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轻量化技术译丛

轻量化是一个涵义非常广泛的设计准则,其目标是减少工业产品的重量亦即质量。轻量化广泛应用于运动的机械零件、交通工具以及运动设备中,在这些领域中采用轻量化的动机主要有:达到更高的加速度、提高有效载荷以及减少能源消耗等等。轻量化的应用领域非常广泛,从普通机械制造(如:机器人、包装机械、体育用品等)、能源生产设备(如:风力发电机)到汽车与飞机制造直至航天飞机与太空站的构造。传统上[1]将轻量化分为:

· 材料轻量化(轻质材料)
· 形状轻量化(如:空心结构)
·  制造轻量化(如:整体构造或者连接构造)
· 设计轻量化(节约材料)
· 功能轻量化(如:功能集成或者减少功能)
这些轻量化方法相互间的交替作用可以用下面的例子来加以说明:设计一个制造得尽可能短的轿车可以节约材料;引入中置发动机可以均匀地分配重量;由于施加于轴上的载荷减少,则可以缩小承载横截面,从而可以采用功能集成的轻金属成型件;采取以上种种措施,不仅可以降低整车的总重量,也使得车型的外观更有吸引力,并增加汽车功能的多样性。要实现轻量化的目标,需要对以上所列举的方法有一个全面的了解。一般来说,如果没有合适的设计,仅通过材料替代是无法达到预期效果的。
在过去的几十年里,上面所列举的各种轻量化方法都得到了进一步的发展,并且为创新提供了强大的动力:新材料(如:高性能复合材料、高强钢)与材料复合物(如:带有泡沫形芯的三明治构件)以及新的成型方法(如:内高压成型)使得构造的效率更高;在计算机支持的零部件开发、接近真实的制造仿真与应力载荷仿真中,设计人员采用了可靠的检测方法来测试性能。另外,产品的功能也得到了扩展(如:安全),同时也考虑到了新的边界条件(如:环境承受能力)。不仅产品功能的范围变得更广泛了,实现这些功能的方法也更多了。
在市场经济时代,产品的使用必须考虑到成本。由于高效的轻量化通常会导致更高的材料和制造成本,因此对创新来说,在通过轻量化方法替代旧有产品方面面临着成本的压力。举例来说,如今生产的轿车必须减重,使得其重量不高于十年前生产的轿车的重量。但是,即使实现了每100千克0.3-0.5升燃油节约效果,由于采用轻量化方法导致在市场上的生产成本增加,目前看起来工业界对轻量化还没有产生足够的需求。未来,随着能源成本的增加、环境保护要求更加严格,将会增加工业界在轻量化方向上创新的压力。在航空航天与若干体育用品领域中,很久以来就应用轻量化的原则了。如今,在机械设备、道路运输车辆与有轨车辆开发中也越来越多地采用轻量化。本书将用产品实例来说明如何实现轻量化。书中的每个作者都阐述了提出的问题、方案的概念直至实际生产出产品的过程。

几百万年以来,自然界就发展出了轻量化,这使得设计师们可以从自然中学习:例如:仿生学[2]与生物拟态学[3]提供了创新的方向,但这种学习绝不是简单地加以复制。为了使得市场可以接受轻量化,在减轻重量的同时,要确保产品的使用性能相同或者更好。对开发工程师来说,要实现这一点,则需要解决很多问题。在这方面已经有了很多非常出色的轻量化概念和方法可供选择。作为强调设计理念的专著[4-6]的补充(编者注:[4]为《轻量化设计-计算基础与构造》,已经由机械工业出版社出版中文版),本书将展示现代轻量化方法的多样性和替代相关性,并以相应的实例加以说明。在设计与计算原理、材料性能(包括相应的复合材料与材料复合物)以及成型方法的基础上,相应的建设性论述将会对创新有所启发。对于轻量化产品间或遇到的市场门槛,书中也讨论了创新的一般前提条件与成本因素。在考虑到成本-使用-收支平衡与环境承受能力的情况下,考察了产品的全部寿命周期。书中也阐述了目前可用于零部件和材料的回收方法,这些方法有助于加强资源与环境的保护。

本书是“奥地利轻量化结构”项目的总结,希望通过本书能够将轻量化方法的基础知识介绍给工程专业的学生、研发领域的工作人员、设计师、开发和制造工程师、专业销售人员、创新决策者以及所有对实现轻量化概念感兴趣的人,并激发他们的创造性实践。
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作者:霍斯特-弗里德里希

轻量化技术会议

2023年辽宁-欧洲经贸合作交流会暨 第十届中德轻量化技术年

会议日期:2023-09-25——2023-09-25
会议地点:新世界博览馆204—205会议室
主办单位:辽宁省人民政府、中国欧盟商会

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