产品轻量化新技术体系的普惠价值

杨友文*，黄文娇，刘继广，方晓刚，苏章仁*

（1.合肥工业大学材料科学与工程学院，安徽 合肥 230009；2.合肥工业大学外国语学院，安徽 合肥 230009）

当工业文明走向生态工业文明之际，如何提高资源使用效率、节能降耗、减少熵污染已获人们广泛认同并不断思考其方法与路径。在推进我国经济高质量发展进程中，制造业是实体经济的主体，必须摆在更加突出的位置[1]。随着技术的发展，各类产品，特别是装备类、工程类产品的大幅度轻量化已经成为发展方向。从产品应用角度来说，产品承载结构受到的载荷是动态变化的、分布不均匀的、边界不清晰的，以至于以线性函数为基础的数学计算难以精确表达。同时，产品在使用中，不仅存在动态变化的常态载荷，还存在应对小概率（非常态工况）的承载事件。因此，人们在掌握系统性复杂科学前，不得不以线性思维对结构以刚性约束、载荷为静态简化计算条件，以线性函数为基础，构建非精细化的数学模型计算，同时采集大量实物验证数据作为承载结构的设计与制造依据。

应对小概率事件含非常态工况及制造隐患的质量储备，是人们构成产品安全系数由来已久、普遍存在的主动选择。科技前沿的创新，不仅应该面向前瞻性的“高精尖”事物，也应该以科学思维新视角，回望人们因“熟视”而“无睹”、普遍存在的事物，进而从中再发现与挖掘基础性创新内容。赋予产品结构“安全系数”作为能力储备，保证了产品功能的实现，同时包容设计与制造中的“隐患”是必要的。但传统产品承载结构的“安全系数”主要依赖于质量冗余，造成了资源的浪费。面对这一问题，需要我们以新视角重新审视产品轻量化的发展路径。

1 产品轻量化的发展现状

在科学发展的轨迹发生了巨大改变的今天，人们在追求确保产品性能的轻量化过程中，首先关注的是材料，特别是注重材料的力学特性。例如：高比强度轻质材料的应用以及对新材料创新的寄托。这一轻量化的技术发展路径受成本、时间的约束，目前还难以在整个工业领域推广。其次，产品结构轻量化[2]和结构仿生（如蜂窝结构）也是人们推动产品轻量化的重要途径。但现有人们的“仿生”基于“效法自然”，主要是揣摩、仿造“自然的样子”，常知其然不知其所以然。实践中，该类仿生轻量化产品已不断出现，但示范作用与应用范围有限，大规模应用还有待时日。显然，上述两种技术发展路径都难以广泛地、根本地解决普遍存在的结构轻量化需求。因此，另寻产品轻量化新路径成为当务之急。

传统的设计理念中存在对传统制造能力的妥协。产品承载结构“安全系数”，是在结构采用的材料确定之后，基于单件，即零、组、部件结构的力学性能冗余为基础，在整机结构形成过程，冗余层层叠加，以此进行产品设计与实现制造。轻量化是新工艺、新材料、新技术的博弈。轻量化设计、轻量化材料与轻量化制造是轻量化技术的三个主要组成部分[3]。无论是从汽车还是其它工业领域，我们需要探索、发展一种对大范围、大幅度提高资源使用效率、节能降耗、减少熵污染的生态工业文明建设具备普惠价值的轻量化技术体系。

2 “类生态活系统”的设计与实践

当工业化进程中的各种制造技术、加工工艺登上历史舞台让人眼花缭乱之际，具有传统基因烙印的中国液态金属（铸造）成型技术却面临尴尬境地。一方面，在注重通识教育的背景下，我们的高等教育专业中已没有“铸造”专业，另一方面，在工业界，以特种材料、特殊方式的（铸造）成型技术却在不同领域一哄而上，如汽轮机、燃气轮机、航空发动机的叶片、机匣、轮盘等。立足于铸造技术的发展，我们需要思考与研究“怎么做”与“做什么”进而促使整个行业摆脱转型困境。为此，我们提出了借鉴遵从自然法则的“类生态活系统”[4]，并作为铸造产品的设计与制造的发展方向。其核心是以结构几何形态挖掘、整合现有材料的“隐性的、潜在的”力学属性，进而使产品结构形成对外部载荷各种变化的自适应，确保结构在常态与非常态工况均安全可靠地工作。

立足于应用（铸造）成型技术价值取向的转型，“类生态活系统”应具备以下明显特征：①避免载荷传递不连贯、分布不流畅，将传统单件（零件、组合件）经由刚接（铆接、螺接）、焊接方式装配叠加的结构，改变为无装配而合成的整体结构；②薄壁与空间密集紧凑结构、薄壁与网格化形态一体化合成结构；③壁厚为非等截面、异形截面、网格化结构异形形态，如回转形态、波纹、折叠、S形态等结构。简言之：通过上述几何形态，赋予结构隐形的、可连贯的小幅度、大范围应变“区域”，提供载荷应力大范围传导、分布的通道及改变部分载荷方向，从而实现产品功能与轻量化。

近年来，本团队立足于新铸造工程技术与新工程技术理论互动，开展了“类生态活系统”的设计实践，并成功应用于多种产品、装备，实现了产品（承载结构）减重15%～30%，部分减重超过40%，大幅度地实现了产品轻量化。图1分别为一体化设计、制造的新能源汽车整体底盘和某战车前桥。一体化制造省略了焊接环节及其他各种连接模式，提高了装备的整体可靠性，并极大地减少了污染。并且，整体结构采用熔模铸造工艺，有精确的近净形尺寸精度与形位公差，减少了后续的机械加工甚至免加工。相较于现有产品，汽车整体底盘减重达30%，战车前桥减重达40%以上。并且，一体化设计与整体铸造的汽车整体底盘被收入中国改革开放四十周年大型成果展。

传统汽车板簧采用65Mn弹簧钢板材制成，并依照承载要求层层叠加，重量少则几公斤，多则几十公斤甚至超过一百公斤。受益于“类生态活系统”的启示，我们设计了一种“穿越式回转结构”，使非弹性材料（铝合金）具备弹性能力，从材料和结构两个方面解决了轻量化的问题，并已获得美国及欧洲八国的发明专利授权。如图2（a）所示，依照承载要求，改变图中穿越式回转结构的尺寸大小与所在位置，无需大幅度增加整体结构尺寸与重量，就可应用于汽车板簧，保守估计减重40%以上。在“穿越式回转结构”基础上，我们又将其进行多元组合，研制出弹性轮体（图2b）。该轮体采用熔模铸造工艺一次成型，具有集成度高、节能及高效等特点，有望应用于脚踏车、电动车、汽车甚至是军车等多个产品领域，相关工程化工作正在进行中。

图1 一体化新能源汽车整体底盘（a）和某战车前桥(b)

图2 穿越式弹性结构及弹性轮体

3 产品轻量化新技术体系的发展

探寻产品轻量化的新路径，需要我们以新思维、新视角重新回望与研究历史上人类构建满足产品承载载荷能力的结构。“类生态活系统”与传统承载结构力学性能注重高强度、高刚性有所不同，其参与承载的结构在材料基本特性基础上，更加重视结构几何形态可形成自组织、分布自适应的应变能力。“类生态活系统”作为轻量化发展的方向与途径，需要在设计、制造及相关技术体系研究上不断深入与拓展。

（1）产品再设计是引领。庞大的市场需求空间与工业转型的紧迫，对产品轻量化提出更高的要求。在现有材料基础上，装备类、工程类产品的轻量化应以再设计为突破口，赋予产品承载结构“类生态活系统”特性。“类生态活系统”以结构几何形态精确弥补或适当妥协制造质量的不稳定性，其安全系数不靠质量冗余，故产品结构可以大幅度减小尺寸、减少重量。将承载结构的力学性能可靠与稳定性由传统的质量冗余保证转为由结构的系统性自适应能力为保证。通过质量冗余的削减乃至去除，实现产品低成本、大幅度轻量化，也为未来新的设计指明了方向与路径。再设计是通过结构的设计和行为仿真实现产品的功能质变的过程，是走向正向设计与精密制造一体化的科学方法论。再设计包括从无到有的创造，也包括对已有产品改良设计[5]。再设计，可使结构几何形态具备可组织与集合小于材料屈服极限（除非一次性使用之产品）的材料内在的微量弹性应变，使之可进行可控与容许的或以小范围大幅度的形变。产品结构在承受不同载荷变化时，应同时具备分部（分系统）自适应，也可集成（全系统）自适应载荷变化的能力，从而实现结构等应力承载。应该说，不脱离工业体系普遍使用的材料现状的务实再设计，产品轻量化可短平快实现。

（2）制造工艺装备是基础。当下工程化实现产品承载结构“类生态活系统”的正在成熟的手段是金属液态（铸造）成型技术。“类生态活系统”应实现产品结构几何形态尺寸超大、超薄、尺寸精确、精准；壁厚包括非等截面、厚薄悬殊但流畅过渡；产品结构空间形态密集紧凑等。产品制造过程中，波动的工艺与质量水平使结构力学性能（特性）的稳定性存在隐患。无疑，将产品设计与制造工艺有效结合，打造集成的工业再设计体系，提高装配、集成与维护能力，才能有效实现“精益研发”与“精密制造”的相得益彰。新工程技术理论与不断成熟的铸造工程技术将形成产品轻量化新范式。铸造成型工程技术可以通过相应成型工艺与装备的控制，实现结构之间具备实现密切协同承载关系、材料内部品质与材料力学特性有效结合。应结合现代信息技术，开展零部件一体化成型工艺与装备研究与设计。结合新材料、新工艺的结构集成化设计，利用结构解析技术和CAD/CAE等技术，在确保性能和功能的前提下寻求零部件壁厚的减薄、数量的精简和结构的整体化、合理化、轻量化并建立大型、复杂、薄壁合金精密铸造工艺与质量控制标准。要将装备设计从传统的装配协调与互换由传统的单元零件的精确保证，走向系统整合补偿、模块化柔性化补偿，进而从总体上减少资源消耗，实现节能减排，并为产品绿色制造提供基础支撑。

（3）新技术体系的构建是保障。传统应对小概率事件及包容制造水平与质量缺陷的安全系数是由质量冗余构成。在解读遵从自然法则的“类生态活系统”内涵并应用时，我们要以包括数学模型基础架构的新工程技术理论体系作为引领，将数学表达的精细化与全息化能力作为产品结构轻量化发展的新规范。一般来说，基础科学不通过技术科学，很难直接解决工程实际问题，而工程实际不通过技术科学，也不可能找到它们的一般规律[6]。新技术体系遵从最小熵污染、最小能源与能量消耗的自然法则，在生命诞生、成长、繁衍、死亡全过程与全周期，实现有序的良性循环与演进。正如我们的生态，它从来不与外部环境变化相对抗，而是以遵从非对称博弈自然法则的方式加以自适应。有如“树欲静而风不止”时，树以系统性的分部自适应和集成（叠加）自适应的方式，与风的变化载荷互动，甚至改变风的矢量。未来，产品轻量化新技术体系，应赋予产品承载结构“类生态活系统”的系统性自适应变能力，改变或减少静态质量冗余现象。新技术体系的普惠价值在于：赋予产品承载结构“类生态活系统”的系统性自适应变能力，从材料、结构等多方面解决传统产品制造中的“冗余”。当我们谈论产品承载能力时，不能桎梏于传统的零和博弈的二元线性思维和“以不变应万变”思想定势，更应该注重对传统理论基础的系统性再探索、创新，促进引领一个产业、一个行业，成建制“遍地开花”的新科学技术体系的形成与应用。

4 结语

遵从全新自然法则的新工程技术理论与不断创新的铸造新技术为我们制造业转型升级奠定了基础。以网络信息技术为助推，产品轻量化新技术体系的发展，将在设计上使产品结构在承受不同载荷变化时，可实现内、外能量的有效互动，生态对外部变化的系统性自组织、自适应，实现结构等应力承载。以技术体系的创新与建立推动制造业的高质量发展，新技术的快速发展，也为工业产品轻量化设计、制造提供了良好的手段。