机械产品轻量化应用指南

T/XXXXXXXX-2021前  言本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。本文件由杭州尚杰装备科技有限公司提出。本文件起草单位：杭州尚杰装备科技有限公司、杭州发达齿轮箱集团有限公司、杭州申发电气有限公司、吉林大学、长春一汽富维东阳汽车塑料零部件有限公司、长春一汽富维东阳汽车塑料零部件有限公司上海华饰研发分公司、富维东阳汽车零部件（上海）有限公司、吉林省产品质量监督检验院。本文件主要起草人：梁云虹、杨朝良、张建江、严凯宏、俞国勇、王寒冰、刘春宝、赵骞、梁云赋、陶红、朱欣桐、张龙、常艳娇、马愫倩、刘子睿、杨震、张健、徐进、张楠、郭东望、刘爽、田野、王超、张微、周家宇、张宇、赵聪、胡岷桐、张洺滈、于雪婷、李梦楠、尹峙天、徐雪霏、吴润沺、刘静。范围本标准提供了机械产品轻量化应用的指导和建议。给出了轻量化原理、轻量化结构设计与优化、轻量化材料、先进制造工艺、实验验证等相关信息。本标准适用于各型工程机械装备的轻量化应用。2规范性引用文件本文件没有规范性引用文件。3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1轻量化原理Lightweightprinciple围绕各型工程机械装备“轻质高强”的应用需求，基于生物材料异质异性刚柔耦合结构强化机制，采用多功能融合仿生创成设计技术，将最优轻量化仿生结构，通过轻量化金属基、树脂基、纤维基等复合材料的燃烧合成、铺层模压、机械编织等先进制造工艺，以“层间增韧”、“多孔吸能”、“裂纹偏转”等多种轻量化机理突破传统轻量化材料稳定性差、制造成本高、工艺复杂等技术瓶颈，实现我国机械装备以塑代钢、以铝代钢、以碳代铝的轻量化科技创新与产业化应用。3.2轻量化结构设计与优化Lightweightstructuredesignandoptimization自然界中的多种生物材料如竹子、羽轴、骨骼、贝壳、螺壳等，具有独特的“轻质高强”结构，以轻量化的结构抵抗外界复杂载荷满足生存需要。异质异性生物材料的刚柔耦合特性建立了轻量化结构如：分层结构、梯度结构、多孔结构、螺旋结构、中空结构等的设计与优化基础。基于生物材料异质异性刚柔耦合结构特征，结合特定工程机械装备结构、尺寸等具体应用指标，通过尺寸和形状优化、拓扑优化、多学科设计优化等实现最优轻量化仿生结构设计，建立多功能融合仿生创成设计技术基础。3.3轻量化材料Lightweightmaterials轻量化材料主要包括铝/铝合金基及镁合金基等金属基复合材料、纤维增强聚合物基复合材料、陶瓷增加钢基复合材料、纤维预制体复合材料等。轻量化材料以复合材料思想兼顾基体和增强相优势，通过优化配比关系达到材料自身轻量化与高强度特性，结合最优轻量化结构建立轻量化设计制造的重要基础。3.4先进制造工艺Advancedmanufacturingprocess针对不同类型的轻量化材料匹配不同的先进制造工艺，实现工程机械装备定制化的轻量化结构制造。例如：针对铝/铝合金基及镁合金基等金属基复合材料、陶瓷增加钢基复合材料等，可匹配铸造、燃烧合成、热压烧结等工艺；针对纤维增强聚合物基复合材料可匹配铺层模压等工艺；针对纤维预制体复合材料可匹配纤维变角度变厚度编织工艺。基于最优轻量化结构设计与轻量化材料的先进制造工艺是各型工程机械装备实现“以塑代钢、以铝代钢、以碳代铝”轻量化目标的基本方法。3.5实验验证experimentalverification实验验证是通过抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、断裂韧性、冲击韧性、耐磨性、疲劳强度等多样化力学性能、功能测试，系统性检验评价轻量化设计制造效果，验证工程机械装备“以塑代钢、以铝代钢、以碳代铝”可行性的重要支撑。4总体原则4.1在对机械产品轻量化原理进行分析应用时应确定明确的设计制造逻辑关系。4.2机械产品的轻量化结构设计与优化要遵循科学的设计原则。4.3机械产品选用的轻量化材料需符合各部件应用技术要求，优先使用可回收性材料。4.4在轻量化结构设计与材料基础上，机械产品可通过先进制造工艺制造产品。5轻量化原理分析应用5.1结构分析5.1.1利用空心结构节省材料。5.1.2类比胞状材料结构。（例如：木材、焦炭、骨小梁等）5.1.3利用三明治结构与管结构。（例如：植物叶子、人的颅骨、植物的茎秆等）5.1.4采用层级构造。5.2应用要求5.2.1确立工程机械装备具体的轻量化零部件及对应的技术要求。5.2.2确立具体的异质异性刚柔耦合结构模型。5.2.3确立具体的轻量化材料及制造工艺。5.2.4确立具体的验证指标。注：例如某型地质钻机（如图1所示）在进行轻量化设计制造时，只以钻头的轻量化及高耐磨性为技术要求，以“软硬相合”的刚柔耦合结构为基础，以陶瓷增强钢基复合材料作硬质单元，通过燃烧合成与热压烧结相结合的制造工艺实现硬质单元空间有序分布，创新研发轻质高强耐磨功能材料。图1仿生轻量化钻头结构6轻量化结构设计与优化6.1设计原则6.1.1直接的力导入与力平衡设计中应使受力直接导入到主承载结构上，力无绕行，力大面积导入，力直接支承，不对称的设计改为对称的设计，开口的型材设计成闭口。（如图2、3所示）图2图36.1.2大面积惯性矩与阻力矩在承受弯曲、扭转和压弯载荷的设计中，在小的面积上实现大的惯性矩与阻力矩，也就是说剖面形状因子要达到最大。建议将较多的材料从结构中心移开，即从实心横截面到空心横截面、再到三明治的设计。（如图4所示）图46.1.3轻盈的结构通过松散的构造，加固小横截面面积的平面支承结构。使用带有加强筋、下弦杆、三明治结构的刚度要比实心的支承结构的刚度要高出很多。（如图5所示）图56.1.4利用曲率的自然支承作用通过顶部弯曲设计可极大的提高直盘和直板的抗弯刚度、压弯刚度和翘曲刚度，因为这种设计增加了面积惯性矩，消除了不稳定的趋势。（如图6所示）图66.1.5在主承载方向进行有针对性的加固性设计有目的的引入正交各向异性或者各向异性设计可提高构件在确定的优先方向上的刚度。例如引入压槽来强化可能会发生弯曲损坏的构件。（如图7所示）图76.1.6优先遵循一体化原则在已知条件下，轻量化设计结构应由少的单一件构成。采用这种方法，模具的成本会更高一些，但是这可通过节省更多的材料，获取更高的安全性能或加工更少的单件数量得到弥补。（如图8所示）图86.1.7引入空腔为了保持刚度不变的条件下减轻重量，可以在承受很小载荷的区域引入“释放孔”。（如图9所示）图96.2轻量化结构设计优化要求6.2.1针对不同工程机械装备的应用技术要求，选取最优的生物模型。6.2.2进行多功能融合仿生创成设计时，采取多样化轻量化结构相互耦合集成的设计思想。6.2.3应用轻量化仿生结构时需进行充分的优化分析。注：例如某型航空发动机风扇叶片在进行轻量化设计制造时，以鸮类羽轴与羽枝分级排列及刚柔耦合结构为基础，设计了多型不同排列角度与层数的碳纤维预制体（如图10所示）进行最优结构设计参数分析。图10不同设计参数的轻量化仿生结构7轻量化材料7.1轻量化材料选用要求7.1.1轻量化材料应符合各型工程机械装备的应用技术要求。7.1.2轻量化材料需进行多型材料的最优配比参数验证。7.1.3轻量化材料应满足轻量化结构设计的制造要求。注：例如某型仿生轻量化汽车防撞梁利用低成本金属、陶瓷、树脂、纤维等材料强韧特性，对材料进行不同配比配比条件下的匹配与优化，形成了金属(Fe、Al、Ti、Ni、Cu等)与陶瓷(TiB2、Al2O3、B4C、TiC等)层状复合、树脂与短纤层间剪切诱导定向排布复合等金属基与树脂基轻质高强抗冲击材料制造技术。图11为不同碳纤维含量配比条件下的轻量化复合材料。图11不同碳纤维含量配比条件下的轻量化材料8先进制造工艺8.1先进制造工艺要求8.1.1先进制造工艺能有效满足轻量化结构设计参数条件下，不同结构形式零部件的成型精度。8.1.2先进制造工艺需符合材料成型技术要求。8.1.3为提高轻量化材料力学强度或功能可多种制造工艺耦合运用。注：例如某型仿生轻质水泥磨辊采用“软硬相合”仿生耦合理念，利用陶瓷(如C、B4C等)与金属(Al等)形成硬质单元体原材料（如图12所示），巧妙分布在基体材料局部位置，采用烧结技术原位内生硬质单元体，省去了硬质单元体单独合成及与基体的连接工序，结合热压技术提高了仿生轻质水泥磨辊的致密度，解决了在一个零件中同时要求多种性能优化组合的材料设计与制造关键难题。图12经燃烧合成与热压烧结技术制备的硬质单元体9实验验证9.1轻量化材料的性能实验验证要求9.1.1用于实验验证的样品及验证条件应符合相关技术标准。9.1.2针对轻量化零部件不同的性能或