趙 冰

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710200）

前言

產(chǎn)品不斷進(jìn)行輕量化，是各實(shí)體行業(yè)競相實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。成功的輕量化產(chǎn)品往往也會成為賣點(diǎn)，為企業(yè)贏得更大的市場。本文從結(jié)構(gòu)設(shè)計角度，立足于汽車行業(yè)，列舉輕量化設(shè)計時應(yīng)注意的一些事項(xiàng)。

1 基礎(chǔ)學(xué)科的應(yīng)用

輕量化設(shè)計，尤其是承載件的輕量化設(shè)計，可以綜合應(yīng)用多種學(xué)科理論，尋找輕量化的方向。

1.1 工程材料

結(jié)構(gòu)設(shè)計師，常常注重結(jié)構(gòu)的設(shè)計，而忽視材料的選取。很多產(chǎn)品在批量生產(chǎn)或者市場推廣時會產(chǎn)生一些問題，如刀具壽命，結(jié)構(gòu)開裂等。幾經(jīng)試驗(yàn)才發(fā)現(xiàn)換個材料就可以解決實(shí)際問題。

所以，根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力和工作條件，選取滿足成本及符合加工工藝需求的材料，是結(jié)構(gòu)設(shè)計人員的重要課題。如結(jié)構(gòu)對缺陷是否敏感，工作時是否受到?jīng)_擊，是否有交變應(yīng)力，工作的溫度范圍，表面是否要求耐磨，切削性能和焊接性能有無要求，達(dá)到屈服還是抗拉強(qiáng)度即為結(jié)構(gòu)失效，有無耐腐蝕要求等等。

1.2 理論力學(xué)

結(jié)構(gòu)件受力正確的簡化模型對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方向有決定性的影響。受拉還是受壓，有無剪切應(yīng)力，有無摩擦副，是否存在翻轉(zhuǎn)力矩，作用力屬于機(jī)構(gòu)內(nèi)部可相互抵消的內(nèi)力，還是屬于需要承受的外部作用力等等。

目前有限元分析軟件發(fā)展的很成熟，但目前大多數(shù)汽車零部件企業(yè)僅停留在校核設(shè)計師的結(jié)構(gòu)是否滿足使用需求，而沒有達(dá)到通過軟件進(jìn)行自動結(jié)構(gòu)優(yōu)化的水平。所以結(jié)構(gòu)設(shè)計師選對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方向，可大幅度減少CAE工程師的工作量，縮短設(shè)計周期。

1.3 材料力學(xué)

危險截面的概念，容易理解，卻很難靈活應(yīng)用。眾所周知，結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)出現(xiàn)在危險截面，危險截面的應(yīng)力決定了結(jié)構(gòu)的最終壽命。

結(jié)構(gòu)件的危險截面強(qiáng)度不足時，一些設(shè)計師常常采用增加壁厚或者增加加強(qiáng)筋的處理方式，但實(shí)際上通過更改截面尺寸的效果會更加理想。如采用大截面加小壁厚的方案優(yōu)于小截面加大壁厚的方案，不僅提升了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，而且加大了降重的空間。

從截面的角度處理結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，不止是清楚如何優(yōu)化危險截面，還有如何處理連續(xù)結(jié)構(gòu)的截面。相鄰結(jié)構(gòu)過強(qiáng)也需要進(jìn)行同步處理，有時不斷地加材料不如合理地減材料。另外還要注意截面的細(xì)節(jié)處理，如圓角和倒角的連續(xù)變化，壁厚的連續(xù)變化，對于增大截面，減少應(yīng)力集中，增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度都有顯著的幫助。

2 輕量化結(jié)構(gòu)參考點(diǎn)

基于基礎(chǔ)學(xué)科的理論基礎(chǔ),下文給出了一些輕量化的設(shè)計參考。

2.1 材料

2.1.1 脆裂敏感性

可用材料的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度比值來評價。結(jié)構(gòu)件受沖擊，且有耐磨需求時，需要特別注意此比值。一般有耐磨需求時，通過對材料進(jìn)行表面處理，如滲碳、碳氮共滲、感應(yīng)淬火等，增加表面材料硬度，提高其耐磨性能。但此時往往會忽略對耐沖擊的要求，所以要注意原始材料的選用，及熱處理后屈服強(qiáng)度的變化，避免結(jié)構(gòu)對脆裂過于敏感。

2.1.2 碳當(dāng)量計算

材料碳當(dāng)量對于預(yù)測鋼的焊接性能有重要意義。碳當(dāng)量計算公式已有多個版本，可以根據(jù)材料的分類和結(jié)構(gòu)的用途，選擇適合的碳當(dāng)量計算公式。對于汽車零部件，本文推薦采用美國金屬學(xué)會提出的用于評定淬火碳鋼和低合金鋼的焊接性碳當(dāng)量公式：

評價如下：

當(dāng)w＜0.4%～0.6%時，鋼的焊接性良好，應(yīng)考慮預(yù)熱

當(dāng)w=0.4%～0.6%時，鋼的焊接性相對較差

當(dāng) w＞0.4%～0.6%時，鋼的焊接性很不好，必須預(yù)熱到較高溫度

（3）性價比。結(jié)構(gòu)件受材料成本影響很大，但采用高強(qiáng)度的材料時又可以適當(dāng)減小結(jié)構(gòu)體積。所以結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)綜合考慮材料成本與結(jié)構(gòu)件體積，從而得到最佳方案。

2.2 承載

2.2.1 構(gòu)件集成化

盡可能減少零件數(shù)量，一方面減少連接工作和材料體積，另一方面還提供了更大的設(shè)計自由度，更容易實(shí)現(xiàn)極限輕量化。如采用焊接式推力桿支架的橋殼比采用螺栓聯(lián)接式的橋殼輕，而鑄造橋殼由于支架與橋殼可一體化設(shè)計，比采用焊接支架的橋殼更輕。

2.2.2 承載結(jié)構(gòu)

設(shè)計時應(yīng)盡可能避免偏轉(zhuǎn)，避免造成如翻轉(zhuǎn)力矩等載荷的產(chǎn)生，即盡可能簡化主承載結(jié)構(gòu)的受力情況。力及力矩的導(dǎo)入，應(yīng)直接由主承載結(jié)構(gòu)承受。

2.2.3 曲率的應(yīng)用

合理的曲率可以提供更強(qiáng)的自然支承。向上隆起的彎板比直板的抗壓能力更強(qiáng)。薄板無法直立，而彎曲的薄板不僅可以直立還可以承受一定的載荷。

2.3 截面

2.3.1 面積慣性矩

以最小的體積實(shí)現(xiàn)最大的承載，重要的一步是看哪些材料可以去除。除了優(yōu)化外部結(jié)構(gòu)，還要看內(nèi)部截面?？招男筒牡拿娣e慣性矩通常高于實(shí)心型材的面積慣性矩。閉口截面比開口截面承載能力要強(qiáng)。

2.3.2 合理的減重槽

減重槽應(yīng)開在載荷較小的區(qū)域，提高結(jié)構(gòu)在主承載方向上的剛度。采用均勻分布的小減重槽，支承剛性比實(shí)心的支撐結(jié)構(gòu)也能高出許多。應(yīng)用最為經(jīng)典的結(jié)構(gòu)是制動盤，內(nèi)外兩側(cè)的壁厚中間是呈蜂窩狀的加強(qiáng)筋，這種結(jié)構(gòu)比實(shí)心制動盤強(qiáng)度好，而且良好的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)還可以加快散熱，提升制動器性能。

3 結(jié)束語

結(jié)構(gòu)輕量化，應(yīng)同時關(guān)注本行業(yè)及上下游行業(yè)的發(fā)展。材料的發(fā)展、新結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，細(xì)分市場的變化、標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)的更新對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化都具有一定的指導(dǎo)意義。