轻量化设计：目标与方法

技术的发展促使力学系统不断地提高效率。作为一个开发战略，轻量化具有越来越重要的意义。轻量化的目标是在给定的边界条件下，实现结构自重的最小化，同时满足一定的寿命和可靠性要求。为了实现这个目标，需要选择适当的构造、轻质材料、连接技术、尽可能准确的设计以及可实现的制造工艺。除了这些，还要考虑到成本。因此，激进的轻量化解决方案往往无法实现，通常要在技术和经济考量之间做出妥协。

在此背景下，只有优化的轻量化[KUR11]是可以实现的。与“常规”设计相比较，很难在实现轻量化设计的同时还能够降低成本。经验表明，轻量化设计绝大多数在概念设计、材料使用、生产和试验阶段的花费非常高，因此，采用轻量化设计必须考虑到其较高的成本。如果一个工程设计任务尽管明知费用高昂也要走上轻量化设计之路，就应当充分考虑到设计的性价比，使得采用轻量化的好处能明显地弥补其不足。这一点在交通技术中相对来说问题不大，因为采用轻量化最终所得到的经济益处（材料成本）[HEN11]是显而易见的。举例来说，通过汽车减重可以达到：

●增加载荷或者改善驾驶性能；

●更低的自重可以实现更小的滚动阻力、加速阻力和爬坡阻力；

●总体上会实现较低的能耗。

根据测算，一辆轿车减重100kg，每百公里燃油消耗平均减少0.5L，二氧化碳排放减少12g/km。如果采用材料替代做到这一点，相当于大约采用1kg的铝替代2kg的钢，而承载能力不变。总的来说，目前的轿车还有大约35%的减重潜力。

除了传统的汽车工业之外，轻量化还在电动车、高性能机床与大型风力发电装置中开辟了新的应用领域。

注释：在汽车工业中，一个批量生产的零部件如果通过材料替代降低了1kg的重量，则成本会增加5～7欧元。对于电动汽车来说，每减少1kg的重量，电池系统的成本平均降低13～18欧元/车。

与轻量化相关的问题最初是在飞机制造中开始加以考虑并进行系统研究的。在航空领域中，费用通常并不是优先考虑的事项，因此，轻量化首先在航空研究中得到了极大的发展。除了在基础理论方面的广泛进展外，也包括在试验设计原理等方面的进展，参见文献[ZIN67]和[KIR56]。(www.xing528.com)

在这一领域里一个标志性的突破是充分利用蒙皮的承载能力，采用无支柱结构取代了桁架结构，以此为基础产生的实壁体和壳体原理从航空制造领域延伸到了机车、舰船、汽车车身以及加工机床制造领域中。

轻量化发展的另一个里程碑是焊接技术的应用。以前在铆接方式中产生的材料栾晶作用，现在可以通过相互的对接焊缝来加以避免。基于焊接产生的高强度以及由此创造出的新的设计潜能，可以实现全新的结构设计。在这一领域里的进展持续至今，最新的实例如大型客机舱体的激光焊接（如A318、A380）以及现代轿车的车身制造。如今部分也采用粘接连接了。

近年来，越来越强大的电子数据处理技术和与之对应的计算方法使轻量化获得了新的发展动力。如今，可通过有限元方法与边界元方法对应力载荷与变形行为进行深入分析。为了达到更好的轻量化效果，还可采用计算机方法对绝大多数设计方案进行优化的可能性进行尝试和评估。除此之外，还可以采用计算机支持的新的计算技术和图像处理技术来对轻量化中的疲劳强度、裂纹现象或结构可靠性进行科学研究。

材料科学的进步也推动了现代轻量化技术的不断发展，并由此诞生了全新的轻量化结构。通过采用金属与塑料的复合材料，高性能材料第一次得以应用，并可做到在极限刚度和最小重量下的高性能集成。未来，这一材料体系借助“主动件”（磁放大器）可适应任何一种类型的外来载荷，这将会在结构适应体系和自适应体系中开辟出全新的研究领域。不过，这些技术的发展与现代社会日益增长的对产品可回收要求与循环经济目标（欧盟旧车法规）是有冲突的，在此需要做出妥协。

以上罗列的趋势清晰地表明：①轻量化是跨学科的工程科学，由材料力学、计算技术、材料学和制造技术等领域的知识基础构成。经过多年发展，轻量化设计已经形成了特定的原则，因此在掌握理论知识的同时，丰富的设计经验也是不可或缺的。②越来越高的要求促使轻量化工程师必须不断学习并适当运用所有新的技术和知识，采取有针对性的方法解决所面临的轻量化体系问题。

本书在后续的章节中，通过对典型问题的研究，阐述在理论和实践的整体框架下轻量化设计的解决方法。本书的重点在于通过设计的方法实现轻量化，这要求撰写设计规则，传授材料使用、弹性力学基础与典型的轻量化单元等方面的基本知识。

为此，本书的内容选择了循序渐进的教学方法，在很多方面与传统的轻量化教材结构[CZE67，SCH63，HER80，WIE96a]比较接近。