產(chǎn)品輕量化新技術(shù)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(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué)外國語學(xué)院，安徽 合肥 230009）

當(dāng)工業(yè)文明走向生態(tài)工業(yè)文明之際，如何提高資源使用效率、節(jié)能降耗、減少熵污染已獲人們廣泛認(rèn)同并不斷思考其方法與路徑。在推進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展進(jìn)程中，制造業(yè)是實(shí)體經(jīng)濟(jì)的主體，必須擺在更加突出的位置[1]。隨著技術(shù)的發(fā)展，各類產(chǎn)品，特別是裝備類、工程類產(chǎn)品的大幅度輕量化已經(jīng)成為發(fā)展方向。從產(chǎn)品應(yīng)用角度來說，產(chǎn)品承載結(jié)構(gòu)受到的載荷是動態(tài)變化的、分布不均勻的、邊界不清晰的，以至于以線性函數(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)計(jì)算難以精確表達(dá)。同時，產(chǎn)品在使用中，不僅存在動態(tài)變化的常態(tài)載荷，還存在應(yīng)對小概率（非常態(tài)工況）的承載事件。因此，人們在掌握系統(tǒng)性復(fù)雜科學(xué)前，不得不以線性思維對結(jié)構(gòu)以剛性約束、載荷為靜態(tài)簡化計(jì)算條件，以線性函數(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建非精細(xì)化的數(shù)學(xué)模型計(jì)算，同時采集大量實(shí)物驗(yàn)證數(shù)據(jù)作為承載結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造依據(jù)。

應(yīng)對小概率事件含非常態(tài)工況及制造隱患的質(zhì)量儲備，是人們構(gòu)成產(chǎn)品安全系數(shù)由來已久、普遍存在的主動選擇?？萍记把氐膭?chuàng)新，不僅應(yīng)該面向前瞻性的“高精尖”事物，也應(yīng)該以科學(xué)思維新視角，回望人們因“熟視”而“無睹”、普遍存在的事物，進(jìn)而從中再發(fā)現(xiàn)與挖掘基礎(chǔ)性創(chuàng)新內(nèi)容。賦予產(chǎn)品結(jié)構(gòu)“安全系數(shù)”作為能力儲備，保證了產(chǎn)品功能的實(shí)現(xiàn)，同時包容設(shè)計(jì)與制造中的“隱患”是必要的。但傳統(tǒng)產(chǎn)品承載結(jié)構(gòu)的“安全系數(shù)”主要依賴于質(zhì)量冗余，造成了資源的浪費(fèi)。面對這一問題，需要我們以新視角重新審視產(chǎn)品輕量化的發(fā)展路徑。

1 產(chǎn)品輕量化的發(fā)展現(xiàn)狀

在科學(xué)發(fā)展的軌跡發(fā)生了巨大改變的今天，人們在追求確保產(chǎn)品性能的輕量化過程中，首先關(guān)注的是材料，特別是注重材料的力學(xué)特性。例如：高比強(qiáng)度輕質(zhì)材料的應(yīng)用以及對新材料創(chuàng)新的寄托。這一輕量化的技術(shù)發(fā)展路徑受成本、時間的約束，目前還難以在整個工業(yè)領(lǐng)域推廣。其次，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)輕量化[2]和結(jié)構(gòu)仿生（如蜂窩結(jié)構(gòu)）也是人們推動產(chǎn)品輕量化的重要途徑。但現(xiàn)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(shí)踐中，該類仿生輕量化產(chǎn)品已不斷出現(xiàn)，但示范作用與應(yīng)用范圍有限，大規(guī)模應(yīng)用還有待時日。顯然，上述兩種技術(shù)發(fā)展路徑都難以廣泛地、根本地解決普遍存在的結(jié)構(gòu)輕量化需求。因此，另尋產(chǎn)品輕量化新路徑成為當(dāng)務(wù)之急。

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念中存在對傳統(tǒng)制造能力的妥協(xié)。產(chǎn)品承載結(jié)構(gòu)“安全系數(shù)”，是在結(jié)構(gòu)采用的材料確定之后，基于單件，即零、組、部件結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能冗余為基礎(chǔ)，在整機(jī)結(jié)構(gòu)形成過程，冗余層層疊加，以此進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)制造。輕量化是新工藝、新材料、新技術(shù)的博弈。輕量化設(shè)計(jì)、輕量化材料與輕量化制造是輕量化技術(shù)的三個主要組成部分[3]。無論是從汽車還是其它工業(yè)領(lǐng)域，我們需要探索、發(fā)展一種對大范圍、大幅度提高資源使用效率、節(jié)能降耗、減少熵污染的生態(tài)工業(yè)文明建設(shè)具備普惠價值的輕量化技術(shù)體系。

2 “類生態(tài)活系統(tǒng)”的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

當(dāng)工業(yè)化進(jìn)程中的各種制造技術(shù)、加工工藝登上歷史舞臺讓人眼花繚亂之際，具有傳統(tǒng)基因烙印的中國液態(tài)金屬（鑄造）成型技術(shù)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(yè)中已沒有“鑄造”專業(yè)，另一方面，在工業(yè)界，以特種材料、特殊方式的（鑄造）成型技術(shù)卻在不同領(lǐng)域一哄而上，如汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、航空發(fā)動機(jī)的葉片、機(jī)匣、輪盤等。立足于鑄造技術(shù)的發(fā)展，我們需要思考與研究“怎么做”與“做什么”進(jìn)而促使整個行業(yè)擺脫轉(zhuǎn)型困境。為此，我們提出了借鑒遵從自然法則的“類生態(tài)活系統(tǒng)”[4]，并作為鑄造產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造的發(fā)展方向。其核心是以結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)挖掘、整合現(xiàn)有材料的“隱性的、潛在的”力學(xué)屬性，進(jìn)而使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形成對外部載荷各種變化的自適應(yīng)，確保結(jié)構(gòu)在常態(tài)與非常態(tài)工況均安全可靠地工作。

立足于應(yīng)用（鑄造）成型技術(shù)價值取向的轉(zhuǎn)型，“類生態(tài)活系統(tǒng)”應(yīng)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(tǒng)單件（零件、組合件）經(jīng)由剛接（鉚接、螺接）、焊接方式裝配疊加的結(jié)構(gòu)，改變?yōu)闊o裝配而合成的整體結(jié)構(gòu)；②薄壁與空間密集緊湊結(jié)構(gòu)、薄壁與網(wǎng)格化形態(tài)一體化合成結(jié)構(gòu)；③壁厚為非等截面、異形截面、網(wǎng)格化結(jié)構(gòu)異形形態(tài)，如回轉(zhuǎn)形態(tài)、波紋、折疊、S形態(tài)等結(jié)構(gòu)。簡言之：通過上述幾何形態(tài)，賦予結(jié)構(gòu)隱形的、可連貫的小幅度、大范圍應(yīng)變“區(qū)域”，提供載荷應(yīng)力大范圍傳導(dǎo)、分布的通道及改變部分載荷方向，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能與輕量化。

近年來，本團(tuán)隊(duì)立足于新鑄造工程技術(shù)與新工程技術(shù)理論互動，開展了“類生態(tài)活系統(tǒng)”的設(shè)計(jì)實(shí)踐，并成功應(yīng)用于多種產(chǎn)品、裝備，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品（承載結(jié)構(gòu)）減重15%～30%，部分減重超過40%，大幅度地實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品輕量化。圖1分別為一體化設(shè)計(jì)、制造的新能源汽車整體底盤和某戰(zhàn)車前橋。一體化制造省略了焊接環(huán)節(jié)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(jié)構(gòu)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(xù)的機(jī)械加工甚至免加工。相較于現(xiàn)有產(chǎn)品，汽車整體底盤減重達(dá)30%，戰(zhàn)車前橋減重達(dá)40%以上。并且，一體化設(shè)計(jì)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(tǒng)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(tài)活系統(tǒng)”的啟示，我們設(shè)計(jì)了一種“穿越式回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)”，使非彈性材料（鋁合金）具備彈性能力，從材料和結(jié)構(gòu)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(fā)明專利授權(quán)。如圖2（a）所示，依照承載要求，改變圖中穿越式回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的尺寸大小與所在位置，無需大幅度增加整體結(jié)構(gòu)尺寸與重量，就可應(yīng)用于汽車板簧，保守估計(jì)減重40%以上。在“穿越式回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)”基礎(chǔ)上，我們又將其進(jìn)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(jié)能及高效等特點(diǎn)，有望應(yīng)用于腳踏車、電動車、汽車甚至是軍車等多個產(chǎn)品領(lǐng)域，相關(guān)工程化工作正在進(jìn)行中。

圖1 一體化新能源汽車整體底盤（a）和某戰(zhàn)車前橋(b)

圖2 穿越式彈性結(jié)構(gòu)及彈性輪體

3 產(chǎn)品輕量化新技術(shù)體系的發(fā)展

探尋產(chǎn)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(gòu)建滿足產(chǎn)品承載載荷能力的結(jié)構(gòu)?！邦惿鷳B(tài)活系統(tǒng)”與傳統(tǒng)承載結(jié)構(gòu)力學(xué)性能注重高強(qiáng)度、高剛性有所不同，其參與承載的結(jié)構(gòu)在材料基本特性基礎(chǔ)上，更加重視結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)可形成自組織、分布自適應(yīng)的應(yīng)變能力?！邦惿鷳B(tài)活系統(tǒng)”作為輕量化發(fā)展的方向與途徑，需要在設(shè)計(jì)、制造及相關(guān)技術(shù)體系研究上不斷深入與拓展。

（1）產(chǎn)品再設(shè)計(jì)是引領(lǐng)。龐大的市場需求空間與工業(yè)轉(zhuǎn)型的緊迫，對產(chǎn)品輕量化提出更高的要求。在現(xiàn)有材料基礎(chǔ)上，裝備類、工程類產(chǎn)品的輕量化應(yīng)以再設(shè)計(jì)為突破口，賦予產(chǎn)品承載結(jié)構(gòu)“類生態(tài)活系統(tǒng)”特性?！邦惿鷳B(tài)活系統(tǒng)”以結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)精確彌補(bǔ)或適當(dāng)妥協(xié)制造質(zhì)量的不穩(wěn)定性，其安全系數(shù)不靠質(zhì)量冗余，故產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可以大幅度減小尺寸、減少重量。將承載結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能可靠與穩(wěn)定性由傳統(tǒng)的質(zhì)量冗余保證轉(zhuǎn)為由結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性自適應(yīng)能力為保證。通過質(zhì)量冗余的削減乃至去除，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品低成本、大幅度輕量化，也為未來新的設(shè)計(jì)指明了方向與路徑。再設(shè)計(jì)是通過結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和行為仿真實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能質(zhì)變的過程，是走向正向設(shè)計(jì)與精密制造一體化的科學(xué)方法論。再設(shè)計(jì)包括從無到有的創(chuàng)造，也包括對已有產(chǎn)品改良設(shè)計(jì)[5]。再設(shè)計(jì)，可使結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)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(chǎn)品）的材料內(nèi)在的微量彈性應(yīng)變，使之可進(jìn)行可控與容許的或以小范圍大幅度的形變。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)在承受不同載荷變化時，應(yīng)同時具備分部（分系統(tǒng)）自適應(yīng)，也可集成（全系統(tǒng)）自適應(yīng)載荷變化的能力，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)等應(yīng)力承載。應(yīng)該說，不脫離工業(yè)體系普遍使用的材料現(xiàn)狀的務(wù)實(shí)再設(shè)計(jì)，產(chǎn)品輕量化可短平快實(shí)現(xiàn)。

（2）制造工藝裝備是基礎(chǔ)。當(dāng)下工程化實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品承載結(jié)構(gòu)“類生態(tài)活系統(tǒng)”的正在成熟的手段是金屬液態(tài)（鑄造）成型技術(shù)?！邦惿鷳B(tài)活系統(tǒng)”應(yīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)尺寸超大、超薄、尺寸精確、精準(zhǔn)；壁厚包括非等截面、厚薄懸殊但流暢過渡；產(chǎn)品結(jié)構(gòu)空間形態(tài)密集緊湊等。產(chǎn)品制造過程中，波動的工藝與質(zhì)量水平使結(jié)構(gòu)力學(xué)性能（特性）的穩(wěn)定性存在隱患。無疑，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造工藝有效結(jié)合，打造集成的工業(yè)再設(shè)計(jì)體系，提高裝配、集成與維護(hù)能力，才能有效實(shí)現(xiàn)“精益研發(fā)”與“精密制造”的相得益彰。新工程技術(shù)理論與不斷成熟的鑄造工程技術(shù)將形成產(chǎn)品輕量化新范式。鑄造成型工程技術(shù)可以通過相應(yīng)成型工藝與裝備的控制，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)之間具備實(shí)現(xiàn)密切協(xié)同承載關(guān)系、材料內(nèi)部品質(zhì)與材料力學(xué)特性有效結(jié)合。應(yīng)結(jié)合現(xiàn)代信息技術(shù)，開展零部件一體化成型工藝與裝備研究與設(shè)計(jì)。結(jié)合新材料、新工藝的結(jié)構(gòu)集成化設(shè)計(jì)，利用結(jié)構(gòu)解析技術(shù)和CAD/CAE等技術(shù)，在確保性能和功能的前提下尋求零部件壁厚的減薄、數(shù)量的精簡和結(jié)構(gòu)的整體化、合理化、輕量化并建立大型、復(fù)雜、薄壁合金精密鑄造工藝與質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。要將裝備設(shè)計(jì)從傳統(tǒng)的裝配協(xié)調(diào)與互換由傳統(tǒng)的單元零件的精確保證，走向系統(tǒng)整合補(bǔ)償、模塊化柔性化補(bǔ)償，進(jìn)而從總體上減少資源消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，并為產(chǎn)品綠色制造提供基礎(chǔ)支撐。

（3）新技術(shù)體系的構(gòu)建是保障。傳統(tǒng)應(yīng)對小概率事件及包容制造水平與質(zhì)量缺陷的安全系數(shù)是由質(zhì)量冗余構(gòu)成。在解讀遵從自然法則的“類生態(tài)活系統(tǒng)”內(nèi)涵并應(yīng)用時，我們要以包括數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)架構(gòu)的新工程技術(shù)理論體系作為引領(lǐng)，將數(shù)學(xué)表達(dá)的精細(xì)化與全息化能力作為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)輕量化發(fā)展的新規(guī)范。一般來說，基礎(chǔ)科學(xué)不通過技術(shù)科學(xué)，很難直接解決工程實(shí)際問題，而工程實(shí)際不通過技術(shù)科學(xué)，也不可能找到它們的一般規(guī)律[6]。新技術(shù)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(shí)現(xiàn)有序的良性循環(huán)與演進(jìn)。正如我們的生態(tài)，它從來不與外部環(huán)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(yīng)。有如“樹欲靜而風(fēng)不止”時，樹以系統(tǒng)性的分部自適應(yīng)和集成（疊加）自適應(yīng)的方式，與風(fēng)的變化載荷互動，甚至改變風(fēng)的矢量。未來，產(chǎn)品輕量化新技術(shù)體系，應(yīng)賦予產(chǎn)品承載結(jié)構(gòu)“類生態(tài)活系統(tǒng)”的系統(tǒng)性自適應(yīng)變能力，改變或減少靜態(tài)質(zhì)量冗余現(xiàn)象。新技術(shù)體系的普惠價值在于：賦予產(chǎn)品承載結(jié)構(gòu)“類生態(tài)活系統(tǒng)”的系統(tǒng)性自適應(yīng)變能力，從材料、結(jié)構(gòu)等多方面解決傳統(tǒng)產(chǎn)品制造中的“冗余”。當(dāng)我們談?wù)摦a(chǎn)品承載能力時，不能桎梏于傳統(tǒng)的零和博弈的二元線性思維和“以不變應(yīng)萬變”思想定勢，更應(yīng)該注重對傳統(tǒng)理論基礎(chǔ)的系統(tǒng)性再探索、創(chuàng)新，促進(jìn)引領(lǐng)一個產(chǎn)業(yè)、一個行業(yè)，成建制“遍地開花”的新科學(xué)技術(shù)體系的形成與應(yīng)用。

4 結(jié)語

遵從全新自然法則的新工程技術(shù)理論與不斷創(chuàng)新的鑄造新技術(shù)為我們制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級奠定了基礎(chǔ)。以網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)為助推，產(chǎn)品輕量化新技術(shù)體系的發(fā)展，將在設(shè)計(jì)上使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)在承受不同載荷變化時，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)、外能量的有效互動，生態(tài)對外部變化的系統(tǒng)性自組織、自適應(yīng)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)等應(yīng)力承載。以技術(shù)體系的創(chuàng)新與建立推動制造業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，新技術(shù)的快速發(fā)展，也為工業(yè)產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)、制造提供了良好的手段。