為什么輕量化結構在產(chǎn)品設計中至關重要？

輕量化結構已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)和技術發(fā)展的主要趨勢，HBK傳感器、測量儀表以及分析軟件組成的測量工具可用于評估結構完整性、噪聲、振動、效率和性能等，廣泛用于實驗室、臺架或現(xiàn)場測試等領域。

為了幫助您了解輕質結構的測試和驗證過程，我們采訪了HBK輕質結構專家：

· Gianmarco Sironi：結構耐久性測試解決方案測量項目負責人

· Lance Steinmacher：結構耐久性測試解決方案測量項目負責人

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

· Michelle Hill：材料測試負責人

· Manuel Schultheiss：測試和測量軟件產(chǎn)品經(jīng)理

· Sandro Di Natale：產(chǎn)品和應用經(jīng)理，結構耐久性測量和測試解決方案

對話議題：

· 輕量化介紹

· 新方法和新技術

· 日常生活中的輕量化（下期）

· 新材料和設計的仿真和測試（下期）

輕量化介紹

1  輕質材料和設計如何為可持續(xù)發(fā)展的未來做出貢獻？

（Gianmarco Sironi和Lance Steinmacher）

從碳排放的角度來看，減輕重量對氣候變化的影響至關重要。我們可以看到飛機制造商使用不同的復合材料，提高所需的強度或靈活性。例如波音787，77X機翼等。重量減輕意味著減少燃油消耗量。對于旋翼飛機，通過控制復合材料層疊，可以提高單個或多個方向的剛度和靈活性。

然而，我們也需要談談不利因素。復合材料的回收或處理要復雜得多，甚至是不可能的，而傳統(tǒng)金屬可以很容易地回收。同樣，對于復合材料，一些成型技術也不是非常環(huán)保的。

2  能給出輕量化設計最重要的三個行業(yè)，以及原因嗎？

（Manuel Schultheiss和Sandro Di Natale）

輕量化設計通常出現(xiàn)在飛機工業(yè)、汽車工業(yè)和運動設備中：

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

· 汽車工業(yè)：政府對二氧化碳和氮氧化物等污染物的排放限制推動了汽車工業(yè)輕量化的發(fā)展，例如最新的歐洲7號標準。限制越來越嚴格。實現(xiàn)這些目標的一個關鍵方面是減輕重量，從而降低能耗。另一個方面是推動電動汽車的發(fā)展。

· 運動器材：運動器材中大量使用輕質材料：滑雪、山地自行車、公路賽、摩托車，運動車輛也從輕質結構中受益匪淺，其是贏得比賽的關鍵。并且復合材料有助于提高駕駛員的安全性。

在航空工業(yè)中，輕量級設計很容易獲得回報。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這樣的飛機在其使用壽命內飛行超過5000萬英里，這將導致大約80000000公里x 2.5美分/1000公里=€2000。也就是說在飛機生命壽命內，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，飛機和航天器已經(jīng)進入第二代輕量化設計階段。碳納米增強聚合物（CNRP）取代了目前由其他復合材料制成的零件，因為它們更堅固，重量將會減輕30%。

3  為什么是輕質材料？輕質結構的優(yōu)點是什么？

（Michelle Hill和Andrew Halfpenny博士）

輕質材料的分類是一個大課題，你可以從不同的角度來看：

· 單個材料的重量：通常您會想到鋁、鈦、鎂或類似材料，以及復合材料。在這里，您可以優(yōu)先考慮材料本身的重量。

· 總重量：某些材料會更重，但如果您需要更少的材料，總重量仍會減少。一個很好的例子是由50%復合材料制成的夢幻客機（波音787）。盡管如此，還是無法避免使用鋼，因為它必須承載重物。類似地，許多復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?shù)牟牧喜⒚髦堑厥褂?，以減輕結構的整體重量。

盡管輕質結構具有諸多優(yōu)點，但也存在成本效益方面的問題。不是在材料方面，而是在能源消耗成本方面。由于客戶群主要來自地面車輛、汽車、卡車、火車或航空航天部門，因此您總是會遇到這樣的問題：額外的質量意味著需要額外的力，從而需要更多的能量。輕質結構可以減少所需的牽引力，從而節(jié)省成本，而且?guī)憝h(huán)境友好性。

除了長纖維復合材料，你還必須看看聚合物（通俗地說是塑料）。你可以在汽車部件中看到許多聚合物結構。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，提高結構強度，使用更少的材料。

4  在輕型結構設計中需要考慮哪些關鍵參數(shù)？

（Lance Steinmacher）

很遺憾，這些參數(shù)大部分是保密的。當制作這些新材料時，公司都會申請專利，并隱藏在保密協(xié)議（NDA）后面。這適用于幾乎所有復合材料（短切纖維、纖維、使用的粘合劑或環(huán)氧樹脂，以及制造工藝等）。因此，復合材料僅有有限信息向公眾開放。

新方法和技術

5  你認為復合材料有哪些優(yōu)點和缺點？

（Gianmarco Sironi和Lance Steinmacher）

許多人認為復合材料的優(yōu)點是是輕質結構，但這不是唯一的：在某些應用中，復合材料不是為了減輕重量而引入的，而是因為其在疲勞壽命方面的優(yōu)異性能。

與舊的鋁合金材料相比，由復合材料制成的直升機主旋翼槳葉并不是那么“輕”，但它更耐用：它在飛行時間內的疲勞壽命高出一個數(shù)量級。這是非常大的飛躍。金屬轉子葉片是維護人員的噩夢，需要大量的無損檢測（NDI），因為它們會毫無預見性地快速出現(xiàn)裂紋，在過去造成了大量事故。由于采用了復合材料葉片，實現(xiàn)了重大改進，尤其是對于中型和重型直升機來說。因此，這不僅關乎重量，還關乎飛行安全以及維護成本等。

另一方面，鋁或鈦合金等材料仍具有固有的優(yōu)勢，因為有大量文獻對其疲勞行為進行了幾十年的研究。與金屬相比，先進的復合材料相對較年輕，目前還沒有這方面的文獻，或者，如果有，也有一定的局限性。

復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，您必須從簡單的測試樣本開始，重新獲取疲勞特性，這需要大量的時間和金錢。因此，當您設計層壓板時，擁有豐富的材料知識和仿真技術是非常有用的。

6  你認為添加劑制造業(yè)有哪些優(yōu)點和缺點？

（Sandro Di Natale）

很難籠統(tǒng)地回答這個問題，這一術語概括了許多不同的技術。除了添加絲狀物技術外，還有立體光刻、粘合劑噴射等等。從工業(yè)角度來看，我相信選擇激光燒結和熔化（SLS和SLM）與金屬粉末一起工作是最有前途的技術之一。

例如，由鈦粉制造的部件，其行為方式與鑄造或機加工部件類似。然而，測試時需要特別注意確保是各向同性的，并且不受層結構的影響。這類方法有著無窮的應用潛力。不幸的是，這些粉末仍然相當昂貴，而且制造速度很慢。最新和最大的機器每小時制造速度僅有幾百立方厘米。

7  哪些關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)取決于以下標準：

· 產(chǎn)品設計的復雜性: 無法用傳統(tǒng)方法制造的新設計和結構。

· 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，盈虧平衡點大約是在每年數(shù)百或數(shù)千個。這就是為什么飛機和航天工業(yè)是這些技術早期應用者的原因。

批量生產(chǎn)的優(yōu)勢更加明顯。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用。

8  仿生學扮演什么角色？

（Manuel Schultheiss）



仿生學在談論輕質結構時起著非常重要的作用，因為我們是從鳥類飛行中了解到如何建造和設計飛機的。

當我們想到應用于飛機的鯊魚皮表面，或用于減少飛機翼尖湍流的小翼時，我們可以進一步通過自然界了解更多關于優(yōu)化技術設計的知識。植物和樹木的整個機械結構可用于得出最佳機械設計，其斷裂風險最低，材料內部應力最低。大自然是最適合環(huán)境的設計。

通過定制化，可促進新材料的設計和制造方法的發(fā)展。您可以在設計中創(chuàng)建更平滑的圓角，減少應力集中釋放，并創(chuàng)建具有最低應力和最長使用壽命的最佳機械框架。