产品轻量化设计分析范文

关键词：重型商用车；驾驶室；轻量化

1.概述

以重型商用车为例，目前以6X4的牵引车为例，自重已经由原来的9.5吨降为目前的8.7吨左右，但是减重的贡献都是来自于底盘的轻量化。驾驶室重量因受可靠性要求的提升以及碰撞法规升级的限制，重量不降反升，以高顶双卧驾驶室为例，重量由约900kg升到了目前的约1100kg左右，因此商用车驾驶室的减重对于下一步整车减重意义明显。

以高顶双卧驾驶室重量主要由以下图1中的5部分构成，其中白车身、内饰和外饰占了驾驶室重量的86%，因此如果能够降低此三部分的重量，则驾驶室轻量化效果相应会比较明显。

2.轻量化技术

2.1自车身轻量化技术

2.1.1拓扑优化技术的应用

在白车身概念设计阶段，通过采用拓扑优化的方法，对车身结构进行优化，以得到最轻重量，最优的车身承载骨架和最有效的力的传递路径。要进行拓扑优化设计，首先要构建拓扑优化空间，可以通过外造型面和内部空间布置进行设置，以实体单元建立拓扑优化设计域，见图2：

综合考虑重量、静态弯曲、扭转刚度、正面撞击、顶部强度及后围强度等碰撞工况。通过将弯曲刚度、扭转刚度、前围打击、顶压和后围打击等工况加权到一个目标函数，得到拓扑结构如图3所示：

通过对优化的结果的解读，结合工程经验和车身制造工艺，将拓扑结果转化为满足空间布置和制造工艺的有效设计，形成新开发车型的白车身骨架。

2.1.2高强度钢板的应用

国内商用车白车身大部分是以低碳软钢板为主，少量采用了340MPa强度级别的低合金高强度钢板，而更高级别的先进高强度钢以及热冲压成钢在国内尚没有实际应用。而国际上，先进商用车的白车身340MPa以上级别的先进高强钢用量达40%-60%，有的甚至达到70%。不仅510MPa级别，甚至590MPa、700MPa和980MPa级别的先进超高强度钢也都有应用。

2.1.3激光拼焊板的运用

利用激光焊接技术生产的拼焊板具有巨大的优势，主要体现在以下几方面：

（1）对最终车身重量的减轻。在汽车结构件的应用中，使用激光拼焊板，消除了使用多余加强件的需要，从而带来整体车身重量的降低。

（2）减少汽车零部件的数量。

（3）原材料利用率大大提高，废料大大减少。

（4）结构功能得到大大提高。通过使用激光拼焊技术，由于将材料的强度、厚度得到合理组合，使结构的刚度得到大大改善。

以侧围总成为例，通过采用激光拼焊板，并适当提高零件强度，重量减轻约5kg。

2.2外饰轻量化

内外饰的轻量化设计的重点是材料及工艺的优化，不能因为轻量化而提高成本。

当前国内商用车驾驶室外饰零件的选材基本上是非金属材料，主要构成如图8。由于外饰件需与车身体同色，且零件较大，所以SMC在外饰零件选材上占多数。

2.2.1SMC零件优化设计

根据产品的型面、边界、固定点以及具体的受力承载方式构建设计初步的加强结构，然后用CAE软件对初始3D模型进行有关刚度、强度及模态方面的分析计算，接下来根据计算的结果对原始模型进行拓扑优化，采用削强补弱的基本方法修改数据，然后对优化后的结构模型重新计算分析，比较拓扑优化前后结构的性能指标，分析拓扑优化方案的合理性，在经过反复几轮优化和比较后，得到最终的理想状态。

保险杠设计时在优化前的产品为5mm均匀厚度，但根据固定点位置，结合产品的踩踏要求，对结构可以做优化调整，考虑到SMC工艺制品的特殊性，对产品厚度做了以下调整，如图9所示：

将①所指非受力不可见区域由5mm改为3mm，将②位置踩踏区域5mm改为6mm，将③大灯沉台区域由5mm改为3mm，将其他区域由5mm改为4mm！

经过厚度优化，产品的重量减少5.96KG，同时各项项目性能指标都满足产品设计要求。

2.2.1新材料和新工艺的应用

2.2.1PBT+PET+玻纤的应用

SMC属于热固性材料，无法回收，且密度基本都在18-2.0g/cm3右，采用PBT、PET和玻璃纤维共混的方法，得到的制品不仅外观好，而且具有优良的耐热性、刚性、强度和尺寸稳定性，同时解决了材料回收的问题。表2给出了两种材料之间的性能对比。

通过在导流罩上采用该材料，降低重量约8kg，见图10：

2.2.2V-PHC工艺的应用

在外饰件上，通过采用V-PHC工艺，见图11，零件刚性好，可以减少零件数量，降低重量，外层的复合板为ABC和PMMA复合，可以实现各种颜色，因而可以免喷涂。

采用V-PHC工艺的零件的面密度为3800g/m2，远低于SMC的面密度10000g/m2。

在车门下装饰板上采用V-PHC工艺，将原设计内外板结构直接改成单层外板。减少了零件数量，见图12，左右件共实现了减轻重量9kg。

2.3内饰轻量化

2.3.1LFI硬发泡工艺

LFI喷射系统将聚氨酯和被切断的玻璃纤维同时喷人开放的模具中，被切碎的玻璃纤维从外部切入聚氨酯喷射流中，接着在闭合的模具中进行发泡成型。在最终产品中，不规则的玻璃纤维分布使得产品各承载方向的机械强度得到提高。

LFI硬发泡工艺因其密度小，刚性好，主要在仁尾品开发中用于替代传统的PP+骨架的结构设计方案，图13为LFI硬发泡零件结构断面，表3给出了两种工艺的性能对比。

通过在仪表台和高架箱上应用此方案，减少零件数量，提升装配效率，降低了总成重量，图14给出LFI硬发泡高架箱，降低重量8kg，和图15给出了LFI硬发泡仪表台，降低重量10kg。

2.3.2玻纤增强夹层技术

玻纤增强夹层技术是将传统工业的蜂窝状的或瓦楞状的芯材（纸质、铝、PP、PC或泡沫）在芯材的上下两面各覆盖一层玻璃纤维毡（或其它纤维毡），然后由聚氨酯喷涂系统浸润，见图16。将该夹层结构放人一个加热好的模具中，并在130℃-140℃的温度下直接模压成型。通过喷涂聚氨酯材料并运用模塑技术进行有效复合，形成强度更高并比传统板材更轻量化的聚氨酯复合材料。该项技术具有特殊加工功能的特点：重量轻的同时承重能力强，显著的吸音和防火性能。

通过将该工艺应用在卧铺轻量化上，图17给了结构断面，在不改外形尺寸的前提下，减轻重量9kg，表4给出了具体减重构成。

3.总结

3.1轻量化效果

通过在新技术、新材料和新工艺的应用，在设计过程中共实现驾驶室轻量化效果见表5。

产品轻量化设计分析范文

根据拓扑优化的结果，在支架传力路径上增加加强筋条，筋条高度为8mm；同时由于立筋的增加，为了更准确模拟铰链接头与耳片之间、耳片与加强筋条之间的传力，将耳片与接头设计为如图5所示；简化了梁与支架的连接，在原来支架与梁的连接处用固支约束模拟紧固件连接。在这次优化中，以筋条处的典型剖面为例，筋条的高度和厚度以及筋条两边的腹板的宽度和厚度都是设计变量。由于本模型中含5个十字形筋条，另有2个类似筋条，变量的数量很多，各个变量之间存在着复杂的影响关系，最终的优化结果对参数的变化十分敏感。

2结构验证与对比分析

经过拓扑优化和形状优化，我们最终得到了较为理想的设计方案。将上述支架的优化结果返回到CATIA模型中，并经过相应简化后。为了验证该优化方案的可靠性，特对此机构进行有限元分析计算，将此三维数模建立有限元模型，按极限工况计算其变形及应力分布，将其计算结果与之相比较可知：零件在两个工况下的位移和应力分布情况与壳模型计算的结果较为接近，并且满足零件的初始设计约束。同时，在实际零件设计中，对壳模型计算中的应力集中点菜用大圆角过度设计，零件的最大应力水平有显著降低。

3优化结果分析

在未引入优化设计方法之前，该零件的筋条布置往往参考相关机型同类型零件的设计或依据经验设计。为两个零件为以传统方式设计的未经优化的零件。通过拓扑优化和尺寸优化，在不改变零件材料且不牺牲自身弯曲刚度的前提下，实现了该零件的轻量化设计。在工况13个支架零件的应力和变形云图（左侧为应力云图，右侧为变形云图）。在工况1，3个零件的最大变形量基本一致并且最大应力接近，但是优化后零件相比零件A质量减轻15.5%，相比零件B质量减轻21.3%。如果考虑在支架腹板上增加液压及电缆通道的情况下，零件A和零件B需要在腹板处开孔，这两个零件的刚度还将进一步减弱。

4结束语

产品轻量化设计分析范文篇3

关键词：机械自动化；工业生产；实践

中图分类号：TB

文献标识码：A

doi：10.19311/ki.16723198.2017.10.092

近年来，随着我国国民经济的快速发展，工业生产领域得到了较大的发展。自动化控制是传统项目中最重要的环节。但传统的机械自动化效率都比较低，对人力资源的浪费也比较严重。伴随着计算机技术、人工智能的不断进步，智能化、自动化技术的不断提出，机械自动化在工业生产领域中的应用越来越广泛，并且获得了很好的效果。机械自动化提高了工业生产领域的工作效率，进一步能够促进工业生产的发展。

1基本概念

机械自动化是指通过利用现代的电子信息技术、智能化技术，实现在机械制造过程中的自动化处理。通过使用机械自动化技术，能够大大节省人力成本、提高机械设备的生产率，因此近年来在工业生产领域得到了广泛的应用。

然而，机械自动化的应用还存在一些问题，主要包括以下两点。

1.1新设备的应用问题

机械自动化的实现需要购置大量的新设备，而新设备安装后缺乏必要的使用培训。尤其是对一线的工人来说，相关的自动化知识不足，直接应用设备的能力不强。另外，新设备上线后与原有的生产环节的协调与配合，新设备在生产线中运行情况的调试等都还存在很大的问题。因此机械自动化的应用还需要M一步提高。

1.2忽视对人才的培养

一些企业在应用机械自动化设备后，人为只要使用新设备就可以应用新技术从而提高生产效率，因此忽视了对专业技术人员的引进和培养。然而，自动化生产不可能完全替代人工操作，尤其在一起关键的环节中，人工生产仍然是不可替代的。从企业的长期发展来讲，新技术的研发、新设备的调试和应用等，都还需要专业技术人员的参与才能实现。过分的强调和依赖自动化，忽视对人才的培养，必然会影响企业的长远发展。

2机械自动化技术发展现状分析

2.1实现了生产过程的自动化

目前，工业生产领域普遍使用计算机控制生产过程。这种以数字化计算机为基础的模式大大提高了工作效率，同时提高了生产质量，因此目前已经广泛替代了传统的基于模拟算法的模拟控制方案。另外，以现代计算机科学中的工业以太网、现场总线等为基础的计算机技术，也在工业生产领域中得到了广泛应用。使用先进的计算机控制技术替代传统的人工集中控制模式，经过实践检验也是非常有效的。

2.2实现了监测过程的自动化

工业生产领域中的关键生产环节，都实现了以现代计算机技术为基础的自动化监测。监测内容包括生产环节、关键参数、产品质量等，也包括能源使用情况、安全性、规范性等的监测。同时，管理流程的合理性，预报、报警状态的可用性等也得到了实时自动化监测。从全流程保障了工业生产领域的安全、可靠、有效生产。

2.3信息化水平大大提升

工业生产领域通过引入机械自动化技术，大大提升了信息化的水平。随着信息化技术在工业生产领域的大量应用，其作用和意义得到了普遍认可。一些企业建立了专业的信息化系统用于企业的流程控制、能耗控制等，大大节约了企业的生产成本。过程控制系统以及安全管理系统，提升了企业生产的安全性。产品质量检测系统可以提高企业产品的质量，而一些自动控制系统还可以大大节省人力成本。最近，还有一些公司使用了数据挖掘系统，通过智能数据分析技术，给企业提供了决策支持。

3机械自动化技术在工业生产领域中的应用探讨

本文分别从轻工业和重工业的角度探讨机械自动化技术在工业生产领域中的应用。

3.1轻工业生产

轻工业生产是指对日常生活消费品、化工产品以及与人们生活相关的农副产品的生产领域。机械自动化在轻工业生产中的应用主要是指简单的机械设备的应用。具体包括日常生活消费品的自动生产线、产品质量监测系统等，化工产品生产中主要是质检的自动化，而农副产品生产领域主要是自动收割、农副产品作业环节中的机械自动化实现。在轻工业生产中应用的机械自动化技术一般较为简单，主要通过机械设备的简单重复来实现，应用简便，但大大提高了轻工业生产的效率，同时解放了劳动力降低了人力资源的需求。

在轻工业生产中应用时，主要关注机械自动化与实际需要的契合程度以及技术的易用性，要能够保证技术有效使用、资源充分利用等。

3.2重工业生产

重工业生产主要包括的是对国民经济发展、综合国力提升等产生影响的重大工业生产。由于重工业生产本身的重要性和复杂性，机械自动化技术的应用水平较高。通过使用自动化技术，能够实现真正的无人化，完全通过自动化控制程序完成重工业生产全流程的工作。除了能够节省大量人力资源外，还能够完成许多恶劣条件下的工作。例如井下探测等极端恶劣环境下的电气工程任务，靠人力很难完成。而利用自动化技术，可以通过遥感感应、计算机数据分析等技术探测到极端恶劣环境下的情况。

3.3机械工业自动化在工业生产中应用的利弊分析

在轻工业生产和重工业生产中应用自动化技术，都可以大大提高生产效率、改进产品质量，通过减少人力资源需求降低企业运营成本。然而，我们也应当认识到，推广机械工业自动化也存在一定问题。首先，必须明确自动化技术是不能够完全替代人工操作的。一些关键控制环节还需要继续由专业技术工人来操作。其次，过分强调机械自动化的应用而忽视专业技术人员的招聘和培训，长久必然会影响企业的发展。新技术研发、新设备的应用，以及新生产线的配置、培训等，都需要专业技术人员来完成。企业如果过分强调机械工业自动化技术的优势，忽视传统人力资源的管理，必然会影响企业的长远发展。因此，企业应当合理利用自动化技术，同时加强人员管理，重视发挥员工的工作积极性，提升他们的工作能力，从而保证企业健康、有序发展。

4机械自动化技术在工业生产领域中应用的发展趋势探讨

由上文分析可知，无论是重工业生产还是轻工业生产，应用机械自动化技术都能够大大提高生产能力，降低生产成本，同时可以完成恶劣条件下的生产任务。未来，自动化技术将继续发展，在工业生产领域中的应用将更为广泛。

4.1重工业生产中的应用将更加精细

机械工业自动化技术是传统的工业生产模式与现代化技术结合的产物，随着科学技术的不断发展，自动化技术在重工业中的应用将更为精细，更多高精尖的产品将会不断研发并投入生产中。自动化的应用将不再局限于简单的机械重复作业，而逐渐转为智能控制、流程优化、资源利用率提升等方面。现有应用中的一些缺陷也将逐步被改善，从而更好的满足工业生产的需求。

4.2进一步提升信息化水平

为了提升工业生产的竞争力，提升产品质量、提高生产效率、节约生产成品，至关重要。通过进一步提高信息化水平，引入ERP、MES系统，应用智能化的自动控制技术，利用客户关系分析系统、数据挖掘系统、电子商务等系统，提升企业生产能力和生产效率。未来，这些现代化的信息化系统将会全面铺开、广泛应用。另外，随着国家大力推行物联网、大数据和云计算等技术，必将会加强这些技术在工业生产领域中的应用。

4.3进一步提高集约化水平

未来工业制造，尤其是重工业生产领域将会向集成化、实时化方向发展，满足准确定位问题、有效分析原因和及时处理漏洞的要求。这就要求要时刻关注最新的技术发展，适时引入新的技术，与时俱进。另外，要进一步提升精细化管理的水平，在精细化管理的基础上，才可以在企业大范围中推广应用机械自动化。引入控制系统和数学模型实现数据挖掘，从而推进工业生产领域的全面自动化，推进机电一体化。

4.4提升生产自动化能力

通过工业生产领域各个关键环节引入自动化技术，提升自动化处理能力。例如，自动质量监测系统，智能化分析和处理系统，问题预警和分析系统等。通过提高技术的智能化水平，加强冶金和信息化的融合，满足节省劳动力、提高生产效率的需要。另外，互联网的发展，使远程控制、实时数据传输、实时的指令下达等成为现实。

4.5引入虚拟化技术

虚拟化技术是指利用现代计算机技术，在工业生产过程中实现完全的模拟化操作，同时能够实时发现问题、动态调整关键技术，从而保证生产过程的稳定、安全和高效。虚拟化技术包括计算机仿真技术、控制理论技术等。引入虚拟化技术，能够大大提高工业生产能力，降低企业的生产成本，提升企业竞争力。因此，加大虚拟化技术的研究与应用，培养和引入高技术人才，是下一步工业生产发展的重要保证。

5总结

之，随着我国科技水平、计算机技术、自动控制技术的不断发展，工业生产领域的机械自动化技术也得到了很好的发展。本文详细分析了机械自动化技术的特点和现存问题，以及机械自动化的发展现状，从轻工业生产和重工业生产两个角度探讨了机械自动化技术在工业生产领域中的应用，同时对机械工业自动化在工业生产中应用的利弊进行了分析。在工业生产领域中，有效利用信息化、智能化技术，可以提高自动化水平、降低人力成本，同时可以提高企业的生产效率，提升在复杂环境下的工作能力，进一步提升企业的竞争力。这对工业生产领域和整个社会经济发展来说，都是至关重要的。

参考文献

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