【中国汽车材料网】目前，轻量化技术在汽车高品质和可持续性设计中发挥了重要作用。现代车辆开发的目标不一定是减重，而是采用系统的方法，综合考虑轻量化潜力、成本、全生命周期内对环境的影响、以及相关技术的发展等方面。本文介绍了在欧盟项目（Affordable Lightweight Auto-mobiles）中开发的一种系统的轻量化设计方法，并通过减震塔的轻量化设计进行验证。新减震塔在重量减轻的同时，还降低了成本和二氧化碳排放量。
02 ETWA（Extended Target Weighing Approach）设计方法
现代产品开发的一种趋势是个性化的，因此，必须使客户尽早参与开发过程。这可以通过使用开放式解决方案来实现。基于产品的功能性目标将产品转换为功能化的抽象概念，然后进行系统分析。实施到具体案例中时，这种功能化的抽象概念还将有利于帮助产品开发人员激发创造力。
本项目开发了一种ETWA设计方法，旨在实现价格合理、生态性佳且轻量化的设计。该方法将目标成本和生态价值的基本思想抽象到轻量级设计过程中。为产品的某一功能分配一定比例的质量、成本和基于二氧化碳排放量的生态性。质量、成本、二氧化碳排放量的权重可根据公司的实际情况制定。ETWA的工作流程如图1所示。
（1）多目标优化
具体实施时，还需要基于在经验和技术的基础上进行多学科的多目标优化，从而确定最佳的工艺参数。此外，还要考虑各种物理性能（如机械性能、声学性能）和非物理性因素（如成本、对环境的影响）之间的平衡。
（2）成本评估模型
先进的轻量化技术的应用通常涉及相当大的成本，主要是由于新材料价格高和生产工艺复杂而造成的。另外，还需要考虑到组装过程中产生的成本，尤其是连接技术的成本。本项目开发出一种建模方法，可以估算和比较不同轻量解决方案的成本差异。这种方法可以在开发过程的早期阶段实现成本的客观化评估，将不同的轻量化设计技术进行比较。
（3）对环境造成的影响
在车辆中轻量化设计技术的生态评估中，不仅需要分析使用阶段的效益，而且还包括生命周期其他阶段的影响。由于原材料在提取和加工过程中能量密集，也会造成轻质材料的应用和回收过程中具有较高的碳足迹。因此，如果可以减少在整个生命周期中碳排放占比更高的负面环境因素，则材料的使用才有意义。开发轻质材料的可持续利用性也很重要，这种策略适用于整车和零部件。
03 减震塔的轻量化设计与优化
该项目使用2016年Opel Astra车型的减震塔作为原型。首先采用ETWA方法，确定与减震塔相关的功能，具体如图2。在功能分析之后，对减震塔各个组件进行定量分析。表1给出了质量、成本和GWP（全球变暖潜势）结果。
最后，进行轻量化方案的搜索。在上述案例中，质量、成本和全球升温潜能值这三个因素被平均加权。在此假设下，减震塔的13个已识别功能中有9个具有轻量化设计、成本、碳排放的优化潜力。潜力最大的功能是“传递支撑力”，因为它具有很高的相关性，减震塔的所有组件都有助于实现此功能。设计和更改材料的使用可以帮助减少此功能的工作量。
04 材料设计
研究小组基于减震塔的分析提出了多种轻量化解决方案，并将其整合到减震塔的设计中，进行可行性评估。由此产生了五种不同的材料设计，具体如图3。
在确保部件的可制造性和集成性的多阶段优化迭代之后，从轻量化、成本、环境影响和技术不确定性等方面考虑，将对不同方案进行比较。另外，对减震塔最有前景的轻量化解决方案（D和E）进行了刚度分析。具体相关的评估结果如表2所示。最终，选择了E方案。E方案的特点是在轻量化和环境方面做出了较大的贡献，而每公斤节省3欧元的成本目标略有超出，但可以接受，且E方案完全满足了减震塔的刚度要求。
05 小结
项目结果表明，综合考虑环境影响的低成本的轻量化解决方案是可以实现的。使用ETWA设计方法，创新地进行功能性优化和评估，实现了轻量级设计。且该方法也实现了满足强度基础上的多材料混合应用设计。新方法在产品开发早期就实现了轻量化、成本和环境影响性的综合评估。
