為什么輕量化結(jié)構(gòu)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中至關(guān)重要？

輕量化結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)和技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)，HBK傳感器、測(cè)量?jī)x表以及分析軟件組成的測(cè)量工具可用于評(píng)估結(jié)構(gòu)完整性、噪聲、振動(dòng)、效率和性能等，廣泛用于實(shí)驗(yàn)室、臺(tái)架或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等領(lǐng)域。

為了幫助您了解輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的測(cè)試和驗(yàn)證過(guò)程，我們采訪了HBK輕質(zhì)結(jié)構(gòu)專(zhuān)家：

· Gianmarco Sironi：結(jié)構(gòu)耐久性測(cè)試解決方案測(cè)量項(xiàng)目負(fù)責(zé)人

· Lance Steinmacher：結(jié)構(gòu)耐久性測(cè)試解決方案測(cè)量項(xiàng)目負(fù)責(zé)人

· Dr. Andrew Halfpenny：nCode產(chǎn)品技術(shù)總監(jiān)

· Michelle Hill：材料測(cè)試負(fù)責(zé)人

· Manuel Schultheiss：測(cè)試和測(cè)量軟件產(chǎn)品經(jīng)理

· Sandro Di Natale：產(chǎn)品和應(yīng)用經(jīng)理，結(jié)構(gòu)耐久性測(cè)量和測(cè)試解決方案

對(duì)話(huà)議題：

· 輕量化介紹

· 新方法和新技術(shù)

· 日常生活中的輕量化（下期）

· 新材料和設(shè)計(jì)的仿真和測(cè)試（下期）

輕量化介紹

1  輕質(zhì)材料和設(shè)計(jì)如何為可持續(xù)發(fā)展的未來(lái)做出貢獻(xiàn)？

（Gianmarco Sironi和Lance Steinmacher）

從碳排放的角度來(lái)看，減輕重量對(duì)氣候變化的影響至關(guān)重要。我們可以看到飛機(jī)制造商使用不同的復(fù)合材料，提高所需的強(qiáng)度或靈活性。例如波音787，77X機(jī)翼等。重量減輕意味著減少燃油消耗量。對(duì)于旋翼飛機(jī)，通過(guò)控制復(fù)合材料層疊，可以提高單個(gè)或多個(gè)方向的剛度和靈活性。

然而，我們也需要談?wù)劜焕蛩?。?fù)合材料的回收或處理要復(fù)雜得多，甚至是不可能的，而傳統(tǒng)金屬可以很容易地回收。同樣，對(duì)于復(fù)合材料，一些成型技術(shù)也不是非常環(huán)保的。

2  能給出輕量化設(shè)計(jì)最重要的三個(gè)行業(yè)，以及原因嗎？

（Manuel Schultheiss和Sandro Di Natale）

輕量化設(shè)計(jì)通常出現(xiàn)在飛機(jī)工業(yè)、汽車(chē)工業(yè)和運(yùn)動(dòng)設(shè)備中：

· 飛機(jī)工業(yè)：飛機(jī)工業(yè)在歷史上一直在致力于采用輕量化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)。全世界的航空公司和飛機(jī)制造商都需要節(jié)約燃料。由于燃油成本是飛機(jī)運(yùn)行的最大部分，因此即使是小幅度的降低也會(huì)得到較大回報(bào)。

· 汽車(chē)工業(yè)：政府對(duì)二氧化碳和氮氧化物等污染物的排放限制推動(dòng)了汽車(chē)工業(yè)輕量化的發(fā)展，例如最新的歐洲7號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。限制越來(lái)越嚴(yán)格。實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的一個(gè)關(guān)鍵方面是減輕重量，從而降低能耗。另一個(gè)方面是推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展。

· 運(yùn)動(dòng)器材：運(yùn)動(dòng)器材中大量使用輕質(zhì)材料：滑雪、山地自行車(chē)、公路賽、摩托車(chē)，運(yùn)動(dòng)車(chē)輛也從輕質(zhì)結(jié)構(gòu)中受益匪淺，其是贏得比賽的關(guān)鍵。并且復(fù)合材料有助于提高駕駛員的安全性。

在航空工業(yè)中，輕量級(jí)設(shè)計(jì)很容易獲得回報(bào)。減重1千克可節(jié)省約0.02-0.03千克油或每1000公里節(jié)省約2-3美分。像777這樣的飛機(jī)在其使用壽命內(nèi)飛行超過(guò)5000萬(wàn)英里，這將導(dǎo)致大約80000000公里x 2.5美分/1000公里=€2000。也就是說(shuō)在飛機(jī)生命壽命內(nèi)，每千克重量將降低成本€2000，那如果重量減輕100公斤呢？



現(xiàn)在，飛機(jī)和航天器已經(jīng)進(jìn)入第二代輕量化設(shè)計(jì)階段。碳納米增強(qiáng)聚合物（CNRP）取代了目前由其他復(fù)合材料制成的零件，因?yàn)樗鼈兏鼒?jiān)固，重量將會(huì)減輕30%。

3  為什么是輕質(zhì)材料？輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是什么？

（Michelle Hill和Andrew Halfpenny博士）

輕質(zhì)材料的分類(lèi)是一個(gè)大課題，你可以從不同的角度來(lái)看：

· 單個(gè)材料的重量：通常您會(huì)想到鋁、鈦、鎂或類(lèi)似材料，以及復(fù)合材料。在這里，您可以?xún)?yōu)先考慮材料本身的重量。

· 總重量：某些材料會(huì)更重，但如果您需要更少的材料，總重量仍會(huì)減少。一個(gè)很好的例子是由50%復(fù)合材料制成的夢(mèng)幻客機(jī)（波音787）。盡管如此，還是無(wú)法避免使用鋼，因?yàn)樗仨毘休d重物。類(lèi)似地，許多復(fù)合材料部件需要與鋁、鈦等連接在一起。因此，這不是選擇最輕的材料，而是使用適當(dāng)?shù)牟牧喜⒚髦堑厥褂?，以減輕結(jié)構(gòu)的整體重量。

盡管輕質(zhì)結(jié)構(gòu)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但也存在成本效益方面的問(wèn)題。不是在材料方面，而是在能源消耗成本方面。由于客戶(hù)群主要來(lái)自地面車(chē)輛、汽車(chē)、卡車(chē)、火車(chē)或航空航天部門(mén)，因此您總是會(huì)遇到這樣的問(wèn)題：額外的質(zhì)量意味著需要額外的力，從而需要更多的能量。輕質(zhì)結(jié)構(gòu)可以減少所需的牽引力，從而節(jié)省成本，而且?guī)?lái)環(huán)境友好性。

除了長(zhǎng)纖維復(fù)合材料，你還必須看看聚合物（通俗地說(shuō)是塑料）。你可以在汽車(chē)部件中看到許多聚合物結(jié)構(gòu)。這些聚合物幾乎都使用了添加劑（AM）。使用AM，您可以擁有更奇特的幾何體，提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使用更少的材料。

4  在輕型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要考慮哪些關(guān)鍵參數(shù)？

（Lance Steinmacher）

很遺憾，這些參數(shù)大部分是保密的。當(dāng)制作這些新材料時(shí)，公司都會(huì)申請(qǐng)專(zhuān)利，并隱藏在保密協(xié)議（NDA）后面。這適用于幾乎所有復(fù)合材料（短切纖維、纖維、使用的粘合劑或環(huán)氧樹(shù)脂，以及制造工藝等）。因此，復(fù)合材料僅有有限信息向公眾開(kāi)放。

新方法和技術(shù)

5  你認(rèn)為復(fù)合材料有哪些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)？

（Gianmarco Sironi和Lance Steinmacher）

許多人認(rèn)為復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)是是輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，但這不是唯一的：在某些應(yīng)用中，復(fù)合材料不是為了減輕重量而引入的，而是因?yàn)槠湓谄趬勖矫娴膬?yōu)異性能。

與舊的鋁合金材料相比，由復(fù)合材料制成的直升機(jī)主旋翼槳葉并不是那么“輕”，但它更耐用：它在飛行時(shí)間內(nèi)的疲勞壽命高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。這是非常大的飛躍。金屬轉(zhuǎn)子葉片是維護(hù)人員的噩夢(mèng)，需要大量的無(wú)損檢測(cè)（NDI），因?yàn)樗鼈儠?huì)毫無(wú)預(yù)見(jiàn)性地快速出現(xiàn)裂紋，在過(guò)去造成了大量事故。由于采用了復(fù)合材料葉片，實(shí)現(xiàn)了重大改進(jìn)，尤其是對(duì)于中型和重型直升機(jī)來(lái)說(shuō)。因此，這不僅關(guān)乎重量，還關(guān)乎飛行安全以及維護(hù)成本等。

另一方面，鋁或鈦合金等材料仍具有固有的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)橛写罅课墨I(xiàn)對(duì)其疲勞行為進(jìn)行了幾十年的研究。與金屬相比，先進(jìn)的復(fù)合材料相對(duì)較年輕，目前還沒(méi)有這方面的文獻(xiàn)，或者，如果有，也有一定的局限性。

復(fù)合材料既不均勻也不具有各向同性，很難獲取其特性。此外，每次更改層壓板中的單層（或只是保持相同的層，但更改其方向），基本上都創(chuàng)建了一種新材料。因此，您必須從簡(jiǎn)單的測(cè)試樣本開(kāi)始，重新獲取疲勞特性，這需要大量的時(shí)間和金錢(qián)。因此，當(dāng)您設(shè)計(jì)層壓板時(shí)，擁有豐富的材料知識(shí)和仿真技術(shù)是非常有用的。

6  你認(rèn)為添加劑制造業(yè)有哪些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)？

（Sandro Di Natale）

很難籠統(tǒng)地回答這個(gè)問(wèn)題，這一術(shù)語(yǔ)概括了許多不同的技術(shù)。除了添加絲狀物技術(shù)外，還有立體光刻、粘合劑噴射等等。從工業(yè)角度來(lái)看，我相信選擇激光燒結(jié)和熔化（SLS和SLM）與金屬粉末一起工作是最有前途的技術(shù)之一。

例如，由鈦粉制造的部件，其行為方式與鑄造或機(jī)加工部件類(lèi)似。然而，測(cè)試時(shí)需要特別注意確保是各向同性的，并且不受層結(jié)構(gòu)的影響。這類(lèi)方法有著無(wú)窮的應(yīng)用潛力。不幸的是，這些粉末仍然相當(dāng)昂貴，而且制造速度很慢。最新和最大的機(jī)器每小時(shí)制造速度僅有幾百立方厘米。

7  哪些關(guān)鍵屬性決定了添加劑可用于生產(chǎn)？

（Sandro Di Natale）

添加劑是否可用于生產(chǎn)取決于以下標(biāo)準(zhǔn)：

· 產(chǎn)品設(shè)計(jì)的復(fù)雜性: 無(wú)法用傳統(tǒng)方法制造的新設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)。

· 工裝成本和數(shù)量: 如果制造的數(shù)量很高，工裝成本就變得不那么重要。如果數(shù)量較少，則單位加工成本將大幅增加。通常情況下，盈虧平衡點(diǎn)大約是在每年數(shù)百或數(shù)千個(gè)。這就是為什么飛機(jī)和航天工業(yè)是這些技術(shù)早期應(yīng)用者的原因。

批量生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)更加明顯。在醫(yī)療行業(yè)，額外制造的假肢和矯正支架已得到廣泛應(yīng)用。

8  仿生學(xué)扮演什么角色？

（Manuel Schultheiss）



仿生學(xué)在談?wù)撦p質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)起著非常重要的作用，因?yàn)槲覀兪菑镍B(niǎo)類(lèi)飛行中了解到如何建造和設(shè)計(jì)飛機(jī)的。

當(dāng)我們想到應(yīng)用于飛機(jī)的鯊魚(yú)皮表面，或用于減少飛機(jī)翼尖湍流的小翼時(shí)，我們可以進(jìn)一步通過(guò)自然界了解更多關(guān)于優(yōu)化技術(shù)設(shè)計(jì)的知識(shí)。植物和樹(shù)木的整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)可用于得出最佳機(jī)械設(shè)計(jì)，其斷裂風(fēng)險(xiǎn)最低，材料內(nèi)部應(yīng)力最低。大自然是最適合環(huán)境的設(shè)計(jì)。

通過(guò)定制化，可促進(jìn)新材料的設(shè)計(jì)和制造方法的發(fā)展。您可以在設(shè)計(jì)中創(chuàng)建更平滑的圓角，減少應(yīng)力集中釋放，并創(chuàng)建具有最低應(yīng)力和最長(zhǎng)使用壽命的最佳機(jī)械框架。