第二章 轻量化的问题结构

    由于交通技术（汽车、机车和飞机制造）是轻量化设计的典型应用领域，因此，与可类比的实心件相比较，绝大多数的薄壁件也必须是安全的。要做到这一点，首先取决于对刚度（不稳定性）、断裂强度、可靠性与使用寿命的周密的计算。这在航空工业里已经是通行的要求，很久以来就被管理机构（LTH）在书面上固定下来。在传统的工业应用中，对这类验算的要求也越来越多（图2-2）。本书随后的章节也是根据这种要求进行编排的。

图2-2用于轻量化结构的验算方法［AUT 92］

    在承载能力验算中，需按照规则确定变形极限，并且要进行针对流动、断裂或不稳定性的安全性验算。由于轻量化允许的安全系数越来越小，所需要的计算也就越来越费时。举例来说，在交通技术（见DIN EN 12663）中要求如下：
    ●抗流动的安全系数为

    ●抗断裂的安全系数为

    ●抗不稳定性的安全系数为

    对于动态应力载荷情况，还应进行可靠性验算（所有构件的幸存概率PA≥95%）与使用强度验算（即疲劳强度和结构强度验算）。通常要求：
    ●钢材：最少2×106个周期（在振动疲劳极限下，振幅恒定）；
    ●铝材：最少1×107个周期。
    紧接下来要进行的是静态或者动态的裂纹断裂或者裂纹扩展验算：
    ●抗静态裂纹断裂的安全系数：

    ●抗动态裂纹扩展的安全系数：

    根据应用情况，有两个基本要点需加以注意：
    要求在整个期间绝对无损坏的“safelifequality”（安全寿命质量）原则与以破坏允差和足够的残余承载能力为前提的“failsafequality”（失效安全质量）原则。所有的轻量化措施都是以此目标为基础的。总的来说，还要考虑以下几点：
    ●符合理想要求的材料：密度低、弹性模量高、静态与动态基本强度高、足够的断裂韧性。在自然界的材料中很难得到这样的性能组合。因此，可达到这些设计功能要求的复合材料得到了越来越多的应用。未来，“主动功能构造”（AFB）［ELS 98］将开辟新的应用空间。“主动功能构造”是在基体材料中植入主动功能材料，如压电纤维传感器，以达到改变特定的性能（变形行为、稳定性行为与疲劳行为）。
    ●参数确定应始终遵循最小化设计的原则。这通常是以昂贵的追加计算（求解微分方程，生成有限元/边界元模型）为前提的。
    ●以定义的力导入、松散的设计原则、达到设定的刚度、足够的可维修性与只在载荷很小的区域内的接合布置为主要标识的设计结构。
    经验表明，一个好的轻量化设计往往是循环反复地采用CADFEM软件进行大量计算来逐渐完善的。不过，尽管仿真功能越来越强大，开发的最后阶段通常还是要借助与实际接近的原型进行试验验证。