为什么轻量化结构在产品设计中至关重要?

HBK 传感器、测量仪表以及分析软件组成的测量工具可用于评估结构完整性、噪生和振动、效率和性能等,广泛用于实验室、台架或现场测试等领域。

轻量化结构已经成为现代工业和技术发展的主要趋势,HBK 产品可用于结构寿命模拟和真实物理测试,对现代设计和结构进行测试和验证。

为了帮助您了解轻质结构的测试和验证过程,我们采访了 HBK 轻质结构专家: Gianmarco Sironi, Lance Steinmacher, . Andrew Halfpenny 博士, Michelle Hill, Manuel Schultheiss and Sandro Di Natale。

轻量化介绍

1. 轻质材料和设计如何为可持续发展的未来做出贡献?

Gianmarco Sironi 和 Lance Steinmacher

是一个很好的问题。从碳排放的角度来看,减轻重量对气候变化的影响至关重要。我们可以看到飞机制造商使用不同的复合材料,以控制所需的强度或灵活性。例如波音787,77X机翼等。重量减轻意味着减少燃油消耗量。对于旋翼飞机,通过控制复合材料层叠,可以提高单个或多个方向的刚度和灵活性。

然而,我们也需要谈谈不利因素。复合材料的回收或处理要复杂得多,甚至是不可能的,而传统金属可以很容易地回收。同样,对于复合材料,一些成型技术也不是非常环保的。

2. .能给出轻量化设计最重要的三个行业,以及原因吗?

Manuel Schultheiss 和 Sandro Di Natale

轻量化设计通常出现在飞机工业、汽车工业和运动设备中:

  • 飞机工业: 飞机工业在历史上一直在致力于采用轻量化设计和结构。全世界的航空公司和飞机制造商都需要节约燃料。由于燃油成本是飞机运行的最大部分,因此即使是小幅度的降低也会得到较大回报。
  • 汽车工业: 政府对二氧化碳和氮氧化物等污染物的排放限制推动了汽车工业轻量化的发展,例如最新的欧洲7号标准。限制越来越严格。实现这些目标的一个关键方面是减轻重量,从而降低能耗。另一个方面是推动电动汽车的发展。
  • 运动器材 运动器材中大量使用轻质材料:滑雪、山地自行车、公路赛、摩托车,运动车辆也从轻质结构中受益匪浅,是赢得比赛的关键。病情复合材料有助于提高驾驶员的安全性。

以下是一些小示例::

在航空工业中,轻量级设计很容易获得回报。减重1千克可节省约0.02-0.03千克煤油或每1000公里节省约2-3美分。像777这样的飞机在其使用寿命内飞行超过5000万英里,这将导致大约80000000公里x 2.5美分/1000公里=€2000。也就是说在飞机使用寿命内,每千克重量将降低成本€2000,那如果重量减轻100公斤呢?

现在,飞机和航天器已经进入第二代轻量化设计阶段。碳纳米增强聚合物(CNRP)取代了目前由其他复合材料制成的零件,因为它们更坚固,重量将会减轻30%。

3. 为什么是轻质材料?轻质结构的优点是什么?

Michelle Hill 和 Andrew Halfpenny 博士

轻质材料的分类是一个大课题。你可以从不同的角度来看:

  • 单个材料的重量: 通常您会想到铝、钛、镁或类似材料,以及复合材料。在这里,您可以优先考虑材料本身的重量。
  • 总重量: 某些材料会更重,但如果您需要更少的材料,总重量仍会减少。一个很好的例子是由50%复合材料制成的梦幻客机(波音787)。尽管如此,还是无法避免使用钢,因为它必须承载重物。类似地,许多复合材料部件与铝、钛等连接在一起。因此,这不是选择最轻的材料,而是使用适当的材料并明智地使用,以减轻结构的整体重量。

尽管轻质结构具有诸多优点,但也存在成本效益方面的问题。不是在材料方面,而是在能源消耗成本方面。由于客户群主要来自地面车辆、汽车、卡车、火车或航空航天部门,因此您总是会遇到这样的问题:额外的质量意味着需要额外的力,从而需要更多的能量。轻质结构可以减少所需的牵引力,从而节省成本,而且产生环境友好性。

除了长纤维复合材料,你还必须看看聚合物(通俗地说是塑料)。你可以在汽车部件中看到许多聚合物结构。这些聚合物几乎都使用了添加剂(AM)。使用AM,您可以拥有更奇特的几何体,提高结构强度,使用更少的材料。

 

4. 在轻型结构设计中需要考虑哪些关键参数?

Lance Steinmacher

很遗憾,这些参数大部分是保密的。当制作这些新材料时,公司都会申请专利,并隐藏在保密协议(NDA)后面。这适用于几乎所有复合材料(短切纤维、纤维、使用的粘合剂或环氧树脂,以及制造工艺等)。因此,复合材料仅有有限信息向公众开放。

新方法和技术

5. 你认为复合材料有哪些优点和缺点?

Gianmarco Sironi 和 Lance Steinmacher

许多人认为复合材料的优点是是轻质结构,但这不是唯一的:在某些应用中,复合材料不是为了减轻重量而引入的,而是因为其在疲劳寿命方面的优异性能。

与旧的铝合金材料相比,由复合材料制成的直升机主旋翼桨叶并不是那么“轻”,但它更耐用:它在飞行时间内的疲劳寿命高出一个数量级。这是非常大的飞跃。金属转子叶片是维护人员的噩梦,需要大量的无损检测(NDI),因为它们会毫无预见性地快速出现裂纹,在过去造成了大量事故。由于采用了复合材料叶片,实现了重大改进,尤其是对于中型和重型直升机来说。因此,这不仅关乎重量,还关乎飞行安全和高效维护。

另一方面,铝或钛合金等材料仍具有固有的优势,因为有大量文献对其疲劳行为进行了几十年的研究。与金属相比,先进的复合材料相对较年轻,目前还没有这方面的文献,或者,如果有,也有一定的局限性。

复合材料既不均匀也具有向同性,很难获取其特性。此外,每次更改层压板中的单层(或只是保持相同的层,但更改其方向),基本上都创建了一种新材料。因此,您必须从简单的测试样本开始,重新开始获取疲劳特性,这需要大量的时间和金钱。因此,当您设计层压板时,拥有丰富的材料知识和仿真技术是非常有用的。

 

6. 你认为添加剂制造业有哪些优点和缺点?

Sandro Di Natale

很难笼统地回答这个问题。这一术语概括了许多不同的技术。除了添加丝状物技术外,还有立体光刻、粘合剂喷射等等。从工业角度来看,我相信选择性激光烧结和熔化(SLS和SLM)与金属粉末一起工作是最有前途的技术之一。

例如,由钛粉制造的部件,其行为方式与铸造或机加工部件类似。然而,测试时需要特别注意确保是各向同性的,并且不受层结构的影响。这类方法有这无穷的应用潜力。不幸的是,这些粉末仍然相当昂贵,而且制造速度很慢。最新和最大的机器每小时制造速度仅有几百立方厘米。

 

7. 哪些关键属性决定了添加剂可用于生产?

Sandro Di Natale

添加剂是否可用于生产取决于以下标准:

  • 产品设计的复杂性: 无法用传统方法制造的新设计和结构。
  • 工装成本和数量: 如果制造的数量很高,工装成本就变得不那么重要。如果数量较少,则单位加工成本将大幅增加。通常情况下,盈亏平衡点大约是在每年数百或数千个。这就是为什么飞机和航天工业是这些技术早期采用者的原因。

批量生产的优势更加明显。在医疗行业,额外制造的假肢和矫正支架已得到广泛应用。

 

8. 仿生学扮演什么角色?

Manuel Schultheiss

仿生学在谈论轻质结构时起着非常重要的作用,因为我们是从鸟类飞行中了解到如何建造和设计飞机的。

当我们想到应用于飞机表面的鲨鱼皮表面,或用于减少飞机翼尖湍流的小翼时,我们可以进一步通过自然界了解更多关于优化技术设计的知识。植物和树木的整个机械结构可用于得出最佳机械设计,其断裂风险最低,材料内部应力最低。大自然是最适合环境的设计。

通过定制化,可促进新材料的设计和制造方法的发展。您可以在设计中创建更平滑的圆角,减少应力集中释放,并创建具有最低应力和最长使用寿命的最佳机械框架。

日常生活中的轻量化

9. 在过去几年中,在轻量级构造、模拟和验证领域,您最大的惊喜是什么?

Michelle Hill 和 Andrew Halfpenny 博士

有两件事。第一个甚至不应该是一个惊喜,但它是。我们使用了很多材料,我们必须把它们结合在一起。过去我们只将钢焊接到钢上,但现在我们正在研究不同类型的接头,例如自攻铆钉、螺栓连接、粘合剂或混合使用,例如,带铆钉的粘合剂。有许多更奇特的连接类型,但需要更高的精度。

第二点是对不确定性知识的要求。以前,工程师设计了一些东西,只是简单地应用了所谓的安全系数。这是真正的安全和“无知系数”的结合。现在这已不再是可以接受的,需要量化。这一需求由核工业、航空航天等安全关键组织主导。需要更好地了解安全裕度的来源,以及安全裕度是否真的像我们想象的那么大。

对于数据采集(DAQ),这意味着精度、数据精度或对它的要求正在提高。这方面的一个具体例子是我们目前在概率疲劳方面的工作。计算部件寿命的概率并不是什么新鲜事。十年前,我们曾与客户讨论这项新技术,但当时大多数客户表示,他们甚至不知道预期负载是什么,更不用说它们有多大的变化了。现在,同样的人来说,通过物联网,我们非常清楚这些负载有多高,我们甚至知道它们的标准偏差。在过去十年中,所有可用数据都发生了巨大变化,这是我们以前从未有过的。这才是真正推动这种准确性需求的原因。我们现在有了能力,我们需要的数据输入,以及轻量级设计的需要来实现它。

 

10. 我们看到市场上有许多新的开发和参与者正在开发使用重锂电池的电动汽车。轻质设计能在这里发挥作用吗?

Michelle Hill 和 Andrew Halfpenny 博士

对于电池,从物理角度来看,一切都需要底盘或支撑系统。这些电池是汽车结构的一部分,底盘必须能够承载结构负载。此外,巨大的电池本身会上下弹跳,产生动态负载。因此,设计师需要将重物振动和结构荷载传递相结合进行设计。

此外,还需要保护人员免受内部高压的影响。这意味着尽量避免使用金属。除了减轻重量外,非金属接头(如粘合剂)在这一点上也变得更加重要。

总之,这类测试相当具有挑战性。现在我们收到了很多我们还不知道如何回答的问题,但是我们对此非常感兴趣。

11. 如何在公司中建立“轻量化思维”?

Gianmarco Sironi 和 Lance Steinmacher

这有点像“效率思维”。轻量化是指使用所需的材料,以达到所需的静态强度和/或疲劳寿命。然而,在某些行业,如航空业,这种思维方式往往会被安全和冗余要求压垮。我们认为,轻量化思维很重要,但决不能在压倒安全思维。结构测试仍然是确保满足这两个必要条件的最有效方法。

 

12. 如何解决一些障碍?

Manuel Schultheiss

成本和时间起着重要作用。对于批量生产零件来说,有相当多的挑战。必须有能快速且安全地生产这些零件的流程。特别是使用添加剂和纤维复合材料(例如,碳纤维增强聚合物(CFRP))时,这是一个无法从工艺角度解决的问题。在这个领域需要更多创新。

另一点是这些材料的回收利用。有人声称要创造出符合可持续发展的产品。当材料因其结构而无法重复使用时,这一点至关重要。当使用更自然的纤维和环氧树脂时,可以解决这个障碍。

 

13. 世界范围的流感大流行对许多行业产生了影响,并加速了数字化进程。对轻质结构的创新有影响吗?

Manuel Schultheiss

我们不应过分夸大这一流行病的影响。我认为流感大流行本身并没有推动轻质材料的发展。一些公司可能利用这段时间“改造”自己,并在这里尝试新的东西。

新材料和设计的仿真和测试

14. 考虑到计算能力的提高和模拟工具的改进,物理测试的作用是什么?

Michelle Hill and Dr. Andrew Halfpenny

当谈到物理测试时,大多数人都会想到全面测试,比如直升机处于振动状态或类似情况。但是,如果您查看测试类型三角形(图1),您会发现全尺寸测试只是其中的一小部分。我们将测试分为鉴定测试,包括全尺寸测试和参数测试。我们的 硬件和软件主要用于参数测试,准确地说,主要是试片测试。

进行试片测试的主要目标是获取物理参数,以导出可用于仿真的物理模型。在轻量化之前,我们可以从谷歌获取材料属性。但轻质材料的特性,大部分您无法从资料总获取。

在测试三角形的下一层,您可以看到元素测试。即使是在简单的轻组件水平上,这些通常是以某种方式铸造或制造的结构。我们测试它们的故障,因此我们确定负载与寿命。我们现在需要将这些转化为压力,这涉及通过仿真模型对材料特性进行反计算。因此,我们建立了测试元件的有限元模型,并进行了复杂的优化,以确定所需的参数。在这里,重要的是,我们在客户的完整结构模型中使用相同的有限元建模指南,只有这样,我们才能向他们提供他们需要的结果。

上面的级别显示组件测试。这里,我们想计算一些更完整的参数。例如,对于振动,阻尼是非常关键的,因为它是唯一吸收能量的东西。我们需要知道这一点,在组件测试级别,我们尝试获取模拟的参数。

鉴定测试通常在周期结束时进行,允许我们进行大量测量,以检查我们的假设是否正确。如果结构失败,我们需要模拟它失败的原因,以便在进入下一轮之前,我们可以使用模拟消除失败。而且,由于鉴定测试已经结束,这意味着任何更改对客户来说都是非常昂贵的。因此,必须增加参数测试,以使我们的模型更加健壮和准确。

在图中,您将发现第三类测试,可靠性测试。当参数测试将物理模型映射到故障时,可靠性测试将统计模型映射到故障。在HBK,测试的目标是了解在保修期内,有多少产品会出现故障,以及需要多少费用。

 

15. 与传统金属相比,轻质材料有什么不同?

Manuel Schultheiss

有不同级别的认证。让我们看看材料层面:

  • 对于CFRP等材料的试验,有ASTM D 3039/DIN 65378(拉伸)、ASTM D 695(平面压缩)、ASTM D 3518(平面内剪切)、ASTM D 707(V型切口钢轨剪切)等标准。这些标准是多年来制定和发展的。
  • 对于新技术,如材料的添加剂制造认证,需要制定新标准。可用于这些材料的材料数据库不多,这使得在今天的产品中使用它们更加困难。
  • 标准传统材料可以根据长期经验和许多标准进行认证,例如,对于试片测试,可以使用不同的负载情况和测试场景。将这些标准作为一种通用语言,设计工程师使用这些材料要比使用新材料设计容易得多。

从结构或整个产品(如飞机)的认证来看,更为复杂。这些内容涵盖了比简单的“如何测试试样”和定义材料属性更多的方面。这些认证包括设计、制造和维护方面以及整体情况。

 

16. 在测试新的轻质结构时,您面临哪些挑战?

Michelle Hill and Dr. Andrew Halfpenny

降低无知系数是一个巨大的挑战。但另一点是,我们现在正在测试组件而不是材料。对于关节,同样存在需要使用与客户相同的有限元模型的问题,因为我们指定了模型相关的属性。这需要反向计算才能找到属性。

此外,焊缝之间的巨大差异也是一个挑战。如果汽车公司A想要测试一个焊缝,你一定可以确定这和汽车公司B测试的焊缝是不同的。这就是为什么必须为每个客户建立测试样本模型的原因。但差异不仅存在于不同的客户之间,而且客户还必须大规模生产相对应的组件。这里的问题是,这是否适用于完全自动化的大规模生产。

当涉及到复合材料时,它变得更加复杂。我们如何定义失败?关节很简单,它们一分为二。但复合材料不会散开,它们会失去刚度或强度。此外,在宏观层面上,你无法将复合材料与合金进行比较。复合材料可以通过许多不同的机制在宏观层面上失效。纤维脱粘、基体开裂或纤维开裂可能是高度渐进性失效途径的一部分。当我们决定什么是失败时,我们必须谈论压力。是纤维和基体之间每个体积的应力,还是仅纤维中的应力?所有这些都是悬而未决的问题,我们需要付出更多的努力来回答它们。

另一个挑战是复合材料的标准。虽然ASTM和ISO标准通常来自空中客车公司或波音公司,但它们是为航空航天规定的。这对汽车工业就变得非常困难,例如,因为他们主要需要廉价的复合材料,但你仍然必须满足高标准。然后你仍然只有测试的标准,但没有解释数据的标准。在这方面,与研究实验室一起寻找答案也很重要。

17.你能给我们举一些例子说明如何鉴定材料和测试轻质结构吗?

Michelle Hill and Dr. Andrew Halfpenny

传统的方法是 HBK 为材料试验以及飞行剖面(载荷)提供解决方案。这需要进行仿真,疲劳分析需要三个输入:载荷、材料和几何形状。我们可以模拟几何体,如果不起作用,我们只需更改CAD/FEA模型,直到获得良好的寿命结果。然后我们创建一个原型,测试它,然后将它与我们的分析关联起来。如果我们是对的,我们最终只需要一个原型。

然而,这与复合材料不同,因为它们的模拟路径要复杂得多。在这里,材料属性因结构而改变。没有复合材料这类东西,无论你在哪里看,都会有性能不断变化的复合材料组件。对于组合,任务和结果变得更加迭代。现在,我们又在使用“老办法”。我们需要更多的原型,因为你不能再相信仿真了,因为这对于复合材料来说还是非常新的,不像金属,在金属中,模拟效果相当好。

所以你看,即使在70年后,彗星的设计方法与梦幻客机的设计-测试-修复方法相似。我们需要更多不同规模的原型,因为仿真仍然不能充分处理复合材料

18. 在您看来,与传统金属相比,是否仍然缺乏经验数据?

Michelle Hill 和 Dr. Andrew Halfpenny

起初,我们认为传统金属也缺乏数据。给定数据的问题是,它可靠吗?您从标准中获得的一些数据来自60年代,或者可能是针对不同行业收集的。您需要密切关注数据的来源。对于复合材料,您还有一个问题,即即使您有参数,也无法确保它们在整个材料中都是相同的。

我们的客户主要从事部件和全结构鉴定。我们测试试件材料,并从中获得复合材料的信息。然而,当我们处理焊缝时,我们测试焊缝,并通过运行模拟计算出试件的特性。如果它是一个组合,那么它就是我们测试的组件。。

这里值得一提的是,钛和铝的添加剂制造被视为复合材料。如果您有两个客户,他们都使用相同的添加剂制造机器,由于机器的不同设置,您将无法获得相同的材料特性。这里需要进一步的测试,因为AM也有新类型的缺陷,如孔隙度或未熔合。

 

19. 对于轻型结构,您使用什么测量和测试设备?

Michelle Hill 和 Dr. Andrew Halfpenny

我们使用不同的HBK设备,例如 测力传感器,,应变片 以及 QuantumX 进行数据采集,还使用Instron和MTS的测试机。

使用应变计时,我们遇到了一个问题,即其中一种新材料非常好,其性能优于应变计。对于HBK来说,这意味着我们必须不断创新设备,以跟上材料的发展。说到创新,我们有机会用激光引伸仪进行测试。它可以在微米范围内测量,无需接触,并消除了复合材料在失效时“爆炸”可能损坏设备的问题。


HBK 专家

  • Gianmarco Sironi: 结构耐久性测试解决方案测量项目负责人
  • Lance Steinmacher: 结构耐久性测试解决方案测量项目负责人
  • Dr. Andrew Halfpenny: nCode产品技术总监
  • Michelle Hill: 材料测试负责人
  • Manuel Schultheiss: 测试和测量软件产品经理
  • Sandro Di Natale: 产品和应用经理,结构耐久性测量和测试解决方案

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