激光技术帮助汽车控制“体重”

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欢迎访问e展厅 展厅 4 汽车与公路设备展厅 乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ... 随着节能减排形势变得日益严峻，相关部门对卡车超载的治理越来越严，轻量化成了近几年来汽车行业常被探讨的话题。比如，铝合金车轮的应用就是国内准重载车辆实现轻量化的一大有效手段。在了解国内外卡车企业的卡车轻量化情况时，记者通过查阅相关外文材料得知，德国某研究机构近期研发了一种新型的车辆轻量化技术。 最近欧洲委员会出台了一项新法规，如果汽车制造厂不能显著降低其新生产汽车的二氧化碳平均排放量，它们将面临巨额的罚款。汽车工业到了必须思索如何减少燃料消耗量和二氧化碳排放量的时候了。 如何减少汽车燃料消耗量，一条有效的途径就是在汽车轻量化结构上做文章，换句话说就是让汽车“瘦”下来。但是给汽车“减肥”必须在不降低汽车安全性的前提下进行。如何在同等级别安全程度下成功给汽车瘦身，是摆在汽车设计人员面前的一道既现实又迫切的难题。 到目前为止，大部分车身结构都是由同质钢板组成的，不同部位的钢板厚度基本上相同。一些承担局部应力过大的部件，要求钢板较厚来承担高强度局部应力。这就意味着一些不需要承担很大局部应力部位的钢板厚度超出了实际所需要的厚度，这就给车身增加了不必要的重量。此外，一些汽车制造厂家还喜欢用一些价格较贵的高强度钢板，这无形之中也会增加车身重量。 使用普通强度钢板 激光提升局部强度 国外先进的轻量化技术一直是国内制造企业效仿的对象，其前沿技术的发展也对我国有很大的借鉴意义。最近，德国萨克森州首府德累斯顿市弗劳恩霍夫材料和射线研究所（The Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology IWS）的研究人员研发出了一项全新的车辆轻量化结构技术，可在充分确保车辆安全性的前提下减轻车辆重量。 来自该研究所的科学家马库斯·瓦格纳称：“安全性和轻量化结构彼此并不矛盾。”为了更准确地匹配车身各个部位所承受的应力，马库斯·瓦格纳和他的同事正在致力于创建一套实现车身轻量化的新方案，这项新方案被称为“局部激光强化”（local laser reinforcement）。 这套方案使用的是价格低廉、强度普通、壁厚度达到最薄限度的钢板，但这么做会导致某个部位的钢板无法承受高强度局部应力。为解决这个难题，研究人员需要提升承受过大局部应力部位的钢板强度。 那么这个过程具体是怎么实现的呢？首先，专家用聚集激光束照射未经加工的钢板表面，被聚集激光束照射的钢板温度开始升高并逐渐熔化，熔化所产生的热量迅速消散并传递给毗连的冷材料，热量所经过的部位遇热之后迅速冷却。这个过程会产生硬质相，遇热之后迅速冷却的材料其硬度可得到显著强化。 “通过这个过程，我们可以得到强度达到1500兆帕的材料，新材料的强度大概是未经强化的原始材料的2倍。”瓦格纳说。在整个过程中，得到强化的钢板并未变厚，也就是说钢板的重量并未增加，这个方案可谓是在确保车辆安全性的前提下，对轻量化技术的一种有益尝试。 瓦格纳称：“这个方案可被用于设计车辆前后缓冲杠、中立柱、加强筋、加强板等诸多部件。在设计这些部件时，上述方案提供了一条如何在重量和强度上作出最优选择的解决途径。” 碰撞性能表现 可提升一倍 车辆碰撞时产生的压力，足以令某个零部件瞬间产生大幅度变形。撞击时，车身变形程度越小，司机得到的保护就越大。通过“局部激光强化”，上述研究所的科学家们试图获得抗变形性更强的零部件。 为了使车身在撞击时变形程度更小，研究人员必须确定需要进行激光强化的最佳位置和最佳几何形状。比如：它们应该是点状的、倾斜的、还是纵长的？强化部分应该 选用何种材料来使车辆在撞击时发生最小程度的变形？现在，研究人员可以通过电脑模拟测试探索以上所有问题的答案。据瓦格纳称：“通过电脑模拟实验，我们可 以完全模仿实地实验并得到我们想要的数据，电脑模拟实验得到的数据与实地实验得到的数据相差在几毫米左右。” 通过数值模拟研究，瓦格纳和他的团队开发出了一种弯曲应力的碰撞最优轨迹设计。在受到不同形式的撞击时，车辆的变形部位是不一样的，比如说车辆迎面撞上一棵树，与被另一辆车从侧翼撞击时所引起的变形并不相同。瓦格纳团队把这种方法应用到了实际车辆设计过程，并用激光强化。 瓦格纳说：“在实际实验中，通过我们的碰撞最优轨迹设计，经过激光局部强化的管道外形，在发生碰撞后的扭曲变形程度比未经强化时减小一半，而我们在这一管道上进行激光强化的部分只占3%左右。这也就是说，我们的技术方案能够使车辆的碰撞性能表现提高一倍。” 出于对乘客安全的考虑，该研究所的研究人员已经把这项全新的技术解决方案应用到了车辆易遭撞击的位置和座椅部件上。通过这套全新的技术方案，车辆的部件重量能够减轻20%左右，而这是建立在完全无损车辆安全性的前提下。在下一阶段，瓦格纳和他的团队将致力于通过轨道几何形状自动优化来进一步完善他们的技术。(end)

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