轻量化设计的原则

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一、轻量化的定义

轻量化是跨学科的工程科学，有材料力学、计算技术、材料学和制造技术等领域的知识基础构成。轻量化的目标是在给定的边界条件下，实现结构自重的最小化，同时满足一定的寿命和可靠性要求。为了实现这个目标，需要选择适当的构造、轻质材料、连接技术、尽可能准确的设计以及可实现的制造工艺。除了这些，还要考虑到成本。

二、仿生学

在植物和生物的世界里，生态构造永远是以最小能源消耗方式制造出来的，总是重量轻，寿命长，并保持一定的刚度。自然界的一个基本原则是“适合躯体的质量”在遇到最大载荷的地方优先得到生长，在承受很小载荷的地方，材料则减少。在自然界中，有的材料具有极小的密度，如蜘蛛丝的密度是0.11g/cm3，这些材料都是通过植入带有橡胶性能的弹性朊、骨胶原与节支弹性蛋白来形成稳定性。平面结构的刚度则通过生长路径来形成（如树叶），这些同时分割的结构具有很高的抗弯刚度和翘曲刚度。

实践表明，遵循自然法则会实现智能化的设计。仿生学在许多方面给轻量化设计指明了方向（造型/拓扑和构造），即如何对构件/结构进行优化。

三、轻量化设计的八大规则

规则一：尽量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，力尽可能大面积导入，力尽可能直接支承，不对称的设计尽量改为对称的设计，开口的型材尽量设计成闭口。

规则二：尽量大的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，应在尽可能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。

规则三：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。

规则四：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。

规则五：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。

规则六：优先遵循一体化原则

在已知条件下，轻量化设计结构应由尽量少的单一件构成。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。

规则七：引入空腔

为了在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”。

规则八：充分挖掘设计的潜力

只有在确保安全的前提下，才可以考虑实现轻量化，但安全裕度不能盲目过大。前提条件：

· 对力的准确了解（大小、方向、位置）；

· 采用规格可以得到确实保障的高价值材料；

· 应用准确的计算方法（FEM）

· 优化的几何尺寸（缺口、力流）

· 确保对设计细节进行有针对性的先期试验。

· 在动态应力载荷的轻量化设计中，除了以上的规则外，还必须要达到预定的使用寿命。

一般，在美国交通技术中要求：

抗流动的安全系数为1.15，抗断裂的安全系数为1.5（最低至1.3），抗不稳定性的安全系数为1.5（或小于可控失效）。钢材的疲劳周期2×10^6个周期，铝材1×10^7个周期。