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HBK專家對話 | 淺談輕量化結構（下）
2021-09-18 14:33:46·
日常生活中的輕量化9在過去幾年中，在輕量級構造、模擬和驗證領域，您最大的驚喜是什么？（Michelle Hill和Andrew Halfpenny博士）有兩件事。第一點我們使用了
· 日常生活中的輕量化
9 在過去幾年中，在輕量級構造、模擬和驗證領域，您最大的驚喜是什么？
（Michelle Hill和Andrew Halfpenny博士）
有兩件事。第一點我們使用了很多材料，我們必須把它們結合在一起。過去我們只將鋼焊接到鋼上，但現(xiàn)在我們正在研究不同類型的接頭，例如自攻鉚釘、螺栓連接、粘合劑或混合使用，例如，帶鉚釘?shù)恼澈蟿?。有許多更奇特的連接類型，但需要更高的精度。第二點是對不確定性知識的要求。以前，工程師設計了一些東西，只是簡單地應用了所謂的安全系數(shù)。這是真正的安全和“無知系數(shù)”的結合?，F(xiàn)在這已不再是可以接受的，需要量化。這一需求由核工業(yè)、航空航天等安全關鍵組織主導。需要更好地了解安全裕度的來源，以及安全裕度是否真的像我們想象的那么大。
對于數(shù)據(jù)采集（DAQ），這意味著精度、數(shù)據(jù)精度的要求正在提高。這方面的一個具體例子是我們目前在疲勞概率方面的工作。計算部件壽命的概率并不是什么新鮮事。十年前，我們曾與客戶討論這項新技術，但當時大多數(shù)客戶表示，他們甚至不知道預期負載是什么，更不用說它們有多大的變化了?，F(xiàn)在，對同樣的人來說，通過物聯(lián)網(wǎng)，我們非常清楚這些負載有多高，我們甚至知道它們的標準偏差。在過去十年中，所有可用數(shù)據(jù)都發(fā)生了巨大變化，這是我們以前從未有過的。這才是真正推動準確性需求的原因。我們現(xiàn)在有了能力，我們需要數(shù)據(jù)輸入，以及輕量級設計的需要來實現(xiàn)它。
10 我們看到市場上有許多新的開發(fā)和參與者正在開發(fā)使用重鋰電池的電動汽車。輕質設計能在這里發(fā)揮作用嗎？
（Michelle Hill和Andrew Halfpenny博士）
對于電池，從物理角度來看，一切都需要底盤或支撐系統(tǒng)。這些電池是汽車結構的一部分，底盤必須能夠承載結構負載。此外，巨大的電池本身會上下彈跳，產(chǎn)生動態(tài)負載。因此，設計師需要將重物振動和結構荷載傳遞相結合進行設計。
此外，還需要保護人員免受內(nèi)部高壓的影響。這意味著盡量避免使用金屬。除了減輕重量外，非金屬接頭（如粘合劑）在這一點上也變得更加重要。
總之，這類測試相當具有挑戰(zhàn)性?，F(xiàn)在我們收到了很多我們還不知道如何回答的問題，但是我們對此非常感興趣。
11 如何在公司中建立“輕量化思維”？
（Gianmarco Sironi和Lance Steinmacher）
這有點像“效率思維”。輕量化是指使用所需的材料，以達到所需的靜態(tài)強度和/或疲勞壽命。然而，在某些行業(yè)，如航空業(yè)，這種思維方式往往會被安全和冗余要求壓垮。我們認為，輕量化思維很重要，但決不能在壓倒安全思維。結構測試仍然是確保滿足這兩個必要條件的最有效方法。
12 如何解決一些障礙？
（Manuel Schultheiss）
成本和時間起著重要作用。對于批量生產(chǎn)零件來說，有相當多的挑戰(zhàn)。必須有能快速且安全地生產(chǎn)這些零件的流程。特別是使用添加劑和纖維復合材料（例如，碳纖維增強聚合物CFRP）時，這是一個無法從工藝角度解決的問題。在這個領域需要更多創(chuàng)新。
另一點是這些材料的回收利用。需要創(chuàng)造出符合可持續(xù)發(fā)展的產(chǎn)品。當材料因其結構而無法重復使用時，這一點至關重要。當使用更自然的纖維和環(huán)氧樹脂時，可以解決這個障礙。
13 世界范圍的流感大流行對許多行業(yè)產(chǎn)生了影響，并加速了數(shù)字化進程。對輕質結構的創(chuàng)新有影響嗎？
（Manuel Schultheiss）
我們不應過分夸大這一流行病的影響。我認為流感大流行本身并沒有推動輕質材料的發(fā)展。一些公司可能利用這段時間“改造”自己，并在這里嘗試新的東西。
· 新材料和設計的仿真和測試
14 考慮到計算能力的提高和模擬工具的改進，物理測試的作用是什么？
（Michelle Hill和Andrew Halfpenny博士）
當談到物理測試時，大多數(shù)人都會想到全面測試，比如直升機處于振動狀態(tài)或類似情況。但是，如果您查看測試類型三角形（下圖），您會發(fā)現(xiàn)全尺寸測試只是其中的一小部分。我們將測試分為鑒定測試，包括全尺寸測試和參數(shù)測試。我們的硬件和軟件主要用于參數(shù)測試，準確地說，主要是試片測試。進行試片測試的主要目標是獲取物理參數(shù)，以導出可用于仿真的物理模型。在輕量化之前，我們可以從谷歌獲取材料屬性。但輕質材料的特性，大部分您無法獲取相關資料。
在測試三角形的下一層，您可以看到元素測試。即使是在簡單的輕組件水平上，這些通常是以某種方式鑄造或制造的結構。我們測試它們，可以確定負載與壽命。我們現(xiàn)在需要將這些轉化為壓力，這涉及通過仿真模型對材料特性進行反計算。因此，我們建立了測試元件的有限元模型，并進行了復雜的優(yōu)化，以確定所需的參數(shù)。在這里，重要的是，我們在客戶的完整結構模型中使用相同的有限元建模指南，只有這樣，我們才能向他們提供他們需要的結果。上層級別顯示組件測試。這里，我們想計算一些更完整的參數(shù)。例如，對于振動，阻尼是非常關鍵的，因為它是唯一吸收能量的東西。我們需要知道這一點，在組件測試級別，我們嘗試獲取模擬的參數(shù)。
鑒定測試通常在周期結束時進行，允許我們進行大量測量，以檢查我們的假設是否正確。如果結構失敗，我們需要模擬它失敗的原因，以便在進入下一輪之前，我們可以模擬消除失敗。而且，如果鑒定測試已經(jīng)結束，這意味著任何更改對客戶來說都是非常昂貴的。因此，必須增加參數(shù)測試，以使我們的模型更加健壯和準確。在圖中，您將發(fā)現(xiàn)第三類測試，可靠性測試。當參數(shù)測試將物理模型映射到故障時，可靠性測試將統(tǒng)計模型映射到故障上。在HBK，測試的目標是了解在保修期內(nèi)，有多少產(chǎn)品會出現(xiàn)故障，以及需要多少費用。
15 與傳統(tǒng)金屬相比，輕質材料有什么不同？
（Manuel Schultheiss）
有不同級別的認證。讓我們看看材料層面：
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對于CFRP等材料的試驗，有ASTM D 3039/DIN 65378（拉伸）、ASTM D 695（平面壓縮）、ASTM D 3518（平面內(nèi)剪切）、ASTM D 707（V型切口鋼軌剪切）等標準。這些標準是多年來制定和發(fā)展的。
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對于新技術，如材料的添加劑制造認證，需要制定新標準?？捎糜谶@些材料的材料數(shù)據(jù)庫不多，這使得在今天的產(chǎn)品中使用它們更加困難。
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標準傳統(tǒng)材料可以根據(jù)長期經(jīng)驗和許多標準進行認證，例如，對于試片測試，可以使用不同的負載情況和測試場景。將這些標準作為一種通用語言，設計工程師使用這些材料要比使用新材料設計容易得多。
從結構或整個產(chǎn)品（如飛機）的認證來看，更為復雜。這些內(nèi)容涵蓋了比簡單的“如何測試試樣”和定義材料屬性更多的方面。這些認證包括設計、制造和維護方面以及整體情況。
16 在測試新的輕質結構時，您面臨哪些挑戰(zhàn)？
（Michelle Hill和Andrew Halfpenny博士）
降低無知系數(shù)是一個巨大的挑戰(zhàn)。但另一點是，我們現(xiàn)在正在測試組件而不是材料。對于關節(jié)，同樣存在需要使用與客戶相同的有限元模型的問題，因為我們指定了模型相關的屬性。這需要反向計算才能找到屬性。此外，焊縫之間的巨大差異也是一個挑戰(zhàn)。如果汽車公司A想要測試一個焊縫，你一定可以確定這和汽車公司B測試的焊縫是不同的。這就是為什么必須為每個客戶建立測試樣本模型的原因。但差異不僅存在于不同的客戶之間，而且客戶還必須大規(guī)模生產(chǎn)相對應的組件。這里的問題是，這是否適用于完全自動化的大規(guī)模生產(chǎn)。
當涉及到復合材料時，它變得更加復雜。我們?nèi)绾味x失敗？關節(jié)很簡單，它們一分為二。但復合材料不會散開，它們會失去剛度或強度。此外，在宏觀層面上，你無法將復合材料與合金進行比較。復合材料可以通過許多不同的機制在宏觀層面上失效。纖維脫粘、基體開裂或纖維開裂可能是高度漸進性失效途徑的一部分。當我們決定什么是失敗時，我們必須談論壓力。是纖維和基體之間每個體積的應力，還是僅纖維中的應力？所有這些都是懸而未決的問題，我們需要付出更多的努力來回答它們。
另一個挑戰(zhàn)是復合材料的標準。雖然ASTM和ISO標準通常來自空中客車公司或波音公司，但它們是為航空航天規(guī)定的。這對汽車工業(yè)就變得非常困難，例如，因為他們主要需要廉價的復合材料，但你仍然必須滿足高標準。然后你仍然只有測試的標準，但沒有解釋數(shù)據(jù)的標準。在這方面，與研究實驗室一起尋找答案也很重要。
17 你能給我們舉一些例子說明如何鑒定材料和測試輕質結構嗎？
（Michelle Hill和Andrew Halfpenny博士）
傳統(tǒng)的方法是 HBK 為材料試驗以及飛行剖面（載荷）提供解決方案。這需要進行仿真，疲勞分析需要三個輸入：載荷、材料和幾何形狀。我們可以模擬幾何體，如果不起作用，我們只需更改CAD/FEA模型，直到獲得良好的壽命結果。然后我們創(chuàng)建一個原型，測試它，然后將它與我們的分析關聯(lián)起來。如果我們是對的，我們最終只需要一個原型。
然而，這與復合材料不同，因為它們的模擬路徑要復雜得多。在這里，材料屬性因結構而改變。沒有復合材料這類東西，無論在哪里，都會有性能不斷變化的復合材料組件。對于組合，任務和結果變得更復雜。現(xiàn)在，我們又在使用“老辦法”。我們需要更多的原型，因為你不能再相信仿真了，因為這對于復合材料來說還是非常新的，不像金屬，在金屬中，模擬效果相當好。
所以你看，即使在70年后，彗星的設計方法與夢幻客機的設計-測試-修復方法相似。我們需要更多不同規(guī)模的原型，因為仿真仍然不能充分處理復合材料
18 在您看來，與傳統(tǒng)金屬相比，是否仍然缺乏經(jīng)驗數(shù)據(jù)？
（Michelle Hill和Andrew Halfpenny博士）
起初，我們認為傳統(tǒng)金屬也缺乏數(shù)據(jù)。給定數(shù)據(jù)的問題是，它可靠嗎？您從標準中獲得的一些數(shù)據(jù)來自60年代，或者可能是針對不同行業(yè)收集的。您需要密切關注數(shù)據(jù)的來源。對于復合材料，您還有一個問題，即即使您有參數(shù)，也無法確保它們在整個材料中都是相同的。
我們的客戶主要從事部件和結構鑒定。我們測試試件材料，并從中獲得復合材料的信息。然而，當我們處理焊縫時，我們測試焊縫，并通過運行模擬計算出試件的特性。如果它是一個組合，那么它就是我們測試的組件。
這里值得一提的是，鈦和鋁的添加劑制造被視為復合材料。如果您有兩個客戶，他們都使用相同的添加劑制造機器，由于機器的不同設置，您將無法獲得相同的材料特性。這里需要進一步的測試，因為AM也有新類型的缺陷，如孔隙度或未熔合。
19 對于輕型結構，您使用什么測量和測試設備？
（Michelle Hill和Andrew Halfpenny博士）
我們使用不同的HBK設備，例如測力傳感器，應變片以及QuantumX進行數(shù)據(jù)采集，還使用Instron和MTS的測試機。
使用應變計時，我們遇到了一個問題，即其中一種新材料非常好，其性能優(yōu)于應變計。對于HBK來說，這意味著我們必須不斷創(chuàng)新設備，以跟上材料的發(fā)展。說到創(chuàng)新，我們有機會用激光引伸儀進行測試。它可以在微米范圍內(nèi)測量，無需接觸，并消除了復合材料在失效時“爆炸”可能損壞設備的問題。
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