HBK专家对话 | 浅谈轻量化结构（上）

为什么轻量化结构在产品设计中至关重要？

轻量化结构已经成为现代工业和技术发展的主要趋势，HBK传感器、测量仪表以及分析软件组成的测量工具可用于评估结构完整性、噪声、振动、效率和性能等，广泛用于实验室、台架或现场测试等领域。

为了帮助您了解轻质结构的测试和验证过程，我们采访了HBK轻质结构专家：

· Gianmarco Sironi：结构耐久性测试解决方案测量项目负责人

· Lance Steinmacher：结构耐久性测试解决方案测量项目负责人

· Dr. Andrew Halfpenny：nCode产品技术总监

· Michelle Hill：材料测试负责人

· Manuel Schultheiss：测试和测量软件产品经理

· Sandro Di Natale：产品和应用经理，结构耐久性测量和测试解决方案

对话议题：

· 轻量化介绍

· 新方法和新技术

· 日常生活中的轻量化（下期）

· 新材料和设计的仿真和测试（下期）

轻量化介绍

1  轻质材料和设计如何为可持续发展的未来做出贡献？

（Gianmarco Sironi和Lance Steinmacher）

从碳排放的角度来看，减轻重量对气候变化的影响至关重要。我们可以看到飞机制造商使用不同的复合材料，提高所需的强度或灵活性。例如波音787，77X机翼等。重量减轻意味着减少燃油消耗量。对于旋翼飞机，通过控制复合材料层叠，可以提高单个或多个方向的刚度和灵活性。

然而，我们也需要谈谈不利因素。复合材料的回收或处理要复杂得多，甚至是不可能的，而传统金属可以很容易地回收。同样，对于复合材料，一些成型技术也不是非常环保的。

2  能给出轻量化设计最重要的三个行业，以及原因吗？

（Manuel Schultheiss和Sandro Di Natale）

轻量化设计通常出现在飞机工业、汽车工业和运动设备中：

· 飞机工业：飞机工业在历史上一直在致力于采用轻量化设计和结构。全世界的航空公司和飞机制造商都需要节约燃料。由于燃油成本是飞机运行的最大部分，因此即使是小幅度的降低也会得到较大回报。

· 汽车工业：政府对二氧化碳和氮氧化物等污染物的排放限制推动了汽车工业轻量化的发展，例如最新的欧洲7号标准。限制越来越严格。实现这些目标的一个关键方面是减轻重量，从而降低能耗。另一个方面是推动电动汽车的发展。

· 运动器材：运动器材中大量使用轻质材料：滑雪、山地自行车、公路赛、摩托车，运动车辆也从轻质结构中受益匪浅，其是赢得比赛的关键。并且复合材料有助于提高驾驶员的安全性。

在航空工业中，轻量级设计很容易获得回报。减重1千克可节省约0.02-0.03千克油或每1000公里节省约2-3美分。像777这样的飞机在其使用寿命内飞行超过5000万英里，这将导致大约80000000公里x 2.5美分/1000公里=€2000。也就是说在飞机生命寿命内，每千克重量将降低成本€2000，那如果重量减轻100公斤呢？



现在，飞机和航天器已经进入第二代轻量化设计阶段。碳纳米增强聚合物（CNRP）取代了目前由其他复合材料制成的零件，因为它们更坚固，重量将会减轻30%。

3  为什么是轻质材料？轻质结构的优点是什么？

（Michelle Hill和Andrew Halfpenny博士）

轻质材料的分类是一个大课题，你可以从不同的角度来看：

· 单个材料的重量：通常您会想到铝、钛、镁或类似材料，以及复合材料。在这里，您可以优先考虑材料本身的重量。

· 总重量：某些材料会更重，但如果您需要更少的材料，总重量仍会减少。一个很好的例子是由50%复合材料制成的梦幻客机（波音787）。尽管如此，还是无法避免使用钢，因为它必须承载重物。类似地，许多复合材料部件需要与铝、钛等连接在一起。因此，这不是选择最轻的材料，而是使用适当的材料并明智地使用，以减轻结构的整体重量。

尽管轻质结构具有诸多优点，但也存在成本效益方面的问题。不是在材料方面，而是在能源消耗成本方面。由于客户群主要来自地面车辆、汽车、卡车、火车或航空航天部门，因此您总是会遇到这样的问题：额外的质量意味着需要额外的力，从而需要更多的能量。轻质结构可以减少所需的牵引力，从而节省成本，而且带来环境友好性。

除了长纤维复合材料，你还必须看看聚合物（通俗地说是塑料）。你可以在汽车部件中看到许多聚合物结构。这些聚合物几乎都使用了添加剂（AM）。使用AM，您可以拥有更奇特的几何体，提高结构强度，使用更少的材料。

4  在轻型结构设计中需要考虑哪些关键参数？

（Lance Steinmacher）

很遗憾，这些参数大部分是保密的。当制作这些新材料时，公司都会申请专利，并隐藏在保密协议（NDA）后面。这适用于几乎所有复合材料（短切纤维、纤维、使用的粘合剂或环氧树脂，以及制造工艺等）。因此，复合材料仅有有限信息向公众开放。

新方法和技术

5  你认为复合材料有哪些优点和缺点？

（Gianmarco Sironi和Lance Steinmacher）

许多人认为复合材料的优点是是轻质结构，但这不是唯一的：在某些应用中，复合材料不是为了减轻重量而引入的，而是因为其在疲劳寿命方面的优异性能。

与旧的铝合金材料相比，由复合材料制成的直升机主旋翼桨叶并不是那么“轻”，但它更耐用：它在飞行时间内的疲劳寿命高出一个数量级。这是非常大的飞跃。金属转子叶片是维护人员的噩梦，需要大量的无损检测（NDI），因为它们会毫无预见性地快速出现裂纹，在过去造成了大量事故。由于采用了复合材料叶片，实现了重大改进，尤其是对于中型和重型直升机来说。因此，这不仅关乎重量，还关乎飞行安全以及维护成本等。

另一方面，铝或钛合金等材料仍具有固有的优势，因为有大量文献对其疲劳行为进行了几十年的研究。与金属相比，先进的复合材料相对较年轻，目前还没有这方面的文献，或者，如果有，也有一定的局限性。

复合材料既不均匀也不具有各向同性，很难获取其特性。此外，每次更改层压板中的单层（或只是保持相同的层，但更改其方向），基本上都创建了一种新材料。因此，您必须从简单的测试样本开始，重新获取疲劳特性，这需要大量的时间和金钱。因此，当您设计层压板时，拥有丰富的材料知识和仿真技术是非常有用的。

6  你认为添加剂制造业有哪些优点和缺点？

（Sandro Di Natale）

很难笼统地回答这个问题，这一术语概括了许多不同的技术。除了添加丝状物技术外，还有立体光刻、粘合剂喷射等等。从工业角度来看，我相信选择激光烧结和熔化（SLS和SLM）与金属粉末一起工作是最有前途的技术之一。

例如，由钛粉制造的部件，其行为方式与铸造或机加工部件类似。然而，测试时需要特别注意确保是各向同性的，并且不受层结构的影响。这类方法有着无穷的应用潜力。不幸的是，这些粉末仍然相当昂贵，而且制造速度很慢。最新和最大的机器每小时制造速度仅有几百立方厘米。

7  哪些关键属性决定了添加剂可用于生产？

（Sandro Di Natale）

添加剂是否可用于生产取决于以下标准：

· 产品设计的复杂性: 无法用传统方法制造的新设计和结构。

· 工装成本和数量: 如果制造的数量很高，工装成本就变得不那么重要。如果数量较少，则单位加工成本将大幅增加。通常情况下，盈亏平衡点大约是在每年数百或数千个。这就是为什么飞机和航天工业是这些技术早期应用者的原因。

批量生产的优势更加明显。在医疗行业，额外制造的假肢和矫正支架已得到广泛应用。

8  仿生学扮演什么角色？

（Manuel Schultheiss）



仿生学在谈论轻质结构时起着非常重要的作用，因为我们是从鸟类飞行中了解到如何建造和设计飞机的。

当我们想到应用于飞机的鲨鱼皮表面，或用于减少飞机翼尖湍流的小翼时，我们可以进一步通过自然界了解更多关于优化技术设计的知识。植物和树木的整个机械结构可用于得出最佳机械设计，其断裂风险最低，材料内部应力最低。大自然是最适合环境的设计。

通过定制化，可促进新材料的设计和制造方法的发展。您可以在设计中创建更平滑的圆角，减少应力集中释放，并创建具有最低应力和最长使用寿命的最佳机械框架。