第二章 轻量化的问题结构

    轻量化的所有努力都在于将设计的自重降到最低值，同时也必须考虑到所受到的约束，即不能妨碍到功能、安全与耐用性。目前主要采用的轻量化方法有：

    ●实现先进的构造；

    ●采用更轻和强度更高的材料；

    ●新的制造技术；

    ●通过高水平的分析方法（FEM,BEM）分析掌握应力载荷与不稳定的情形。

    实现这些原则须采用特定的设计战略[BLE 74]，简要分类如下：

    ●形状轻量化：通过轻量化驱动的设计原则、适当的型材几何形状与单一的力传递路径来实现。

    ●材料轻量化：采用性能参数尽可能高的、更轻的材料替代体积质量比较大的材料。

    ●制造轻量化：充分利用所有的技术潜能，实现在最少的材料使用和最少的连接点下的功能集成（单一件）。

    每一种战略背后都意味着完全独立的设计和技术上的开销，由于必须考虑到成本的因素，在机械与汽车制造中可实现的轻量化度（～1/G）通常被限制在很窄的范围内，大多数情况下，其上下浮动的空间极其有限。

    图2-1表明了轻量化设计的主要成本组成的几个基本趋势。绝大多数成本显示出了指数变化的过程，可将在这一变化过程中存在的一个理论最小值作为经济化的解决方案。

    如果对强度和刚度性能相近的钢/碳纤维增强单一方向(CFKUD)复合材料进行比较，则有mCFK≈0.33·mSt,对于材料成本来说，有KW,St≈mSt·1，KW,CFK≈0.33·mSt·100≈33·mSt。在力求达到的重量与成本的变化之间存在着直接的内在关系。通常来说，

图2-1一个系统的成本与重量之间的内在关系

    一种采用更高轻量化度结构的生产成本会显著增加，原因如下：

    ●来自设计、计算与试验（E+K）的工程费用在轻量化设计中要比常规设计高出5～10倍。

    ●随着体积质量降低，材料通常变得更贵，其比例关系为：

St∶Al∶Mg∶Ti∶GFK∶AFK∶CFK=1∶3∶4∶20∶10∶50∶100（欧元/kg）

    ●由于更高的工具与加工成本，轻量化制造成本比常规的要高出直至3倍。

    因此，在机械与汽车制造中进行轻量化设计通常要做出妥协。基于此，轻量化的目标通常为优化的轻量化，即在开销和收益之间要找到一个合适的平衡点。

    在航空航天设计中的情况则有所不同，由于成本考虑通常排在要完成的使命后面，因此往往可以做到极限轻量化。