出了越來越高的要求。采用高性能鋁合金結構件尤其是大型整體鋁合金主承力結構件仍然是減輕飛行器結構重量，提高運載能力和飛行速度的重要技術途徑之一。
展開 從鋁合金到碳纖維，粵船企發力新材料船型建造
這也是繼鋁合金船艇“遍地開花”之后，廣東船舶企業對新型船舶材料的又一次開拓應用。
堅持深耕市場有回報
廣東船企應用鋁合金材料的歷史可以追溯到20世紀90年代。從1996年9月1日建成下水的我國第一艘船長超過40米的大型高速超豪華鋁合金雙體船“南沙38”號，到1998年建成的全鋁合金結構450客位高速車客渡船、2012年自行設計建造的國內首艘鋁合金—玻璃鋼雙體高速客船，以及全國首艘純鋁合金材料客船、國內第一艘客船標準的全鋁合金單體高速船……廣東船企在鋁合金船舶領域創造了多個“第一”。
隨著國家海洋經濟戰略的實施以及涉海活動的增加，鋁合金船舶市場逐步升溫。據了解，僅廣東省范圍內，1995年以前建造的全鋁合金高速客船就有31艘，占全鋁合金雙體高速客船存量的51.66%。根據交通運輸部《老舊運輸船舶管理規定》，船齡10年以上的高速客船被劃為一類老舊海船（河船），強制報廢年限為25年，這批高速客船將逐步強制報廢。而放眼全國，據測算，國內全鋁合金高速客船潛在的船型升級市場容量為18億元。
廣東的鋁合金船舶建造企業乘勢而起，加快鋁合金船舶產品布局。
展開 鋁合金、鋅合金、鎂合金、鈦合金對比
越來越多的消費類產品采用合金材料來制作。金屬材料給人高端、堅固、耐用的品質感，而傳統的塑料外殼產品在消費者心中逐漸被貼上“廉價”和“低品質”的標簽。
對于消費類產品而言，常用的合金材料由鋁合金、鋅合金和鎂合金。鈦合金由于其生物相融性好，常用在醫療領域。方工就來扒一扒這幾種合金材料的特性，做個對比。
因此，歸納性的總結放在前面，見以下性能對比表。
物理性能對比表
這四種合金，鈦合金最硬，強度也最好。硬度方面，鈦合金要遠硬與其他三種合金。就抗拉強度而言，鈦合金強與鋅合金，其次是鎂合金，強度最低的是鋁合金。
強度和硬度對比
但產品結構設計而言，還需要考慮重量，如果將比重考慮進度，鋅合金由于密度最大，比強度反而最小了。鈦合金和鎂合金比強度高，但鈦合金價格昂貴，加工性不好，因此在要綜合考慮重量和強度的結構件種，多采用鎂合金。
鋁合金
材料成分直接找度娘，這里不費篇幅羅列。鋁合金的密度為2.63～2.85g/cm，有較高的強度(σb為110～270MPa)，比強度接近高合金鋼，比剛度超過鋼，有良好的鑄造性能和塑性加工性能，良好的導電、導熱性能，良好的耐蝕性和可焊性。
壓鑄鋁合金的流動性比較好，熔點為熔點660℃。
鋁合金在產品結構設計中的工藝應用形式也最豐富，常用加工工藝有：壓鑄、擠出成型、機加工、沖壓、鍛造。建筑門窗大量應用鋁合金型材，機械設備也常用鋁型材搭建框架。電子產品和生活快消品的外殼也不乏鋁合金，這類產品外觀要求較高，比較常見的工藝是擠出，機加工，沖壓等。
快消品的外殼比較少用壓鑄鋁，因為壓鑄鋁合金含有較高成分的Si，所以在做Anodizing（陽極氧化）時，直接與藥液產生反應，氧化后表面效果比較差。
展開 塊狀納米結構鋁硅合金
圖1 合金制備工藝圖以及不同處理后合金的硬度和XRD結果
圖2 不同處理條件下合金的微觀組織(a, b)鑄態組織；(c, d)HPT處理后的組織；(e, f)鑄態和HPT試樣中Si的長度和寬度分布；(g,h) HPT處理后的光學顯微組織和TEM圖
圖3 HPST+HPT處理后試件的微觀結構和Si第二相尺寸分布
經HPST處理的試樣顯示出高延展性（伸長率達38%），HPST能夠使脆性硅片溶解，硅片是應變過程中開裂的主要原因之一，所以伸長率高。HPST+HPT試樣最高達到403MPa的屈服強度和32%的伸長率。經分析計算，82MPa是晶界強化作用，占整體強度的20%左右；Si第二相提供的強化約213MPa，占整體強度的50%；除此之外還有Al基體中固溶的Si溶質和HPT產生的位錯強化作用，也有助于提升屈服強度。
圖4 不同處理條件下的應力-應變曲線以及HPST+HPT處理的拉伸試樣截面應變的局部分布
圖5在不同處理條件下的斷口形貌 (a)鑄態；(b)HPT；(c)HPST；(d) HPST+HPT
本文提出一種新的工藝路線，通過HPST+HPT能夠制備超細鋁晶粒和硅納米第二相組成的塊狀納米結構鋁硅合金，納米結構鋁硅合金表現出超高屈服強度（超高400MPa）和延展性（伸長率超過30%），本文為獲得良好機械性能的塊狀納米機構鋁硅合金提供了一種新方法，有望進一步擴大鋁硅合金的應用范圍。（文：破風）
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展開 【基礎知識】鋁合金簡介：型材、板材、鑄件
用鋁件做產品裝飾外殼，有高拉伸面，材料一般采用0.4-0.8mm厚度，牌號6063/6061或者純鋁系。
用鋁件做功能性外殼，有底拉伸，折彎結構，材料一般采用0.8-1.2厚度，選擇較硬的牌號5052/7075,或者特殊牌號。
用鋁件做在電子產品外殼上，都需要鐳雕氧化層再做導電接地，因為陽極氧化后有氧化層不導電。
七、鋁合金壓鑄
鋁合金壓鑄件在結構設計的時候盡量少設計走斜頂的結構，防止后續去披鋒毛邊很困難。
鋁合金壓鑄件在結構設計的時候還需要注意膠厚平均，走膠流向平順，這樣可以減少很多因為成型造成外觀不良，增加后續拋光復查等問題。
如果選擇比較軟性的牌號，那么在設計承重結構時，還是需要考慮結構強度，否則易斷。
關于壓力鑄造再說一點知識：
壓力鑄造是將熔融狀態或半熔融狀態合金澆入壓鑄機的壓室，在高壓的作用下，以極高的速度充填在壓鑄模的型腔內，并在高壓下使熔融合金冷卻凝固成型的高效益、高效率的精密鑄造方法，簡稱壓鑄。
高壓力和高速度是壓鑄成型過程的兩大特點，也是與其他鑄造方法最根本的區別所在。
常見的壓鑄件材料有鋁合金、鋅合金、鎂合金、銅合金等。其中鋁合金應用非常廣泛。
壓住產品與塑膠產品在結構設計上有很多相似之處，但又有其不同的要求，主要表現在以下幾個方面：
壓鑄件的壁厚太薄回造成壓鑄困難，一般情況下，外觀面局部最小料厚不小于0.7mm，非外觀面局部最小料厚建議不小于0.4mm，薄的區域面積也不能太大。壓鑄件不會因為局部料厚太厚產生縮水的現象，相反，在一些尖鋼薄鋼處要加料填充，避免模具強度低而損壞。
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搞定鋁合金焊接，就應該這么干
鋁及鋁合金在現代工程技術所用的各種材料中占有舉足輕重的地位，它在世界年產量僅次于鋼鐵而居第二位，在有色金屬中則居第一位。如果說鋁合金最初是在航空工業中嶄露頭角的話，那么近幾十年來，除航空工業外，在航天、汽車、船舶、橋梁、機械制造、電工、化學工業及低溫裝置中已大量應用鋁及鋁合金，以制造各種部件、油箱、耐蝕容器及導線等。目前鋁合金焊接結構中應用最廣的是防銹鋁合金，即鋁鎂合金和鋁錳合金。
那么，鋁合金焊接要注意哪方面的關鍵內容！
01
保護氣體的選擇
焊接時所用的保護氣體有惰性氣體氬氣（Ar）和氦氣（He），生產上普遍使用氬氣。用于焊接鋁及鋁合金的氬氣必須滿足下列純度（體積分數）要求：氬氣大于99.99%，氦氣小于0.04%，氧氣小于0.03%，水的質量分數小于0.07%。目前國內生產的氬氣，其純度一般能達到此要求，故在使用前不需再進行提純處理。
02
鎢電極的選用
氬弧焊用的鎢極材料有純鎢、釷鎢、鈰鎢、鋯鎢四種。純鎢極的熔點和沸點高，不容易熔化揮發，但電子發射能力比釷鎢、鈰鎢要差。在純鎢中加入質量分數為1.0%~2.0%的氧化釷（Tho）電極稱為釷鎢極。它的電子發射能力強，允許的電流密度高，電弧燃燒穩定。但釷元素具有一定的放射性，對其推廣應用帶來障礙。目前普遍采用的鈰鎢極（牌號WCe20）是在純鎢中加入質量分數為1.8%~2.2%氧化鈰（雜質≤0.1%）而制成。鈰鎢極電子逸出功低，化學穩定性高，反復引弧的可靠性高，允許電流密度高（如采用直流正接氬弧焊時，允許電流密度比釷鎢極提高5%~8%），燒損率低，并消除了放射性。
展開 攪拌摩擦焊的優勢
相對于鋼鐵結構來說，鋁合金結構的船舶具有高速、靈活、節能的特點，因此，采用鋁合金替代原來作為基本的造船材料的鋼鐵，成了造船業的新趨勢。利用攪拌摩擦焊技術來制造大型船舶鋁合金結構件已勢不可擋。
鑒于攪拌摩擦焊的技術優勢，預計未來五年，我國民用領域各類型攪拌摩擦焊設備的市場容量將超過20億元，具有良好的經濟效益。
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表面處理技術分享（第四講：鋁合金1-8全系合金/壓鑄鋁合金的對比解析）
對于關鍵的結構件，建議通過成分檢測（如光譜分析）確認材料一致性，避免牌號混用引發的性能偏差。</p><p><br></p><p><br></p>
案例 | 汽車結構件減震塔的鋁合金壓鑄工藝優化
凝固過程模擬
（a）完全凝固；（b）凸起結構上部放大圖-凸面；（c）凸起結構上部放大圖-凹面。
圖6為金屬液完全凝固后所得鑄件的形狀。可以看到，在減震塔零件中的凸起結構上部存在一較大的孔洞缺陷，觀察其局部放大圖可以發現，在該處存在兩個尺寸較大的近圓柱形凸臺，高度達到20mm。在凝固過程中，這一厚大部位凝固速度較慢，會發生補縮現象，形成孔洞。
對此，采取局部冷卻的方法加快該部位的凝固速度，以獲得致密的鑄件。在該處的模具上加入銅塊以達到快速冷卻的目的[13]，其模擬結果如圖7所示，得到內部致密無孔松的優質鑄件。最后采用該工藝實際生產出合格的鋁合金減震塔零件，成品率達到90%以上。若通過控制模具溫度等其他條件，成品率有望進一步提高。
圖7 局部冷卻后得到的優質鑄件
四、結論
1. 設計、優化選出大型、復雜汽車結構件——鋁合金減震塔的壓鑄澆注系統及溢流和排氣系統。
2. 利用數值模擬方法分析了減震塔零件的卷氣發生部位和區域，預測了壓鑄缺陷的種類及位置，以此為基礎更改了澆注系統的設計。
3. 在壁厚尺寸較大圓形結構處容易發生卷氣現象和縮孔缺陷，采用局部冷卻方法等工藝措施，消除了缺陷，獲得整體質量良好的鋁合金減震塔壓鑄件。
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