產品輕量化新技術體系的普惠價值

楊友文*，黃文嬌，劉繼廣，方曉剛，蘇章仁*

（1.合肥工業大學材料科學與工程學院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業大學外國語學院，安徽 合肥 230009）

當工業文明走向生態工業文明之際，如何提高資源使用效率、節能降耗、減少熵污染已獲人們廣泛認同并不斷思考其方法與路徑。在推進我國經濟高質量發展進程中，制造業是實體經濟的主體，必須擺在更加突出的位置[1]。隨著技術的發展，各類產品，特別是裝備類、工程類產品的大幅度輕量化已經成為發展方向。從產品應用角度來說，產品承載結構受到的載荷是動態變化的、分布不均勻的、邊界不清晰的，以至于以線性函數為基礎的數學計算難以精確表達。同時，產品在使用中，不僅存在動態變化的常態載荷，還存在應對小概率（非常態工況）的承載事件。因此，人們在掌握系統性復雜科學前，不得不以線性思維對結構以剛性約束、載荷為靜態簡化計算條件，以線性函數為基礎，構建非精細化的數學模型計算，同時采集大量實物驗證數據作為承載結構的設計與制造依據。

應對小概率事件含非常態工況及制造隱患的質量儲備，是人們構成產品安全系數由來已久、普遍存在的主動選擇。科技前沿的創新，不僅應該面向前瞻性的“高精尖”事物，也應該以科學思維新視角，回望人們因“熟視”而“無睹”、普遍存在的事物，進而從中再發現與挖掘基礎性創新內容。賦予產品結構“安全系數”作為能力儲備，保證了產品功能的實現，同時包容設計與制造中的“隱患”是必要的。但傳統產品承載結構的“安全系數”主要依賴于質量冗余，造成了資源的浪費。面對這一問題，需要我們以新視角重新審視產品輕量化的發展路徑。

1 產品輕量化的發展現狀

在科學發展的軌跡發生了巨大改變的今天，人們在追求確保產品性能的輕量化過程中，首先關注的是材料，特別是注重材料的力學特性。例如：高比強度輕質材料的應用以及對新材料創新的寄托。這一輕量化的技術發展路徑受成本、時間的約束，目前還難以在整個工業領域推廣。其次，產品結構輕量化[2]和結構仿生（如蜂窩結構）也是人們推動產品輕量化的重要途徑。但現有人們的“仿生”基于“效法自然”，主要是揣摩、仿造“自然的樣子”，常知其然不知其所以然。實踐中，該類仿生輕量化產品已不斷出現，但示范作用與應用范圍有限，大規模應用還有待時日。顯然，上述兩種技術發展路徑都難以廣泛地、根本地解決普遍存在的結構輕量化需求。因此，另尋產品輕量化新路徑成為當務之急。

傳統的設計理念中存在對傳統制造能力的妥協。產品承載結構“安全系數”，是在結構采用的材料確定之后，基于單件，即零、組、部件結構的力學性能冗余為基礎，在整機結構形成過程，冗余層層疊加，以此進行產品設計與實現制造。輕量化是新工藝、新材料、新技術的博弈。輕量化設計、輕量化材料與輕量化制造是輕量化技術的三個主要組成部分[3]。無論是從汽車還是其它工業領域，我們需要探索、發展一種對大范圍、大幅度提高資源使用效率、節能降耗、減少熵污染的生態工業文明建設具備普惠價值的輕量化技術體系。

2 “類生態活系統”的設計與實踐

當工業化進程中的各種制造技術、加工工藝登上歷史舞臺讓人眼花繚亂之際，具有傳統基因烙印的中國液態金屬（鑄造）成型技術卻面臨尷尬境地。一方面，在注重通識教育的背景下，我們的高等教育專業中已沒有“鑄造”專業，另一方面，在工業界，以特種材料、特殊方式的（鑄造）成型技術卻在不同領域一哄而上，如汽輪機、燃氣輪機、航空發動機的葉片、機匣、輪盤等。立足于鑄造技術的發展，我們需要思考與研究“怎么做”與“做什么”進而促使整個行業擺脫轉型困境。為此，我們提出了借鑒遵從自然法則的“類生態活系統”[4]，并作為鑄造產品的設計與制造的發展方向。其核心是以結構幾何形態挖掘、整合現有材料的“隱性的、潛在的”力學屬性，進而使產品結構形成對外部載荷各種變化的自適應，確保結構在常態與非常態工況均安全可靠地工作。

立足于應用（鑄造）成型技術價值取向的轉型，“類生態活系統”應具備以下明顯特征：①避免載荷傳遞不連貫、分布不流暢，將傳統單件（零件、組合件）經由剛接（鉚接、螺接）、焊接方式裝配疊加的結構，改變為無裝配而合成的整體結構；②薄壁與空間密集緊湊結構、薄壁與網格化形態一體化合成結構；③壁厚為非等截面、異形截面、網格化結構異形形態，如回轉形態、波紋、折疊、S形態等結構。簡言之：通過上述幾何形態，賦予結構隱形的、可連貫的小幅度、大范圍應變“區域”，提供載荷應力大范圍傳導、分布的通道及改變部分載荷方向，從而實現產品功能與輕量化。

近年來，本團隊立足于新鑄造工程技術與新工程技術理論互動，開展了“類生態活系統”的設計實踐，并成功應用于多種產品、裝備，實現了產品（承載結構）減重15%～30%，部分減重超過40%，大幅度地實現了產品輕量化。圖1分別為一體化設計、制造的新能源汽車整體底盤和某戰車前橋。一體化制造省略了焊接環節及其他各種連接模式，提高了裝備的整體可靠性，并極大地減少了污染。并且，整體結構采用熔模鑄造工藝，有精確的近凈形尺寸精度與形位公差，減少了后續的機械加工甚至免加工。相較于現有產品，汽車整體底盤減重達30%，戰車前橋減重達40%以上。并且，一體化設計與整體鑄造的汽車整體底盤被收入中國改革開放四十周年大型成果展。

傳統汽車板簧采用65Mn彈簧鋼板材制成，并依照承載要求層層疊加，重量少則幾公斤，多則幾十公斤甚至超過一百公斤。受益于“類生態活系統”的啟示，我們設計了一種“穿越式回轉結構”，使非彈性材料（鋁合金）具備彈性能力，從材料和結構兩個方面解決了輕量化的問題，并已獲得美國及歐洲八國的發明專利授權。如圖2（a）所示，依照承載要求，改變圖中穿越式回轉結構的尺寸大小與所在位置，無需大幅度增加整體結構尺寸與重量，就可應用于汽車板簧，保守估計減重40%以上。在“穿越式回轉結構”基礎上，我們又將其進行多元組合，研制出彈性輪體（圖2b）。該輪體采用熔模鑄造工藝一次成型，具有集成度高、節能及高效等特點，有望應用于腳踏車、電動車、汽車甚至是軍車等多個產品領域，相關工程化工作正在進行中。

圖1 一體化新能源汽車整體底盤（a）和某戰車前橋(b)

圖2 穿越式彈性結構及彈性輪體

3 產品輕量化新技術體系的發展

探尋產品輕量化的新路徑，需要我們以新思維、新視角重新回望與研究歷史上人類構建滿足產品承載載荷能力的結構?！邦惿鷳B活系統”與傳統承載結構力學性能注重高強度、高剛性有所不同，其參與承載的結構在材料基本特性基礎上，更加重視結構幾何形態可形成自組織、分布自適應的應變能力?！邦惿鷳B活系統”作為輕量化發展的方向與途徑，需要在設計、制造及相關技術體系研究上不斷深入與拓展。

（1）產品再設計是引領。龐大的市場需求空間與工業轉型的緊迫，對產品輕量化提出更高的要求。在現有材料基礎上，裝備類、工程類產品的輕量化應以再設計為突破口，賦予產品承載結構“類生態活系統”特性。“類生態活系統”以結構幾何形態精確彌補或適當妥協制造質量的不穩定性，其安全系數不靠質量冗余，故產品結構可以大幅度減小尺寸、減少重量。將承載結構的力學性能可靠與穩定性由傳統的質量冗余保證轉為由結構的系統性自適應能力為保證。通過質量冗余的削減乃至去除，實現產品低成本、大幅度輕量化，也為未來新的設計指明了方向與路徑。再設計是通過結構的設計和行為仿真實現產品的功能質變的過程，是走向正向設計與精密制造一體化的科學方法論。再設計包括從無到有的創造，也包括對已有產品改良設計[5]。再設計，可使結構幾何形態具備可組織與集合小于材料屈服極限（除非一次性使用之產品）的材料內在的微量彈性應變，使之可進行可控與容許的或以小范圍大幅度的形變。產品結構在承受不同載荷變化時，應同時具備分部（分系統）自適應，也可集成（全系統）自適應載荷變化的能力，從而實現結構等應力承載。應該說，不脫離工業體系普遍使用的材料現狀的務實再設計，產品輕量化可短平快實現。

（2）制造工藝裝備是基礎。當下工程化實現產品承載結構“類生態活系統”的正在成熟的手段是金屬液態（鑄造）成型技術?！邦惿鷳B活系統”應實現產品結構幾何形態尺寸超大、超薄、尺寸精確、精準；壁厚包括非等截面、厚薄懸殊但流暢過渡；產品結構空間形態密集緊湊等。產品制造過程中，波動的工藝與質量水平使結構力學性能（特性）的穩定性存在隱患。無疑，將產品設計與制造工藝有效結合，打造集成的工業再設計體系，提高裝配、集成與維護能力，才能有效實現“精益研發”與“精密制造”的相得益彰。新工程技術理論與不斷成熟的鑄造工程技術將形成產品輕量化新范式。鑄造成型工程技術可以通過相應成型工藝與裝備的控制，實現結構之間具備實現密切協同承載關系、材料內部品質與材料力學特性有效結合。應結合現代信息技術，開展零部件一體化成型工藝與裝備研究與設計。結合新材料、新工藝的結構集成化設計，利用結構解析技術和CAD/CAE等技術，在確保性能和功能的前提下尋求零部件壁厚的減薄、數量的精簡和結構的整體化、合理化、輕量化并建立大型、復雜、薄壁合金精密鑄造工藝與質量控制標準。要將裝備設計從傳統的裝配協調與互換由傳統的單元零件的精確保證，走向系統整合補償、模塊化柔性化補償，進而從總體上減少資源消耗，實現節能減排，并為產品綠色制造提供基礎支撐。

（3）新技術體系的構建是保障。傳統應對小概率事件及包容制造水平與質量缺陷的安全系數是由質量冗余構成。在解讀遵從自然法則的“類生態活系統”內涵并應用時，我們要以包括數學模型基礎架構的新工程技術理論體系作為引領，將數學表達的精細化與全息化能力作為產品結構輕量化發展的新規范。一般來說，基礎科學不通過技術科學，很難直接解決工程實際問題，而工程實際不通過技術科學，也不可能找到它們的一般規律[6]。新技術體系遵從最小熵污染、最小能源與能量消耗的自然法則，在生命誕生、成長、繁衍、死亡全過程與全周期，實現有序的良性循環與演進。正如我們的生態，它從來不與外部環境變化相對抗，而是以遵從非對稱博弈自然法則的方式加以自適應。有如“樹欲靜而風不止”時，樹以系統性的分部自適應和集成（疊加）自適應的方式，與風的變化載荷互動，甚至改變風的矢量。未來，產品輕量化新技術體系，應賦予產品承載結構“類生態活系統”的系統性自適應變能力，改變或減少靜態質量冗余現象。新技術體系的普惠價值在于：賦予產品承載結構“類生態活系統”的系統性自適應變能力，從材料、結構等多方面解決傳統產品制造中的“冗余”。當我們談論產品承載能力時，不能桎梏于傳統的零和博弈的二元線性思維和“以不變應萬變”思想定勢，更應該注重對傳統理論基礎的系統性再探索、創新，促進引領一個產業、一個行業，成建制“遍地開花”的新科學技術體系的形成與應用。

4 結語

遵從全新自然法則的新工程技術理論與不斷創新的鑄造新技術為我們制造業轉型升級奠定了基礎。以網絡信息技術為助推，產品輕量化新技術體系的發展，將在設計上使產品結構在承受不同載荷變化時，可實現內、外能量的有效互動，生態對外部變化的系統性自組織、自適應，實現結構等應力承載。以技術體系的創新與建立推動制造業的高質量發展，新技術的快速發展，也為工業產品輕量化設計、制造提供了良好的手段。