工程機(jī)械設(shè)計(jì)中輕量化技術(shù)的應(yīng)用研究

摘要：隨著科技水平的不斷提升，我國(guó)的工業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)改革得到了進(jìn)一步的深化發(fā)展。但是，機(jī)械設(shè)備存在體積大、質(zhì)量大、運(yùn)輸困難的問(wèn)題，仍然對(duì)工業(yè)生產(chǎn)、工程建設(shè)等造成諸多阻礙。故加強(qiáng)工程機(jī)械的輕量化設(shè)計(jì)，對(duì)推動(dòng)我國(guó)工程機(jī)械設(shè)計(jì)改革深化有著重要的現(xiàn)實(shí)意義?；诖耍瑢?duì)輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)在工程機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了探討，以供參考。

關(guān)鍵詞：工程機(jī)械設(shè)計(jì)；輕量化技術(shù)；結(jié)構(gòu)裝配1工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)相關(guān)概述

工程機(jī)械的輕量化設(shè)計(jì)是在原有結(jié)構(gòu)上，采用調(diào)整制造材料、改善制造工藝、優(yōu)化結(jié)構(gòu)裝配方式等手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)備自重的有效降低，達(dá)到工程機(jī)械減重的效果。輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用關(guān)鍵在于同時(shí)實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械的自重、耗能、成本的全面控制，提高工程機(jī)械的工程性能，達(dá)到提高機(jī)械設(shè)備工作性能與運(yùn)行效率的目的。輕量化技術(shù)在工程機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用具備較強(qiáng)的系統(tǒng)性，能夠在整體上實(shí)現(xiàn)對(duì)工程機(jī)械性能質(zhì)量、制造成本等的有效優(yōu)化［1］。

2工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀分析

在我國(guó)的工程機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中，輕量化技術(shù)應(yīng)用前景廣闊，推動(dòng)我國(guó)工程機(jī)械設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)綠色節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展等方面發(fā)揮了重要作用。當(dāng)前，我國(guó)工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)理念越發(fā)深入貫徹到各個(gè)企業(yè)中，許多企業(yè)的戰(zhàn)略規(guī)劃逐步將輕量化設(shè)計(jì)納入重要規(guī)劃內(nèi)容。但整體而言，我國(guó)工程機(jī)械設(shè)計(jì)輕量化技術(shù)的應(yīng)用仍然存在諸多難點(diǎn)，許多設(shè)計(jì)瓶頸難以突破。比如，許多工程機(jī)械設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)理念較為傳統(tǒng)、固化、保守，缺乏對(duì)輕量化設(shè)計(jì)的正確認(rèn)識(shí)與準(zhǔn)確把握，在實(shí)施輕量化設(shè)計(jì)過(guò)程中運(yùn)用的手段較為單一、許多新型輕量化材料未能得到很好的利用、先進(jìn)的輕量化工藝應(yīng)用效果差強(qiáng)人意，普遍存在工程機(jī)械新舊型號(hào)重合的現(xiàn)象，輕量化設(shè)計(jì)存在著較大的發(fā)展空間。我國(guó)的工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)現(xiàn)狀仍然處于發(fā)展的初級(jí)階段，許多核心技術(shù)體系的建設(shè)不夠完善，應(yīng)用過(guò)程也存在急需攻克的難題，理論基礎(chǔ)仍待夯實(shí)。即便是一些應(yīng)用了輕量化技術(shù)的工程機(jī)械設(shè)計(jì)，減重、增效、降耗等效果也與預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)相去甚遠(yuǎn)，此外，即便有些應(yīng)用了輕量化技術(shù)的工程機(jī)械，在后續(xù)的使用過(guò)程中仍出現(xiàn)了性能下降的問(wèn)題。由此可見(jiàn)，在當(dāng)前我國(guó)的工程機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中輕量化技術(shù)的應(yīng)用依然任重道遠(yuǎn)，相關(guān)企業(yè)、技術(shù)人員需進(jìn)一步提高重視程度，投入更多的資金資源、時(shí)間精力，加強(qiáng)對(duì)輕量化技術(shù)在工程機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研發(fā)與創(chuàng)新，推動(dòng)我國(guó)工程機(jī)械設(shè)計(jì)改革的深化［2］。

3輕量化技術(shù)在工程機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1輕量化材料的應(yīng)用

在工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)過(guò)程中，較為常用的輕量化材料主要包括以下幾種類(lèi)型：

（1） 高強(qiáng)鋼。這種材料具有比一般鋼材料更高的剛度與抗疲勞強(qiáng)度，并且沖擊成型效果較好，尤其是具備一定的可焊接性與可涂漆性，在工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)中有著較高的可應(yīng)用性。鋼材料在工程機(jī)械制造中占比較大，采用高強(qiáng)度鋼能夠有效降低機(jī)械設(shè)備的質(zhì)量，且提高了機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與使用性能。

（2） 鋁合金材料。這種材料的自重較輕，甚至有些密度僅為鋼材料的30%，但是卻具備鋼材料2倍以上的能量吸收能力，在工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)中的合理使用，能夠有效降低工程機(jī)械自重的同時(shí)，提高工程機(jī)械碰撞的安全性能，較好地滿(mǎn)足了工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)需求。此外，鋁合金材料的彈性模量較低，擠壓性能較強(qiáng)，很好地彌補(bǔ)了機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)剛性的不足。結(jié)合對(duì)加工裝配技術(shù)的應(yīng)用，鋁合金提高了工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)的可行性，尤其在駕駛室等關(guān)鍵部件的輕量化設(shè)計(jì)中有著較為廣泛的應(yīng)用前景。

（3） 聚合物及復(fù)合材料。隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，各類(lèi)非金屬材料在工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)中取得了優(yōu)異的成績(jī)。相比于傳統(tǒng)的金屬材料，非金屬類(lèi)材料既具有了美觀的特征，又達(dá)到了輕質(zhì)的需求，這類(lèi)材料自身造價(jià)成本較低，還具有較高的耐腐蝕性能，不僅可以有效降低工程機(jī)械的制造成本，還能保障工程機(jī)械的性能。目前，PP、PE、PVC、ABS、PA等工程塑料，以及一些復(fù)合材料是工程機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用最為普遍的非金屬材料。此外，碳纖維、玻璃纖維等高分子復(fù)合材料在工程機(jī)械牽引件、發(fā)動(dòng)機(jī)罩等輕量化設(shè)計(jì)應(yīng)用中取得了較為明顯的減震、降噪、美觀效果。

3.2輕量化工藝的應(yīng)用

輕量化工藝的合理應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。通過(guò)將輕量化技術(shù)和各種新興科技有效結(jié)合，實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的機(jī)械噴壓、焊接、鎖錨等工藝措施，可達(dá)到提高工程機(jī)械設(shè)計(jì)精度和使用性能的目的。較為常見(jiàn)的輕量化工藝應(yīng)用如下：

（1） 激光定制焊接工藝在工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用具備較高的適配度，適用于多種施工方法、手段，尤其是能夠通過(guò)減少零件數(shù)量、零件薄化、去點(diǎn)焊法蘭等方式，實(shí)現(xiàn)較好的控制效果。

（2） 熱沖壓成型工藝主要應(yīng)用于對(duì)高強(qiáng)度鋼材料狀態(tài)的轉(zhuǎn)化，將其沖壓成為工程機(jī)械設(shè)計(jì)所需的形狀，并提高構(gòu)件的恒定壓力。其中在奧氏體化狀態(tài)下的高強(qiáng)鋼材料沖壓成模過(guò)程中，需要確保模具內(nèi)部的冷卻速度大于27 ℃/s，才能獲得較好的成型效果。

（3） 液壓成型工藝具備操作簡(jiǎn)單、效率高的特點(diǎn)，在工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)顯著，尤其是在可變形高強(qiáng)度材料輕量化設(shè)計(jì)與加工中的應(yīng)用較為普遍。整個(gè)應(yīng)用過(guò)程應(yīng)重視材料預(yù)成型、成型、校準(zhǔn)環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制。與壁薄液壓成型技術(shù)搭配應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)復(fù)雜零件、大型工件、凹槽較少的零件的輕量化加工。（4）鋁合金壓鑄新技術(shù)融合了對(duì)鋁合金材料的鑄造壓鑄、軋制、擠壓、沖壓等多個(gè)環(huán)節(jié)，很好地解決了材料變形、孔洞等表面缺陷問(wèn)題，同時(shí)與沖壓壓鑄、無(wú)孔壓鑄、針孔壓鑄等先進(jìn)技術(shù)的搭配應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)輕量化部件性能的進(jìn)一步提升。

3.3結(jié)構(gòu)裝配優(yōu)化

輕量化材料、工藝的應(yīng)用，大幅提高了我國(guó)工程機(jī)械設(shè)計(jì)的輕量化水平。加強(qiáng)對(duì)工程機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)裝配方式的持續(xù)改進(jìn)，能夠進(jìn)一步提高工程機(jī)械設(shè)計(jì)的輕量化水平。在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員需加強(qiáng)先進(jìn)設(shè)計(jì)理念的融合應(yīng)用，加強(qiáng)對(duì)新型、先進(jìn)工程機(jī)械設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的積極探索與主動(dòng)創(chuàng)新，不斷優(yōu)化機(jī)械的整體結(jié)構(gòu)。在工程機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配優(yōu)化過(guò)程中，需重視對(duì)尺寸、冗余設(shè)備、部件的合理調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械性能與輕量化設(shè)計(jì)之間關(guān)系的合理協(xié)調(diào)，提高工程機(jī)械設(shè)備的工作性能，實(shí)現(xiàn)高效的輕量化設(shè)計(jì)。具體而言，首先在初期設(shè)計(jì)階段，應(yīng)用有限元分析（FEA）對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)性能評(píng)估。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，識(shí)別應(yīng)力集中區(qū)域和潛在的結(jié)構(gòu)弱點(diǎn)。這一過(guò)程可以幫助設(shè)計(jì)人員選擇合適的輕量化材料，如高強(qiáng)度鋁合金、鎂合金及復(fù)合材料，替代傳統(tǒng)材料，降低整體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。其次，采用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。拓?fù)鋬?yōu)化通過(guò)在設(shè)計(jì)空間中識(shí)別材料分布的不必要部分，進(jìn)而減少冗余，提高材料的使用效率。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際工藝需求，調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，使得結(jié)構(gòu)在承受預(yù)定負(fù)載的同時(shí)，達(dá)到最佳的質(zhì)量強(qiáng)度比。此外，集成輕量化設(shè)計(jì)與制造工藝，如選擇高精度的數(shù)控加工和增材制造技術(shù)（3D打?。?，有助于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)。在結(jié)構(gòu)裝配優(yōu)化過(guò)程中，需要重點(diǎn)關(guān)注部件的幾何尺寸與裝配公差。通過(guò)運(yùn)用高精度的測(cè)量與控制技術(shù)，如激光掃描和三維測(cè)量系統(tǒng)，確保各部件的裝配精度和穩(wěn)定性。引入虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行裝配模擬，優(yōu)化裝配順序和工藝參數(shù)，能夠有效提升裝配效率和結(jié)構(gòu)的整體性能［3］。

3.4仿真設(shè)計(jì)

在工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)領(lǐng)域，仿真設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)較為明顯。借助仿真技術(shù)，以虛擬的方式對(duì)輕量化材料、工藝的應(yīng)用進(jìn)行最優(yōu)配置模擬，精細(xì)化調(diào)整相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，提高設(shè)計(jì)方案的合理性，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程機(jī)械設(shè)計(jì)的整體優(yōu)化。在工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)過(guò)程中，仿真設(shè)計(jì)的實(shí)施步驟包括幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：

（1） 在進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)之前，需要對(duì)材料的性能及其在不同負(fù)載下的行為進(jìn)行詳盡的建模。利用有限元分析（FEA）技術(shù)，對(duì)輕量化材料的力學(xué)性能、疲勞壽命以及熱傳導(dǎo)特性的模擬，能夠精確預(yù)測(cè)這些材料在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)。具體操作包括建立材料的多尺度模型，通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)模擬材料的宏觀性能，并結(jié)合實(shí)際的工況數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行模型的校準(zhǔn)和驗(yàn)證。

（2） 在仿真設(shè)計(jì)中，需要對(duì)工程機(jī)械的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的建模。這包括對(duì)機(jī)械部件的幾何特征、連接方式及運(yùn)動(dòng)學(xué)特性進(jìn)行精確的定義。通過(guò)運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)（MBD）仿真技術(shù)，可以對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行分析，如受力分析、振動(dòng)分析以及動(dòng)態(tài)負(fù)載下的行為預(yù)測(cè)。此階段的仿真可以幫助識(shí)別設(shè)計(jì)中的潛在弱點(diǎn)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以減輕重量，同時(shí)保持所需的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

（3） 進(jìn)行工藝仿真以評(píng)估制造過(guò)程中可能出現(xiàn)的偏差對(duì)輕量化設(shè)計(jì)的影響。通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬流體在生產(chǎn)過(guò)程中的行為，如冷卻液的流動(dòng)和材料的流動(dòng)性，可以?xún)?yōu)化生產(chǎn)工藝參數(shù)，提高材料的加工質(zhì)量和效率，從而保證輕量化設(shè)計(jì)的實(shí)施效果。

（4） 借助大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對(duì)仿真過(guò)程中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。利用數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，生成具有高精度的設(shè)計(jì)方案。結(jié)合優(yōu)化算法，能夠在設(shè)計(jì)階段對(duì)工程機(jī)械的結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。這些仿真設(shè)計(jì)步驟通過(guò)在虛擬環(huán)境中的模擬測(cè)試，為實(shí)際工程機(jī)械的輕量化設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)和技術(shù)保障。

4結(jié)語(yǔ)

在工程機(jī)械設(shè)計(jì)中，輕量化技術(shù)的應(yīng)用具有顯著的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的前景。材料的優(yōu)化選擇、先進(jìn)工藝的應(yīng)用和結(jié)構(gòu)裝配的改進(jìn)，都可以有效降低機(jī)械設(shè)備的質(zhì)量，提高其性能和效率。然而，當(dāng)前輕量化技術(shù)的應(yīng)用仍面臨許多挑戰(zhàn)，包括設(shè)計(jì)理念的落后、材料利用的不充分以及技術(shù)的瓶頸等。未來(lái)，需進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)輕量化技術(shù)的研究與創(chuàng)新，結(jié)合仿真設(shè)計(jì)和先進(jìn)制造技術(shù)，推動(dòng)工程機(jī)械設(shè)計(jì)的深化改革，實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能和可持續(xù)發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：燕通，男，河北邢臺(tái)人，機(jī)械工程師，本科，從事工程機(jī)械、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)技術(shù)與服務(wù)工作。