隨著節(jié)能減排形勢(shì)變得日益嚴(yán)峻，相關(guān)部門對(duì)卡車超載的治理越來(lái)越嚴(yán)，輕量化成了近幾年來(lái)汽車行業(yè)常被探討的話題。比如，鋁合金車輪的應(yīng)用就是國(guó)內(nèi)準(zhǔn)重載車輛實(shí)現(xiàn)輕量化的一大有效手段。在了解國(guó)內(nèi)外卡車企業(yè)的卡車輕量化情況時(shí)，記者通過(guò)查閱相關(guān)外文材料得知，德國(guó)某研究機(jī)構(gòu)近期研發(fā)了一種新型的車輛輕量化技術(shù)。
汽車“瘦身”現(xiàn)實(shí)又迫切
據(jù)每日科學(xué)網(wǎng)站9月4日發(fā)布的一篇文章稱，最近歐洲委員會(huì)出臺(tái)了一項(xiàng)新法規(guī)，如果汽車制造廠不能顯著降低其新生產(chǎn)汽車的二氧化碳平均排放量，它們將面臨巨額的罰款。汽車工業(yè)到了必須思索如何減少燃料消耗量和二氧化碳排放量的時(shí)候了。
如何減少汽車燃料消耗量，一條有效的途徑就是在汽車輕量化結(jié)構(gòu)上做文章，換句話說(shuō)就是讓汽車“瘦”下來(lái)。但是給汽車“減肥”必須在不降低汽車安全性的前提下進(jìn)行。如何在同等級(jí)別安全程度下成功給汽車瘦身，是擺在汽車設(shè)計(jì)人員面前的一道既現(xiàn)實(shí)又迫切的難題。
到目前為止，大部分車身結(jié)構(gòu)都是由同質(zhì)鋼板組成的，不同部位的鋼板厚度基本上相同。一些承擔(dān)局部應(yīng)力過(guò)大的部件，要求鋼板較厚來(lái)承擔(dān)高強(qiáng)度局部應(yīng)力。這就意味著一些不需要承擔(dān)很大局部應(yīng)力部位的鋼板厚度超出了實(shí)際所需要的厚度，這就給車身增加了不必要的重量。此外，一些汽車制造廠家還喜歡用一些價(jià)格較貴的高強(qiáng)度鋼板，這無(wú)形之中也會(huì)增加車身重量。
使用普通強(qiáng)度鋼板 激光提升局部強(qiáng)度
國(guó)外先進(jìn)的輕量化技術(shù)一直是國(guó)內(nèi)制造企業(yè)效仿的對(duì)象，其前沿技術(shù)的發(fā)展也對(duì)我國(guó)有很大的借鑒意義。最近，德國(guó)薩克森州首府德累斯頓市弗勞恩霍夫材料和射線研究所（The Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology IWS）的研究人員研發(fā)出了一項(xiàng)全新的車輛輕量化結(jié)構(gòu)技術(shù)，可在充分確保車輛安全性的前提下減輕車輛重量。
來(lái)自該研究所的科學(xué)家馬庫(kù)斯。瓦格納稱：“安全性和輕量化結(jié)構(gòu)彼此并不矛盾。”為了更準(zhǔn)確地匹配車身各個(gè)部位所承受的應(yīng)力，馬庫(kù)斯。瓦格納和他的同事正在致力于創(chuàng)建一套實(shí)現(xiàn)車身輕量化的新方案，這項(xiàng)新方案被稱為“局部激光強(qiáng)化”（local laser reinforcement）。
這套方案使用的是價(jià)格低廉、強(qiáng)度普通、壁厚度達(dá)到最薄限度的鋼板，但這么做會(huì)導(dǎo)致某個(gè)部位的鋼板無(wú)法承受高強(qiáng)度局部應(yīng)力。為解決這個(gè)難題，研究人員需要提升承受過(guò)大局部應(yīng)力部位的鋼板強(qiáng)度。
那么這個(gè)過(guò)程具體是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？首先，專家用聚集激光束照射未經(jīng)加工的鋼板表面，被聚集激光束照射的鋼板溫度開始升高并逐漸熔化，熔化所產(chǎn)生的熱量迅速消散并傳遞給毗連的冷材料，熱量所經(jīng)過(guò)的部位遇熱之后迅速冷卻。這個(gè)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生硬質(zhì)相，遇熱之后迅速冷卻的材料其硬度可得到顯著強(qiáng)化。
“通過(guò)這個(gè)過(guò)程，我們可以得到強(qiáng)度達(dá)到1500兆帕的材料，新材料的強(qiáng)度大概是未經(jīng)強(qiáng)化的原始材料的2倍。”瓦格納說(shuō)。在整個(gè)過(guò)程中，得到強(qiáng)化的鋼板并未變厚，也就是說(shuō)鋼板的重量并未增加，這個(gè)方案可謂是在確保車輛安全性的前提下，對(duì)輕量化技術(shù)的一種有益嘗試。
瓦格納稱：“這個(gè)方案可被用于設(shè)計(jì)車輛前后緩沖杠、中立柱、加強(qiáng)筋、加強(qiáng)板等諸多部件。在設(shè)計(jì)這些部件時(shí)，上述方案提供了一條如何在重量和強(qiáng)度上作出最優(yōu)選擇的解決途徑。”
碰撞性能表現(xiàn) 可提升一倍
車輛碰撞時(shí)產(chǎn)生的壓力，足以令某個(gè)零部件瞬間產(chǎn)生大幅度變形。撞擊時(shí)，車身變形程度越小，司機(jī)得到的保護(hù)就越大。通過(guò)“局部激光強(qiáng)化”，上述研究所的科學(xué)家們?cè)噲D獲得抗變形性更強(qiáng)的零部件。
為了使車身在撞擊時(shí)變形程度更小，研究人員必須確定需要進(jìn)行激光強(qiáng)化的最佳位置和最佳幾何形狀。比如：它們應(yīng)該是點(diǎn)狀的、傾斜的、還是縱長(zhǎng)的？強(qiáng)化部分應(yīng)該選用何種材料來(lái)使車輛在撞擊時(shí)發(fā)生最小程度的變形？現(xiàn)在，研究人員可以通過(guò)電腦模擬測(cè)試探索以上所有問(wèn)題的答案。據(jù)瓦格納稱：“通過(guò)電腦模擬實(shí)驗(yàn)，我們可以完全模仿實(shí)地實(shí)驗(yàn)并得到我們想要的數(shù)據(jù)，電腦模擬實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)與實(shí)地實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)相差在幾毫米左右。”
通過(guò)數(shù)值模擬研究，瓦格納和他的團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一種彎曲應(yīng)力的碰撞最優(yōu)軌跡設(shè)計(jì)。在受到不同形式的撞擊時(shí)，車輛的變形部位是不一樣的，比如說(shuō)車輛迎面撞上一棵樹，與被另一輛車從側(cè)翼撞擊時(shí)所引起的變形并不相同。瓦格納團(tuán)隊(duì)把這種方法應(yīng)用到了實(shí)際車輛設(shè)計(jì)過(guò)程，并用激光強(qiáng)化。
瓦格納說(shuō)：“在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)我們的碰撞最優(yōu)軌跡設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)激光局部強(qiáng)化的管道外形，在發(fā)生碰撞后的扭曲變形程度比未經(jīng)強(qiáng)化時(shí)減小一半，而我們?cè)谶@一管道上進(jìn)行激光強(qiáng)化的部分只占3%左右。這也就是說(shuō)，我們的技術(shù)方案能夠使車輛的碰撞性能表現(xiàn)提高一倍。”
出于對(duì)乘客安全的考慮，該研究所的研究人員已經(jīng)把這項(xiàng)全新的技術(shù)解決方案應(yīng)用到了車輛易遭撞擊的位置和座椅部件上。通過(guò)這套全新的技術(shù)方案，車輛的部件重量能夠減輕20%左右，而這是建立在完全無(wú)損車輛安全性的前提下。在下一階段，瓦格納和他的團(tuán)隊(duì)將致力于通過(guò)軌道幾何形狀自動(dòng)優(yōu)化來(lái)進(jìn)一步完善他們的技術(shù)。
