奔驰宝马使用Granta寻找新材料突破汽车轻量化创新案例

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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导读：根据中国汽车工程学会发布的《节能与新能源汽车技术路线图2.0版》等相关资料，我们看到，在“低碳化、信息化、智能化”的发展趋势下，随着近几年来以互联网、大数据、云计算、人工智能、新能源、新材料等技术为代表的新一轮科技革命和产业变革的影响不断加深，“低碳化、信息化、智能化”也在进一步扩展、内涵更加丰富，不断向纵深发展。

一、汽车产业变革与技术发展趋势

《节能与新能源汽车技术路线图 2.0版》围绕着产业总体 9大技术发展方向制定了“1 9”技术路线图，主要围绕着节能汽车、纯电动与插电混动、氢燃料电池、智能网联、动力电池、轻量化、智能制造等多个分支。

根据技术路线图，轻量化领域以完善高强度钢应用体系为重点，中期以形成轻质合金应用体系为方向，远期以形成多材料混合应用体系为目标。对于轻量化系数总体目标，要求2025年/2030年/2035年燃油乘用车轻量化系数分别降低 10%/18%/25%，纯电动乘用车轻量化系数分别降低15%/25%/35%，载货车、牵引车、客车也都提出了对应的目标要求。

图片来源：节能与新能源汽车技术路线图 2.0版

二、轻量化对汽车发展的意义

由于环保和节能的需要，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。实验证明，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%—8%；汽车整备质量每减少100公斤，百公里油耗可降低0.3—0.6升；汽车重量降低1%，油耗可降低0.7%。

与《节能与新能源汽车技术路线图1.0版》相比，《节能与新能源汽车技术路线图 2.0版》将研究工作的重心由降低整车整备质量转向了降低整车轻量化系数。围绕未来节能汽车、新能源汽车和智能网联汽车的发展需求，结合自主品牌发展环境，汽车轻量化技术路线图提出近期以完善高强度钢应用体系为重点，中期以形成轻质合金应用体系为方向，远期形成多材料混合应用体系为目标。

根据《汽车轻量化行业研究：趋势明确，结构件一体压铸推动制造革命》一文的介绍，提升轻量化系数的实质是在不影响静态扭转刚度甚至提升静态扭转刚度的前提下减少单位面积的白车身骨架质量。因此，汽车轻量化不是简单地减少重量，而是综合汽车耐撞性、刚度强度性能、安全性、经济性的系统工程。

三、汽车轻量化的主要技术方向

从目前国际通行的研究方向来看，结构轻量化、工艺轻量化、材料轻量化是汽车轻量化的三个主要技术方向。

材料轻量化是从源头减轻汽车的重量，也是最容易实现突破的方向。材料轻量化主要使用的轻量化材料有铝合金、镁合金、碳纤维、工程塑料、高强度钢等，目前轻量化材料应用最广泛的领域是航空，随着新材料的不断推出以及材料成本的降低，未来也将更多的应用于汽车领域。

图片来源:

https://www.mckinsey.com/~/media/mckinsey/dotcom/client_service/automotive%20and%20assembly/pdfs/lightweight_heavy_impact.ashx

四、ANSYS Granta Selector在汽车轻量化中的应用

从正向设计的角度去看，该如何为产品找到合适的轻量化材料呢？

由于汽车的轻量化系数并不是简单的追求最轻的重量，而是要综合考虑汽车重量、刚度、强度、安全性、经济性等，这就为产品设计带来了新的挑战。选材需要考虑的因素之多，如果缺少有效的方法，那么就很难面面俱到，选出合适的材料。

Ansys Granta Selector是以系统化选材方法论为基础，提供大量的材料数据供选材比较，以图形化的界面帮助用户创建图表、添加材料优选条件。可以为材料属性的任何组合制作材料属性图表。探索材料属性空间，预估生产成本，支持材料优选决策制定，并可将结果自动生成材料优选报告。

Ansys Granta Selector适用于各行各业，在汽车行业，国外汽车厂商大量使用Granta Selector寻找新材料以解决汽车轻量化的问题。

2007年，新款Smart的供应商希望寻找一种新的材料以替换Sheet steel YS140作为汽车门板的材料，希望能够通过新材料给车门减重30%以上，同时该材料需要足够坚固能够满足汽车门板的要求。通过使用Granta Selector迅速寻找到了数种合适的候选材料，并且预估了不同材料的单位生成成本，最后选择了20%滑石填充聚丙烯作为新的汽车门板材料，成功减少了35%的原材料重量。

另外，宝马汽车的供应商，也通过Granta Selector为变速箱横梁找到了新的轻量化材料，并获得了创新奖。

五、材料信息与汽车轻量化

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