再谈轻量化设计

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前言

在任何行业，轻量化设计都是一个老生常谈，而且永无止境的话题。在航空领域对轻量化的需求最为迫切，也是所有轻量化设计的源头。下面便是目前世界上最大的飞机，俄罗斯的安-225，它的起飞重量达到了640吨。

而汽车领域对轻量化的迫切要求则紧随航空之后。之前就曾经发过两篇关于轻量化设计的文章，有兴趣者可以自行检索。

一 、基于理论的轻量化基本思路

轻量化设计，现在来说无非两条路可走。第一种是发现密度更小，屈服轻度更高的材料，比如近年来大规模使用的铝合金材料。因为合金的加入使得铝合金的屈服强度提高到跟钢材相当，而密度却跟纯铝基本持平，比如现在6系列的锻造铝合金其屈服强度已经到了250Mpa，7系列的更高，所以作为汽车结构部件的使用是完全没有问题。

第二种则是从结构上来进行优化，让材料分布更加合理，去除不参与受力的材料。现在常用的则是拓扑优化解算方法。通过单元应力分布决定去除的材料部分。

当然，这两个基本方法并不是孤立存在的。如能将二者组合使用，那减重效果将是最好的。比如下面这个案例，从铸铁变化材料到铸铝再加结构优化，最终获得了客观的减重效果。

二、基于经验的轻量化思路

拓扑优化的方法是基于有限元的传递理论，通过网格单元的应力分布情况来决定材料的保留还是去除，毫无疑问这是未来结构设计的大方向。但拓扑优化需要花费大量的时间成本、人力成本去建立模型，同时载荷的简化也非常关键，这些因素让拓扑优化这一技术还没有大面积的应用起来。

在拓扑优化没有铺开，而又有轻量化的需求下。我们更多的轻量化就依赖于经验设计了。其实在拓扑优化之前，结构的轻量化确实只有经验设计这一条路。经验设计实际上是把人作为了扑优化中的计算机。人为的判断，部件中哪一部分不需要就切除。

曲轴结构优化

轮毂结构优化

当然，基于经验的结构优化，一定不能少的一个步骤是进行CAE 的验证。

现在强量化的设计还在抓大放小的阶段，对于一些小的部件我们可能并不大关注，但一些研究结构已经开始在这方面做文章了，哪怕是一颗小小的螺母。

有的轻量化设计，甚至是结构上的巨大变化，比如下面的传动轴移动节的结构变化带来了近1Kg的重量变化。

三、总结

在汽车中采用轻质铝部件可以节省的能量，是生产该结构中所用原铝所耗费能量的6-12倍。典型的铝质零件比类似的常规钢质零件轻30%-40%。二次减重（由于部件承载的负荷减轻而使部件设计得更小、更轻的能力）则将上述数字进一步提高到50%。最坏的情况，在碰撞时，由于轻量化，车辆所具有的动能也会低很多。造成的伤害也自然会轻一些。所以轻量化，将会是一个持续的话题。

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