【專訪】孟憲明：突破汽車輕量化技術(shù)及材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用中的關(guān)鍵共性技術(shù)問(wèn)題

隨著國(guó)內(nèi)輕量化技術(shù)的發(fā)展，中汽中心汽車工程研究院汽車輕量化與材料性能研究團(tuán)隊(duì)為行業(yè)輕量化關(guān)鍵共性技術(shù)開(kāi)發(fā)提供了強(qiáng)有力技術(shù)保障。中國(guó)汽車材料網(wǎng)策劃的“汽車材料與工藝研究機(jī)構(gòu)”尋訪活動(dòng)，本期邀請(qǐng)到的是中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司汽車工程研究院孟憲明博士。

隨著汽車保有量的增大，汽車造成的能源消耗與污染物排放問(wèn)題逐漸凸顯，國(guó)家對(duì)于汽車能耗的法規(guī)也日趨嚴(yán)格，低能耗已成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，汽車輕量化作為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)，受到了中外各個(gè)車企的極大重視。 “當(dāng)前汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展，更加體現(xiàn)了將合適材料應(yīng)用在合適位置，用合適工藝實(shí)現(xiàn)其性能設(shè)計(jì)的汽車輕量化開(kāi)發(fā)理念。汽車輕量化是一項(xiàng)集成多學(xué)科領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)的綜合性工程技術(shù)，它集材料性能開(kāi)發(fā)與應(yīng)用、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、先進(jìn)連接與成形技術(shù)等各方優(yōu)勢(shì)于一體”中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司汽車工程研究院孟憲明博士這樣表達(dá)汽車輕量化技術(shù)與輕量化材料應(yīng)用理念。本次專訪，孟博士就汽車輕量化技術(shù)以及輕量化材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用中的關(guān)鍵共性技術(shù)問(wèn)題等方面進(jìn)行了深入探討。

中汽中心汽車工程研究院 孟憲明博士

碳纖維復(fù)合材料在車身結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究值得思考

汽車行業(yè)是新材料最大的應(yīng)用行業(yè)之一，汽車行業(yè)的輕量化技術(shù)進(jìn)步，也給新材料發(fā)展提供了廣闊的空間和競(jìng)技平臺(tái)。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是極好的結(jié)構(gòu)功能一體化工程材料，是一種極具潛力的材料，具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)整體性。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，尤其是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料以其密度小、比強(qiáng)度與比剛度很高、零部件集成度高、零件可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)而備受工業(yè)界青睞。但是，碳纖維材料整體結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)材料要復(fù)雜得多，其具有強(qiáng)各向異性的特點(diǎn)，在車輛CAE分析及設(shè)計(jì)過(guò)程中，不可避免要面對(duì)碳纖維材料本身的材料各向異性帶來(lái)的力學(xué)獨(dú)特性和復(fù)雜性，不合理的設(shè)計(jì)將造成其整體結(jié)構(gòu)的災(zāi)難性破壞，并直接影響整體結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性。因此，在初始階段碳纖維材料車輛框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需考慮其不同方向上會(huì)呈現(xiàn)不同的材料力學(xué)性能復(fù)雜等方面的特點(diǎn)，碳纖維復(fù)合材料在車身結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究就顯得格外重要。

孟博士認(rèn)為，碳纖維材料的應(yīng)用性能目前需要解決的共性關(guān)鍵問(wèn)題有以下幾個(gè)方面：

第一，在復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)方面，需要開(kāi)發(fā)出適合汽車行業(yè)應(yīng)用的低成本、高性能的碳纖維復(fù)合材料；

第二，在材料性能應(yīng)用方面，需要建立相關(guān)碳纖維復(fù)合材料滿足工程應(yīng)用的基礎(chǔ)性能數(shù)據(jù)，其中包括靜態(tài)力學(xué)性能數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能數(shù)據(jù)、疲勞耐久數(shù)據(jù)、接頭力學(xué)性能數(shù)據(jù)以及材料斷裂失效判據(jù)等；

第三，在復(fù)合材料車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，需要解決基于零件結(jié)構(gòu)性能驅(qū)動(dòng)的復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)方法、基于復(fù)合材料零部件設(shè)計(jì)的有限元精準(zhǔn)建模方法、基于材料-性能-工藝一體化的多零件集成設(shè)計(jì)方法以及復(fù)合材料在使用過(guò)程中的耐久老化行為評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)方法；

同時(shí)孟博士也表示隨著上述提到的技術(shù)共性問(wèn)題與關(guān)鍵點(diǎn)得到合理科學(xué)的解決，可以使碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在汽車輕量化領(lǐng)域得到更為廣泛的推廣和應(yīng)用。

輕量化材料及部件的精準(zhǔn)化仿真技術(shù)需要重視

近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)新材料研發(fā)及汽車輕量化技術(shù)的大力支持與引導(dǎo)，使很多性能優(yōu)越的新型輕量化材料應(yīng)用在車身結(jié)構(gòu)中，使我國(guó)汽車輕量化應(yīng)用技術(shù)得到很大提升。

在整車開(kāi)發(fā)過(guò)程中，輕量化設(shè)計(jì)是貫穿于整車產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程始終的，輕量化技術(shù)體現(xiàn)的優(yōu)化問(wèn)題也就是如何通過(guò)結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)將合適的材料應(yīng)用在合適的位置，用最優(yōu)的結(jié)構(gòu)和工藝去實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。在汽車設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段，通常采用CAE輔助分析方法對(duì)具體部位的零件形狀及材料種類應(yīng)用進(jìn)行分析與確定，在這個(gè)階段，材料的相關(guān)力學(xué)性能作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入到CAE仿真模型中進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能分析計(jì)算，這部分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包含以下幾個(gè)方面：材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能、靜態(tài)力學(xué)性能、疲勞耐久性能、材料斷裂失效判據(jù)、接頭力學(xué)性能以及材料本構(gòu)模型等。精準(zhǔn)的材料模型與數(shù)據(jù)輸入會(huì)使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)余量變得更加合理，輕量化與性能間的匹配更加完美。相反，如果材料模型與數(shù)據(jù)輸入精度不高，會(huì)導(dǎo)致前期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)偏軟或偏硬，都會(huì)對(duì)材料的精準(zhǔn)應(yīng)用產(chǎn)生影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)余量不足或者過(guò)多，不能精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)將合適材料應(yīng)用在合適位置的設(shè)計(jì)理念。因此，在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，材料與部件的精準(zhǔn)仿真技術(shù)就顯得格外重要。

孟博士強(qiáng)調(diào)在輕量化材料及部件的精準(zhǔn)仿真技術(shù)上目前需要解決的關(guān)鍵共性問(wèn)題主要有以下幾個(gè)方面：

第一，在材料力學(xué)性能基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測(cè)試表征方面，材料不同應(yīng)變速率下的力-位移關(guān)系曲線測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)方法的統(tǒng)一性問(wèn)題、塑料等強(qiáng)塑性材料斷裂失效相關(guān)判據(jù)的測(cè)量精準(zhǔn)性問(wèn)題、超薄板材E-N曲線的測(cè)量精準(zhǔn)性問(wèn)題以及大變形粘塑性材料的應(yīng)變場(chǎng)精準(zhǔn)測(cè)量問(wèn)題都是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題，也是制約材料應(yīng)用數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度的關(guān)鍵因素。

第二，在仿真模型開(kāi)發(fā)方面，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的材料仿真模型及斷裂失效模型開(kāi)發(fā)，基于計(jì)算效率、仿真精度以及工程可應(yīng)用性三因素的精準(zhǔn)化模型開(kāi)發(fā)，異種材料連接接頭的精準(zhǔn)化模型開(kāi)發(fā)以及纖維增強(qiáng)多層復(fù)合材料的精準(zhǔn)化模型開(kāi)發(fā)等方面。

這些技術(shù)共性問(wèn)題與關(guān)鍵點(diǎn)的突破需要集成產(chǎn)學(xué)研各自優(yōu)勢(shì)來(lái)得到合理的解決，上述技術(shù)共性問(wèn)題的解決，可以更加提升我國(guó)輕量化自主設(shè)計(jì)水平與能力。

創(chuàng)新研究輕量化異種材料連接技術(shù)

現(xiàn)階段，在車身輕量化工程設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，鋼鋁混合車身技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在新能源汽車企業(yè)得到了很好的應(yīng)用，在混合材料車身結(jié)構(gòu)中，多種材料的連接很難由傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊來(lái)完成，需要采用多種現(xiàn)代連接方法予以克服，開(kāi)發(fā)新的連接技術(shù)是鋁合金等輕質(zhì)材料得以擴(kuò)大應(yīng)用的前提。

孟博士表示從目前的研究來(lái)看，比較適用于混合材料車身框架的連接方式主要有機(jī)械連接、粘接、焊接、復(fù)合連接技術(shù)等。其中，主要適于鋼鋁混合車身的連接方式為機(jī)械連接，機(jī)械連接的樣式繁多，其中包括SPR,FDS,拉鉚，螺接，無(wú)鉚連接等連接方式；焊接的種類也比較多，但相對(duì)適于鋼和鋁連接的主要是攪拌摩擦焊、激光焊等；另外，出于鋼鋁連接對(duì)耐疲勞、防腐蝕和密封性的需要，還出現(xiàn)了復(fù)合連接技術(shù)，尤其是鉚/粘復(fù)合連接在鋼鋁混合車身中得到了廣泛的應(yīng)用。上述連接方案中，不同材料間鉚接鉚釘以及鉚接工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)，復(fù)合連接中不同材料表面處理工藝與表面質(zhì)量等都是關(guān)系到接頭強(qiáng)度性能的關(guān)鍵因素，也是連接技術(shù)的關(guān)鍵共性技術(shù)。近年來(lái)，隨著汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)材料連接技術(shù)也得到很大提升，自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的連接方法與工藝也以應(yīng)用在量產(chǎn)車型中，但其中一些關(guān)鍵的共性技術(shù)問(wèn)題仍需要提高與突破，其主要分為以下幾個(gè)方面，熱成型鋼與鋁的鉚接鉚釘設(shè)計(jì)及其鉚接工藝開(kāi)發(fā)技術(shù)、多層多厚度鋼鋁混合材料的連接工藝開(kāi)發(fā)、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能鉚槍系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、機(jī)械連接及復(fù)合連接接頭性能的在線檢測(cè)方法開(kāi)發(fā)等方面。上述技術(shù)難點(diǎn)問(wèn)題與共性問(wèn)題的突破需要主機(jī)廠、連接技術(shù)供應(yīng)商以及科研單位的協(xié)同創(chuàng)新研究來(lái)解決。

材料及接頭性能的共性數(shù)據(jù)庫(kù)的開(kāi)發(fā)意義重大

材料及接頭的力學(xué)性能數(shù)據(jù)庫(kù)是作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的核心輸入，以及產(chǎn)品在進(jìn)行材料更換時(shí)的重要參考數(shù)據(jù)，在產(chǎn)品的整個(gè)開(kāi)發(fā)階段具有重要的意義?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)各主機(jī)廠都相應(yīng)具備了自己的材料與接頭數(shù)據(jù)庫(kù)資源。但是，也存在著相關(guān)共性技術(shù)難點(diǎn)問(wèn)題，為此孟博士指出：

第一，新型輕量化材料性能數(shù)據(jù)庫(kù)相對(duì)傳統(tǒng)材料性能數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)說(shuō)還相對(duì)比較缺乏，從而導(dǎo)致在產(chǎn)品前期開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)階段，沒(méi)有對(duì)應(yīng)的性能數(shù)據(jù)輸入給相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員做結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，阻礙了相關(guān)新型材料在產(chǎn)品中設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

第二，材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在不同檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)，經(jīng)過(guò)不同經(jīng)驗(yàn)試驗(yàn)人員數(shù)據(jù)處理后，導(dǎo)致材料相關(guān)性能數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性不高，數(shù)據(jù)離散性較大。

第三，現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)基本都是基礎(chǔ)性能測(cè)試數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)很多沒(méi)有經(jīng)過(guò)詳細(xì)的對(duì)標(biāo)分析過(guò)程，不能直接應(yīng)用到CAE精準(zhǔn)化設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，這樣就導(dǎo)致材料數(shù)據(jù)庫(kù)與精準(zhǔn)化設(shè)計(jì)應(yīng)用之間的脫離。

因此，需要通過(guò)行業(yè)聯(lián)盟以及汽車行業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù)研究單位來(lái)解決上述共性問(wèn)題，通過(guò)建立相關(guān)測(cè)試統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)處理與分析統(tǒng)一方法來(lái)實(shí)現(xiàn)行業(yè)大數(shù)據(jù)的整合與應(yīng)用，更好的為企業(yè)行業(yè)服務(wù)，提升輕量化材料的應(yīng)用與價(jià)值。

中汽中心汽車工程院輕量化與材料性能研究團(tuán)隊(duì)在解決行業(yè)共性關(guān)鍵技術(shù)中碩果累累

中汽中心汽車工程研究院汽車輕量化與材料性能研究團(tuán)隊(duì)一直致力于整車輕量化與材料應(yīng)用性能等關(guān)鍵共性技術(shù)研究工作，完成多項(xiàng)國(guó)家及省部委科研課題，其中包含國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等關(guān)鍵共性技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目，并與國(guó)內(nèi)高校、企業(yè)以及科研單位形成聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室共同突破材料與輕量化關(guān)鍵共性技術(shù)。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)基于工程開(kāi)發(fā)以及科研類項(xiàng)目，建立了車用多材料與接頭的精準(zhǔn)建模方法，材料與接頭的斷裂失效行為模擬仿真技術(shù)，形成了材料-工藝-性能一體化的輕量化設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方法，構(gòu)建了覆蓋國(guó)內(nèi)車用材料種類的，可直接應(yīng)用于CAE仿真分析的材料性能數(shù)據(jù)庫(kù)及接頭性能數(shù)據(jù)庫(kù)兩大數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)。為多家企業(yè)提供了基于多目標(biāo)的車身結(jié)構(gòu)輕量化解決方案，對(duì)整車進(jìn)行有效減重的同時(shí)也提升了相關(guān)性能指標(biāo)。團(tuán)隊(duì)已為國(guó)內(nèi)數(shù)十家自主品牌汽車企業(yè)和材料零部件企業(yè)提供了輕量化與材料等相關(guān)一體化解決方案與數(shù)據(jù)庫(kù)支持，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，提升了國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)輕量化技術(shù)水平，促進(jìn)了國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)輕量化共性技術(shù)的進(jìn)步。

編后

當(dāng)前，我國(guó)汽車輕量化技術(shù)的產(chǎn)業(yè)技術(shù)鏈已經(jīng)初步形成，在汽車用高強(qiáng)度鋼及其核心零部件的輕量化技術(shù)解決方案方面能夠滿足我國(guó)汽車行業(yè)的發(fā)展需求。但在新型材料方面，例如：鋁合金、鎂合金、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料方面還有一定差距，不能很好的滿足汽車行業(yè)對(duì)輕量化技術(shù)發(fā)展的需要，應(yīng)該在國(guó)家和行業(yè)相關(guān)政策的引導(dǎo)和推動(dòng)下，通過(guò)跨學(xué)科、跨產(chǎn)業(yè)協(xié)同、產(chǎn)學(xué)研的深度合作等方式，突破制約輕量化技術(shù)發(fā)展的共性關(guān)鍵技術(shù)，提升性能優(yōu)良的新型材料的應(yīng)用與輕量化解決方案能力，使其更還的服務(wù)于汽車行業(yè)，為我國(guó)汽車輕量化技術(shù)提升做出更大的貢獻(xiàn)。

專家簡(jiǎn)介

孟憲明，博士，高級(jí)工程師，汽車輕量化與材料性能研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人，主要從事汽車輕量化技術(shù)與車用新材料性能研究與應(yīng)用技術(shù)工作，主持完成30余項(xiàng)企業(yè)項(xiàng)目，主持或參與完成多項(xiàng)科研項(xiàng)目，其中國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目2項(xiàng)、省部級(jí)項(xiàng)目1項(xiàng)。發(fā)表論文45篇（SCI收錄16篇，EI收錄6篇），獲得多項(xiàng)國(guó)家專利。國(guó)外多個(gè)SCI刊源期刊MMTA，JMSE等審稿人，國(guó)際會(huì)議CMSE等大會(huì)學(xué)術(shù)委員會(huì)委員等。 一直致力于整車輕量化集成技術(shù)與車用材料性能應(yīng)用技術(shù)研究領(lǐng)域，為國(guó)內(nèi)外多家企業(yè)提供輕量化及新材料應(yīng)用相關(guān)技術(shù)解決方案。