隨著國內(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隊為行業(yè)輕量化關(guān)鍵共性技術(shù)開發(fā)提供了強有力技術(shù)保障。中國汽車材料網(wǎng)策劃的“汽車材料與工藝研究機構(gòu)”尋訪活動，本期邀請到的是中國汽車技術(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題逐漸凸顯，國家對于汽車能耗的法規(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，汽車輕量化作為實現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)，受到了中外各個車企的極大重視。 “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，用合適工藝實現(xiàn)其性能設(shè)計的汽車輕量化開發(fā)理念。汽車輕量化是一項集成多學(xué)科領(lǐng)域優(yōu)勢的綜合性工程技術(shù)，它集材料性能開發(fā)與應(yīng)用、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、先進連接與成形技術(shù)等各方優(yōu)勢于一體”中國汽車技術(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)以及輕量化材料開發(fā)與應(yīng)用中的關(guān)鍵共性技術(shù)問題等方面進行了深入探討。

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)進步，也給新材料發(fā)展提供了廣闊的空間和競技平臺。纖維增強復(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。纖維增強復(fù)合材料，尤其是碳纖維增強復(fù)合材料以其密度小、比強度與比剛度很高、零部件集成度高、零件可設(shè)計性強等特點而備受工業(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，其具有強各向異性的特點，在車輛CAE分析及設(shè)計過程中，不可避免要面對碳纖維材料本身的材料各向異性帶來的力學(xué)獨特性和復(fù)雜性，不合理的設(shè)計將造成其整體結(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)計過程中，需考慮其不同方向上會呈現(xiàn)不同的材料力學(xué)性能復(fù)雜等方面的特點，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)鍵問題有以下幾個方面：

第一，在復(fù)合材料的開發(fā)方面，需要開發(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)計方面，需要解決基于零件結(jié)構(gòu)性能驅(qū)動的復(fù)合材料鋪層設(shè)計方法、基于復(fù)合材料零部件設(shè)計的有限元精準(zhǔn)建模方法、基于材料-性能-工藝一體化的多零件集成設(shè)計方法以及復(fù)合材料在使用過程中的耐久老化行為評價與預(yù)測方法；

同時孟博士也表示隨著上述提到的技術(shù)共性問題與關(guān)鍵點得到合理科學(xué)的解決，可以使碳纖維增強復(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，隨著國家對新材料研發(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，使我國汽車輕量化應(yīng)用技術(shù)得到很大提升。

在整車開發(fā)過程中，輕量化設(shè)計是貫穿于整車產(chǎn)品開發(fā)流程始終的，輕量化技術(shù)體現(xiàn)的優(yōu)化問題也就是如何通過結(jié)構(gòu)性能設(shè)計來實現(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)和工藝去實現(xiàn)的問題。在汽車設(shè)計開發(fā)階段，通常采用CAE輔助分析方法對具體部位的零件形狀及材料種類應(yīng)用進行分析與確定，在這個階段，材料的相關(guān)力學(xué)性能作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入到CAE仿真模型中進行結(jié)構(gòu)性能分析計算，這部分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包含以下幾個方面：材料動態(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)輸入會使結(jié)構(gòu)設(shè)計余量變得更加合理，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，會導(dǎo)致前期結(jié)構(gòu)設(shè)計偏軟或偏硬，都會對材料的精準(zhǔn)應(yīng)用產(chǎn)生影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計余量不足或者過多，不能精準(zhǔn)實現(xiàn)將合適材料應(yīng)用在合適位置的設(shè)計理念。因此，在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，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)鍵共性問題主要有以下幾個方面：

第一，在材料力學(xué)性能基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測試表征方面，材料不同應(yīng)變速率下的力-位移關(guān)系曲線測量標(biāo)準(zhǔn)方法的統(tǒng)一性問題、塑料等強塑性材料斷裂失效相關(guān)判據(jù)的測量精準(zhǔn)性問題、超薄板材E-N曲線的測量精準(zhǔn)性問題以及大變形粘塑性材料的應(yīng)變場精準(zhǔn)測量問題都是需要解決的關(guān)鍵問題，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，在仿真模型開發(fā)方面，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的材料仿真模型及斷裂失效模型開發(fā)，基于計算效率、仿真精度以及工程可應(yīng)用性三因素的精準(zhǔn)化模型開發(fā)，異種材料連接接頭的精準(zhǔn)化模型開發(fā)以及纖維增強多層復(fù)合材料的精準(zhǔn)化模型開發(fā)等方面。

這些技術(shù)共性問題與關(guān)鍵點的突破需要集成產(chǎn)學(xué)研各自優(yōu)勢來得到合理的解決，上述技術(shù)共性問題的解決，可以更加提升我國輕量化自主設(shè)計水平與能力。

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)計開發(fā)中，鋼鋁混合車身技術(shù)以其獨特的優(yōu)勢在新能源汽車企業(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)的電阻點焊來完成，需要采用多種現(xiàn)代連接方法予以克服，開發(fā)新的連接技術(shù)是鋁合金等輕質(zhì)材料得以擴大應(yīng)用的前提。

孟博士表示從目前的研究來看，比較適用于混合材料車身框架的連接方式主要有機械連接、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械連接，機械連接的樣式繁多，其中包括SPR,FDS,拉鉚，螺接，無鉚連接等連接方式；焊接的種類也比較多，但相對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，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，隨著汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展，我國材料連接技術(shù)也得到很大提升，自主知識產(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)問題仍需要提高與突破，其主要分為以下幾個方面，熱成型鋼與鋁的鉚接鉚釘設(shè)計及其鉚接工藝開發(fā)技術(shù)、多層多厚度鋼鋁混合材料的連接工藝開發(fā)、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能鉚槍系統(tǒng)開發(fā)、機械連接及復(fù)合連接接頭性能的在線檢測方法開發(fā)等方面。上述技術(shù)難點問題與共性問題的突破需要主機廠、連接技術(shù)供應(yīng)商以及科研單位的協(xié)同創(chuàng)新研究來解決。

材料及接頭性能的共性數(shù)據(jù)庫的開發(fā)意義重大

材料及接頭的力學(xué)性能數(shù)據(jù)庫是作為產(chǎn)品設(shè)計階段的核心輸入，以及產(chǎn)品在進行材料更換時的重要參考數(shù)據(jù)，在產(chǎn)品的整個開發(fā)階段具有重要的意義?，F(xiàn)階段，國內(nèi)各主機廠都相應(yīng)具備了自己的材料與接頭數(shù)據(jù)庫資源。但是，也存在著相關(guān)共性技術(shù)難點問題，為此孟博士指出：

第一，新型輕量化材料性能數(shù)據(jù)庫相對傳統(tǒng)材料性能數(shù)據(jù)庫來說還相對比較缺乏，從而導(dǎo)致在產(chǎn)品前期開發(fā)設(shè)計階段，沒有對應(yīng)的性能數(shù)據(jù)輸入給相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計人員做結(jié)構(gòu)開發(fā)設(shè)計，阻礙了相關(guān)新型材料在產(chǎn)品中設(shè)計中的應(yīng)用。

第二，材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在不同檢測設(shè)備檢測，經(jīng)過不同經(jīng)驗試驗人員數(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)庫中的數(shù)據(jù)基本都是基礎(chǔ)性能測試數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)很多沒有經(jīng)過詳細(xì)的對標(biāo)分析過程，不能直接應(yīng)用到CAE精準(zhǔn)化設(shè)計開發(fā)中，這樣就導(dǎo)致材料數(shù)據(jù)庫與精準(zhǔn)化設(shè)計應(yīng)用之間的脫離。

因此，需要通過行業(yè)聯(lián)盟以及汽車行業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù)研究單位來解決上述共性問題，通過建立相關(guān)測試統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)處理與分析統(tǒng)一方法來實現(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)用與價值。

中汽中心汽車工程院輕量化與材料性能研究團隊在解決行業(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隊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，完成多項國家及省部委科研課題，其中包含國家重點研發(fā)計劃等關(guān)鍵共性技術(shù)研發(fā)項目，并與國內(nèi)高校、企業(yè)以及科研單位形成聯(lián)合實驗室共同突破材料與輕量化關(guān)鍵共性技術(shù)。同時，團隊基于工程開發(fā)以及科研類項目，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)計開發(fā)方法，構(gòu)建了覆蓋國內(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)庫及接頭性能數(shù)據(jù)庫兩大數(shù)據(jù)庫平臺。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，對整車進行有效減重的同時也提升了相關(guān)性能指標(biāo)。團隊已為國內(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)庫支持，取得了顯著的經(jīng)濟和社會效益，提升了國內(nèi)汽車行業(yè)輕量化技術(shù)水平，促進了國內(nèi)汽車行業(yè)輕量化共性技術(shù)的進步。

編后

當(dāng)前，我國汽車輕量化技術(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)對輕量化技術(shù)發(fā)展的需要，應(yīng)該在國家和行業(yè)相關(guān)政策的引導(dǎo)和推動下，通過跨學(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)，為我國汽車輕量化技術(shù)提升做出更大的貢獻。

專家簡介

孟憲明，博士，高級工程師，汽車輕量化與材料性能研究團隊負(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余項企業(yè)項目，主持或參與完成多項科研項目，其中國家重點研發(fā)計劃項目2項、省部級項目1項。發(fā)表論文45篇（SCI收錄16篇，EI收錄6篇），獲得多項國家專利。國外多個SCI刊源期刊MMTA，JMSE等審稿人，國際會議CMSE等大會學(xué)術(shù)委員會委員等。 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。