第一章 轻量化的目标

    在弹性力学、弹热力学与动力学应力载荷设计中所面临的一个主要挑战是，要尽可能使得在所有横截面上允许的应力载荷变化不超出设计值。轻量化设计的任务也是如此，即在最小的构造质量下，达到最大限度的使用范围。这通常还受限于所采用的材料参数和允许的变形。在实践中，由于材料、制造或者构造之间的相互矛盾，常使得比较激进的轻量化解决方案无法得以实现。
    在这个背景下，只有优化的轻量化是可以实现的。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：
    ●增加载荷或者提高速度；
    ●较低的自重可以达到较低的滚动阻力、加速阻力和爬坡阻力；
    ●总体上会实现较低的能耗。
    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，不过这须以优化设计为前提。

    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，成本可以贵3～7欧元。另外，每辆汽车每百公里节约05L燃油，全世界每年生产五千万辆汽车则可以节约燃油250亿L。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。由于在航空领域中，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，特别参见文献［ZIN67］和［KIR56］。
    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、轮船、汽车车身制造领域中。
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。
    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性能进行深入分析。为了达到更好的轻量化效果，还可通过计算机方法来尝试和评估对绝大多数设计方案进行优化的可能性。除此之外，还可以通过计算机支持的模拟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。为了实现轻量化设计，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问题。
    在以下的章节中，本书试图通过研究典型的问题，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件等方面的基本知识。
    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。