【专访】孟宪明：突破汽车轻量化技术及材料开发与应用中的关键共性技术问题

随着国内轻量化技术的发展，中汽中心汽车工程研究院汽车轻量化与材料性能研究团队为行业轻量化关键共性技术开发提供了强有力技术保障。中国汽车材料网策划的“汽车材料与工艺研究机构”寻访活动，本期邀请到的是中国汽车技术研究中心有限公司汽车工程研究院孟宪明博士。

随着汽车保有量的增大，汽车造成的能源消耗与污染物排放问题逐渐凸显，国家对于汽车能耗的法规也日趋严格，低能耗已成为汽车产业发展的必然趋势，汽车轻量化作为实现这一目标的关键技术，受到了中外各个车企的极大重视。 “当前汽车轻量化技术的发展，更加体现了将合适材料应用在合适位置，用合适工艺实现其性能设计的汽车轻量化开发理念。汽车轻量化是一项集成多学科领域优势的综合性工程技术，它集材料性能开发与应用、结构优化设计、先进连接与成形技术等各方优势于一体”中国汽车技术研究中心有限公司汽车工程研究院孟宪明博士这样表达汽车轻量化技术与轻量化材料应用理念。本次专访，孟博士就汽车轻量化技术以及轻量化材料开发与应用中的关键共性技术问题等方面进行了深入探讨。

中汽中心汽车工程研究院 孟宪明博士

碳纤维复合材料在车身结构中的应用研究值得思考

汽车行业是新材料最大的应用行业之一，汽车行业的轻量化技术进步，也给新材料发展提供了广阔的空间和竞技平台。纤维增强复合材料是极好的结构功能一体化工程材料，是一种极具潜力的材料，具有优异的结构整体性。纤维增强复合材料，尤其是碳纤维增强复合材料以其密度小、比强度与比刚度很高、零部件集成度高、零件可设计性强等特点而备受工业界青睐。但是，碳纤维材料整体结构较传统材料要复杂得多，其具有强各向异性的特点，在车辆CAE分析及设计过程中，不可避免要面对碳纤维材料本身的材料各向异性带来的力学独特性和复杂性，不合理的设计将造成其整体结构的灾难性破坏，并直接影响整体结构的安全性与可靠性。因此，在初始阶段碳纤维材料车辆框架结构设计过程中，需考虑其不同方向上会呈现不同的材料力学性能复杂等方面的特点，碳纤维复合材料在车身结构中的应用研究就显得格外重要。

孟博士认为，碳纤维材料的应用性能目前需要解决的共性关键问题有以下几个方面：

第一，在复合材料的开发方面，需要开发出适合汽车行业应用的低成本、高性能的碳纤维复合材料；

第二，在材料性能应用方面，需要建立相关碳纤维复合材料满足工程应用的基础性能数据，其中包括静态力学性能数据、动态力学性能数据、疲劳耐久数据、接头力学性能数据以及材料断裂失效判据等；

第三，在复合材料车身结构优化设计方面，需要解决基于零件结构性能驱动的复合材料铺层设计方法、基于复合材料零部件设计的有限元精准建模方法、基于材料-性能-工艺一体化的多零件集成设计方法以及复合材料在使用过程中的耐久老化行为评价与预测方法；

同时孟博士也表示随着上述提到的技术共性问题与关键点得到合理科学的解决，可以使碳纤维增强复合材料在汽车轻量化领域得到更为广泛的推广和应用。

轻量化材料及部件的精准化仿真技术需要重视

近年来，随着国家对新材料研发及汽车轻量化技术的大力支持与引导，使很多性能优越的新型轻量化材料应用在车身结构中，使我国汽车轻量化应用技术得到很大提升。

在整车开发过程中，轻量化设计是贯穿于整车产品开发流程始终的，轻量化技术体现的优化问题也就是如何通过结构性能设计来实现将合适的材料应用在合适的位置，用最优的结构和工艺去实现的问题。在汽车设计开发阶段，通常采用CAE辅助分析方法对具体部位的零件形状及材料种类应用进行分析与确定，在这个阶段，材料的相关力学性能作为基础数据输入到CAE仿真模型中进行结构性能分析计算，这部分基础数据包含以下几个方面：材料动态力学性能、静态力学性能、疲劳耐久性能、材料断裂失效判据、接头力学性能以及材料本构模型等。精准的材料模型与数据输入会使结构设计余量变得更加合理，轻量化与性能间的匹配更加完美。相反，如果材料模型与数据输入精度不高，会导致前期结构设计偏软或偏硬，都会对材料的精准应用产生影响，导致结构设计余量不足或者过多，不能精准实现将合适材料应用在合适位置的设计理念。因此，在车身结构设计阶段，材料与部件的精准仿真技术就显得格外重要。

孟博士强调在轻量化材料及部件的精准仿真技术上目前需要解决的关键共性问题主要有以下几个方面：

第一，在材料力学性能基础数据测试表征方面，材料不同应变速率下的力-位移关系曲线测量标准方法的统一性问题、塑料等强塑性材料断裂失效相关判据的测量精准性问题、超薄板材E-N曲线的测量精准性问题以及大变形粘塑性材料的应变场精准测量问题都是需要解决的关键问题，也是制约材料应用数据精准度的关键因素。

第二，在仿真模型开发方面，具有自主知识产权的材料仿真模型及断裂失效模型开发，基于计算效率、仿真精度以及工程可应用性三因素的精准化模型开发，异种材料连接接头的精准化模型开发以及纤维增强多层复合材料的精准化模型开发等方面。

这些技术共性问题与关键点的突破需要集成产学研各自优势来得到合理的解决，上述技术共性问题的解决，可以更加提升我国轻量化自主设计水平与能力。

创新研究轻量化异种材料连接技术

现阶段，在车身轻量化工程设计开发中，钢铝混合车身技术以其独特的优势在新能源汽车企业得到了很好的应用，在混合材料车身结构中，多种材料的连接很难由传统的电阻点焊来完成，需要采用多种现代连接方法予以克服，开发新的连接技术是铝合金等轻质材料得以扩大应用的前提。

孟博士表示从目前的研究来看，比较适用于混合材料车身框架的连接方式主要有机械连接、粘接、焊接、复合连接技术等。其中，主要适于钢铝混合车身的连接方式为机械连接，机械连接的样式繁多，其中包括SPR,FDS,拉铆，螺接，无铆连接等连接方式；焊接的种类也比较多，但相对适于钢和铝连接的主要是搅拌摩擦焊、激光焊等；另外，出于钢铝连接对耐疲劳、防腐蚀和密封性的需要，还出现了复合连接技术，尤其是铆/粘复合连接在钢铝混合车身中得到了广泛的应用。上述连接方案中，不同材料间铆接铆钉以及铆接工艺参数的设计，复合连接中不同材料表面处理工艺与表面质量等都是关系到接头强度性能的关键因素，也是连接技术的关键共性技术。近年来，随着汽车轻量化技术的发展，我国材料连接技术也得到很大提升，自主知识产权的连接方法与工艺也以应用在量产车型中，但其中一些关键的共性技术问题仍需要提高与突破，其主要分为以下几个方面，热成型钢与铝的铆接铆钉设计及其铆接工艺开发技术、多层多厚度钢铝混合材料的连接工艺开发、具有自主知识产权的高性能铆枪系统开发、机械连接及复合连接接头性能的在线检测方法开发等方面。上述技术难点问题与共性问题的突破需要主机厂、连接技术供应商以及科研单位的协同创新研究来解决。

材料及接头性能的共性数据库的开发意义重大

材料及接头的力学性能数据库是作为产品设计阶段的核心输入，以及产品在进行材料更换时的重要参考数据，在产品的整个开发阶段具有重要的意义。现阶段，国内各主机厂都相应具备了自己的材料与接头数据库资源。但是，也存在着相关共性技术难点问题，为此孟博士指出：

第一，新型轻量化材料性能数据库相对传统材料性能数据库来说还相对比较缺乏，从而导致在产品前期开发设计阶段，没有对应的性能数据输入给相关产品设计人员做结构开发设计，阻碍了相关新型材料在产品中设计中的应用。

第二，材料基础数据在不同检测设备检测，经过不同经验试验人员数据处理后，导致材料相关性能数据的统一性不高，数据离散性较大。

第三，现有数据库中的数据基本都是基础性能测试数据，数据很多没有经过详细的对标分析过程，不能直接应用到CAE精准化设计开发中，这样就导致材料数据库与精准化设计应用之间的脱离。

因此，需要通过行业联盟以及汽车行业关键共性技术研究单位来解决上述共性问题，通过建立相关测试统一标准、数据处理与分析统一方法来实现行业大数据的整合与应用，更好的为企业行业服务，提升轻量化材料的应用与价值。

中汽中心汽车工程院轻量化与材料性能研究团队在解决行业共性关键技术中硕果累累

中汽中心汽车工程研究院汽车轻量化与材料性能研究团队一直致力于整车轻量化与材料应用性能等关键共性技术研究工作，完成多项国家及省部委科研课题，其中包含国家重点研发计划等关键共性技术研发项目，并与国内高校、企业以及科研单位形成联合实验室共同突破材料与轻量化关键共性技术。同时，团队基于工程开发以及科研类项目，建立了车用多材料与接头的精准建模方法，材料与接头的断裂失效行为模拟仿真技术，形成了材料-工艺-性能一体化的轻量化设计开发方法，构建了覆盖国内车用材料种类的，可直接应用于CAE仿真分析的材料性能数据库及接头性能数据库两大数据库平台。为多家企业提供了基于多目标的车身结构轻量化解决方案，对整车进行有效减重的同时也提升了相关性能指标。团队已为国内数十家自主品牌汽车企业和材料零部件企业提供了轻量化与材料等相关一体化解决方案与数据库支持，取得了显著的经济和社会效益，提升了国内汽车行业轻量化技术水平，促进了国内汽车行业轻量化共性技术的进步。

编后

当前，我国汽车轻量化技术的产业技术链已经初步形成，在汽车用高强度钢及其核心零部件的轻量化技术解决方案方面能够满足我国汽车行业的发展需求。但在新型材料方面，例如：铝合金、镁合金、纤维增强复合材料方面还有一定差距，不能很好的满足汽车行业对轻量化技术发展的需要，应该在国家和行业相关政策的引导和推动下，通过跨学科、跨产业协同、产学研的深度合作等方式，突破制约轻量化技术发展的共性关键技术，提升性能优良的新型材料的应用与轻量化解决方案能力，使其更还的服务于汽车行业，为我国汽车轻量化技术提升做出更大的贡献。

专家简介

孟宪明，博士，高级工程师，汽车轻量化与材料性能研究团队负责人，主要从事汽车轻量化技术与车用新材料性能研究与应用技术工作，主持完成30余项企业项目，主持或参与完成多项科研项目，其中国家重点研发计划项目2项、省部级项目1项。发表论文45篇（SCI收录16篇，EI收录6篇），获得多项国家专利。国外多个SCI刊源期刊MMTA，JMSE等审稿人，国际会议CMSE等大会学术委员会委员等。 一直致力于整车轻量化集成技术与车用材料性能应用技术研究领域，为国内外多家企业提供轻量化及新材料应用相关技术解决方案。