隨著國內輕量化技術的發(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)輕量化關鍵共性技術開發(fā)提供了強有力技術保障。中國汽車材料網策劃的“汽車材料與工藝研究機構”尋訪活動，本期邀請到的是中國汽車技術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)也日趨嚴格，低能耗已成為汽車產業(yè)發(fā)展的必然趨勢，汽車輕量化作為實現這一目標的關鍵技術，受到了中外各個車企的極大重視。 “當前汽車輕量化技術的發(fā)展，更加體現了將合適材料應用在合適位置，用合適工藝實現其性能設計的汽車輕量化開發(fā)理念。汽車輕量化是一項集成多學科領域優(yōu)勢的綜合性工程技術，它集材料性能開發(fā)與應用、結構優(yōu)化設計、先進連接與成形技術等各方優(yōu)勢于一體”中國汽車技術研究中心有限公司汽車工程研究院孟憲明博士這樣表達汽車輕量化技術與輕量化材料應用理念。本次專訪，孟博士就汽車輕量化技術以及輕量化材料開發(fā)與應用中的關鍵共性技術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

碳纖維復合材料在車身結構中的應用研究值得思考

汽車行業(yè)是新材料最大的應用行業(yè)之一，汽車行業(yè)的輕量化技術進步，也給新材料發(fā)展提供了廣闊的空間和競技平臺。纖維增強復合材料是極好的結構功能一體化工程材料，是一種極具潛力的材料，具有優(yōu)異的結構整體性。纖維增強復合材料，尤其是碳纖維增強復合材料以其密度小、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，碳纖維材料整體結構較傳統材料要復雜得多，其具有強各向異性的特點，在車輛CAE分析及設計過程中，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獨特性和復雜性，不合理的設計將造成其整體結構的災難性破壞，并直接影響整體結構的安全性與可靠性。因此，在初始階段碳纖維材料車輛框架結構設計過程中，需考慮其不同方向上會呈現不同的材料力學性能復雜等方面的特點，碳纖維復合材料在車身結構中的應用研究就顯得格外重要。

孟博士認為，碳纖維材料的應用性能目前需要解決的共性關鍵問題有以下幾個方面：

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

第二，在材料性能應用方面，需要建立相關碳纖維復合材料滿足工程應用的基礎性能數據，其中包括靜態(tài)力學性能數據、動態(tài)力學性能數據、疲勞耐久數據、接頭力學性能數據以及材料斷裂失效判據等；

第三，在復合材料車身結構優(yōu)化設計方面，需要解決基于零件結構性能驅動的復合材料鋪層設計方法、基于復合材料零部件設計的有限元精準建模方法、基于材料-性能-工藝一體化的多零件集成設計方法以及復合材料在使用過程中的耐久老化行為評價與預測方法；

同時孟博士也表示隨著上述提到的技術共性問題與關鍵點得到合理科學的解決，可以使碳纖維增強復合材料在汽車輕量化領域得到更為廣泛的推廣和應用。

輕量化材料及部件的精準化仿真技術需要重視

近年來，隨著國家對新材料研發(fā)及汽車輕量化技術的大力支持與引導，使很多性能優(yōu)越的新型輕量化材料應用在車身結構中，使我國汽車輕量化應用技術得到很大提升。

在整車開發(fā)過程中，輕量化設計是貫穿于整車產品開發(fā)流程始終的，輕量化技術體現的優(yōu)化問題也就是如何通過結構性能設計來實現將合適的材料應用在合適的位置，用最優(yōu)的結構和工藝去實現的問題。在汽車設計開發(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用進行分析與確定，在這個階段，材料的相關力學性能作為基礎數據輸入到CAE仿真模型中進行結構性能分析計算，這部分基礎數據包含以下幾個方面：材料動態(tài)力學性能、靜態(tài)力學性能、疲勞耐久性能、材料斷裂失效判據、接頭力學性能以及材料本構模型等。精準的材料模型與數據輸入會使結構設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，如果材料模型與數據輸入精度不高，會導致前期結構設計偏軟或偏硬，都會對材料的精準應用產生影響，導致結構設計余量不足或者過多，不能精準實現將合適材料應用在合適位置的設計理念。因此，在車身結構設計階段，材料與部件的精準仿真技術就顯得格外重要。

孟博士強調在輕量化材料及部件的精準仿真技術上目前需要解決的關鍵共性問題主要有以下幾個方面：

第一，在材料力學性能基礎數據測試表征方面，材料不同應變速率下的力-位移關系曲線測量標準方法的統一性問題、塑料等強塑性材料斷裂失效相關判據的測量精準性問題、超薄板材E-N曲線的測量精準性問題以及大變形粘塑性材料的應變場精準測量問題都是需要解決的關鍵問題，也是制約材料應用數據精準度的關鍵因素。

第二，在仿真模型開發(fā)方面，具有自主知識產權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用性三因素的精準化模型開發(fā)，異種材料連接接頭的精準化模型開發(fā)以及纖維增強多層復合材料的精準化模型開發(fā)等方面。

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

創(chuàng)新研究輕量化異種材料連接技術

現階段，在車身輕量化工程設計開發(fā)中，鋼鋁混合車身技術以其獨特的優(yōu)勢在新能源汽車企業(yè)得到了很好的應用，在混合材料車身結構中，多種材料的連接很難由傳統的電阻點焊來完成，需要采用多種現代連接方法予以克服，開發(fā)新的連接技術是鋁合金等輕質材料得以擴大應用的前提。

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、復合連接技術等。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，還出現了復合連接技術，尤其是鉚/粘復合連接在鋼鋁混合車身中得到了廣泛的應用。上述連接方案中，不同材料間鉚接鉚釘以及鉚接工藝參數的設計，復合連接中不同材料表面處理工藝與表面質量等都是關系到接頭強度性能的關鍵因素，也是連接技術的關鍵共性技術。近年來，隨著汽車輕量化技術的發(fā)展，我國材料連接技術也得到很大提升，自主知識產權的連接方法與工藝也以應用在量產車型中，但其中一些關鍵的共性技術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計及其鉚接工藝開發(fā)技術、多層多厚度鋼鋁混合材料的連接工藝開發(fā)、具有自主知識產權的高性能鉚槍系統開發(fā)、機械連接及復合連接接頭性能的在線檢測方法開發(fā)等方面。上述技術難點問題與共性問題的突破需要主機廠、連接技術供應商以及科研單位的協同創(chuàng)新研究來解決。

材料及接頭性能的共性數據庫的開發(fā)意義重大

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

第一，新型輕量化材料性能數據庫相對傳統材料性能數據庫來說還相對比較缺乏，從而導致在產品前期開發(fā)設計階段，沒有對應的性能數據輸入給相關產品設計人員做結構開發(fā)設計，阻礙了相關新型材料在產品中設計中的應用。

第二，材料基礎數據在不同檢測設備檢測，經過不同經驗試驗人員數據處理后，導致材料相關性能數據的統一性不高，數據離散性較大。

第三，現有數據庫中的數據基本都是基礎性能測試數據，數據很多沒有經過詳細的對標分析過程，不能直接應用到CAE精準化設計開發(fā)中，這樣就導致材料數據庫與精準化設計應用之間的脫離。

因此，需要通過行業(yè)聯盟以及汽車行業(yè)關鍵共性技術研究單位來解決上述共性問題，通過建立相關測試統一標準、數據處理與分析統一方法來實現行業(yè)大數據的整合與應用，更好的為企業(yè)行業(yè)服務，提升輕量化材料的應用與價值。

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)共性關鍵技術中碩果累累

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用性能等關鍵共性技術研究工作，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)計劃等關鍵共性技術研發(fā)項目，并與國內高校、企業(yè)以及科研單位形成聯合實驗室共同突破材料與輕量化關鍵共性技術。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建模方法，材料與接頭的斷裂失效行為模擬仿真技術，形成了材料-工藝-性能一體化的輕量化設計開發(fā)方法，構建了覆蓋國內車用材料種類的，可直接應用于CAE仿真分析的材料性能數據庫及接頭性能數據庫兩大數據庫平臺。為多家企業(yè)提供了基于多目標的車身結構輕量化解決方案，對整車進行有效減重的同時也提升了相關性能指標。團隊已為國內數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一體化解決方案與數據庫支持，取得了顯著的經濟和社會效益，提升了國內汽車行業(yè)輕量化技術水平，促進了國內汽車行業(yè)輕量化共性技術的進步。

編后

當前，我國汽車輕量化技術的產業(yè)技術鏈已經初步形成，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)對輕量化技術發(fā)展的需要，應該在國家和行業(yè)相關政策的引導和推動下，通過跨學科、跨產業(yè)協同、產學研的深度合作等方式，突破制約輕量化技術發(fā)展的共性關鍵技術，提升性能優(yōu)良的新型材料的應用與輕量化解決方案能力，使其更還的服務于汽車行業(yè)，為我國汽車輕量化技術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責人，主要從事汽車輕量化技術與車用新材料性能研究與應用技術工作，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等大會學術委員會委員等。 一直致力于整車輕量化集成技術與車用材料性能應用技術研究領域，為國內外多家企業(yè)提供輕量化及新材料應用相關技術解決方案。