孟憲明，高級(jí)工程師、博士

        專家簡(jiǎn)介

        孟憲明，博士，高級(jí)工程師，學(xué)科帶頭人，汽車輕量化與材料性能研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人，主要從事汽車輕量化技術(shù)與車用新材料性能研究與應(yīng)用技術(shù)工作，主持完成30余項(xiàng)企業(yè)項(xiàng)目，主持或參與完成多項(xiàng)科研項(xiàng)目，其中國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目2項(xiàng)、省部級(jí)項(xiàng)目1項(xiàng)。出版專著1部，發(fā)表論文45篇（SCI收錄16篇，EI收錄6篇），獲得多項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利，9項(xiàng)國(guó)家軟件著作權(quán)。國(guó)外多個(gè)SCI刊源期刊MMTA，JMSE等審稿人，國(guó)際會(huì)議CMSE等大會(huì)學(xué)術(shù)委員會(huì)委員等。 一直致力于整車輕量化集成技術(shù)與車用材料性能應(yīng)用技術(shù)研究領(lǐng)域，為國(guó)內(nèi)外多家企業(yè)提供輕量化及新材料應(yīng)用相關(guān)技術(shù)解決方案。

 

        電池聯(lián)盟：新能源汽車輕量化是未來的發(fā)展趨勢(shì)，請(qǐng)問，新能源汽車輕量化的技術(shù)思路與途徑有哪些？

 

        孟憲明：近年來，以純電動(dòng)汽車為代表的新能源汽車研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化勢(shì)頭迅猛，與傳統(tǒng)汽車相比，由于受電池重量及續(xù)航里程因素的影響,對(duì)車重更加敏感。輕量化成為橫在電動(dòng)汽車發(fā)展過程中需要解決的關(guān)鍵問題，更需要輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)作為提高產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化成熟度的技術(shù)支撐。新型輕質(zhì)材料應(yīng)用以及多材料車身技術(shù)是深挖減重潛力的主要發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)前電動(dòng)汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展，更加體現(xiàn)了將合適材料應(yīng)用在合適位置，用合適工藝實(shí)現(xiàn)其性能設(shè)計(jì)的汽車輕量化開發(fā)思路與理念。電動(dòng)汽車輕量化是一項(xiàng)集成多學(xué)科領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)的綜合性工程技術(shù)，它集材料性能開發(fā)與應(yīng)用、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、先進(jìn)連接與成形技術(shù)等各方優(yōu)勢(shì)于一體。

 

        新能源汽車輕量化途徑應(yīng)從兩個(gè)重點(diǎn)方面入手：一方面是實(shí)現(xiàn)整車輕量化的技術(shù)途徑，首先是新型輕質(zhì)材料的應(yīng)用，比如超高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎂合金、工程塑料以及纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等；其次是車身結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，這方面主要是通過CAD/CAE/CAM一體化分析技術(shù)進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì),在滿足整車各項(xiàng)性能指標(biāo)基礎(chǔ)上，通過全尺寸參數(shù)優(yōu)化，靈敏度分析、形狀拓?fù)鋬?yōu)化以及截面優(yōu)化等技術(shù)手段優(yōu)化材料的合理匹配、減薄零部件壁厚、減少零部件數(shù)量等方面；最后通過先進(jìn)制造與連接工藝的應(yīng)用，如采用激光拼焊、輥沖成形、輥壓成形、熱成形、內(nèi)高壓成形等先進(jìn)制造技術(shù)以及膠粘、鉚接等先進(jìn)連接技術(shù)來降低整車總質(zhì)量；另外一方面是動(dòng)力能源輕量化，其中包括提高現(xiàn)有新能源電池的比能量或開發(fā)新一代動(dòng)力能源電池，使其單位體積的電源能量與自身重量的比值增大，續(xù)航能力增強(qiáng)。

 

        電池聯(lián)盟：目前來說，由于成本昂貴，在民用車領(lǐng)域，使用最多的輕量化材料無(wú)疑是鋁合金，請(qǐng)問鋁合金白車身的優(yōu)缺點(diǎn)是什么？

 

        孟憲明：首先我們要定義一下什么是鋁合金白車身，在汽車設(shè)計(jì)中白車身的英文簡(jiǎn)稱為BIW，指的是汽車的主框架結(jié)構(gòu)，不包含四門兩蓋和底盤等零部件系統(tǒng)。因此，我們把汽車的主框架結(jié)構(gòu)都是由鋁合金制成的車身稱為鋁合金白車身或者全鋁白車身。雖然鋁合金車身中的材料都是鋁合金，但是其不同部位應(yīng)用的牌號(hào)以及后續(xù)固溶處理工藝是不一樣的，這是由于車身不同部位在各項(xiàng)性能中承擔(dān)的作用不同，因此需要不同強(qiáng)度性質(zhì)的鋁合金及成型工藝與之對(duì)應(yīng)。

 

        那么使用鋁合金車身的優(yōu)勢(shì)是什么？首先最重要的一點(diǎn)就是輕量化。因?yàn)殇X合金的密度為2.7，而鋼的密度為7.8，這樣采用“全鋁車身”與傳統(tǒng)鋼制車身相比，一般可帶來100kg以上的輕量化效果，而車身質(zhì)量的降低還會(huì)帶來整車動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性以及操控穩(wěn)定性的提升，這也是“全鋁車身”最核心的優(yōu)勢(shì)。

 

        其次，鋁合金部件吸能特性要優(yōu)于鋼鐵材料，“全鋁車身”中的碰撞吸能區(qū)將給車輛帶來更好的碰撞安全性能，減少乘員在碰撞時(shí)受到的沖擊，使得車身變得更加安全。最后，由于鋁合金性質(zhì)的原因，其在空氣中可以自動(dòng)在表層形成一層致密的氧化膜，從而提高汽車表面抗腐蝕能力，因此“全鋁車身”在使用耐久性上會(huì)比傳統(tǒng)鋼制車身略勝一籌。

 

        但是全鋁車身也存在著一定的劣勢(shì)。首先鋁合金板材的成型難度較高、成本也較高，鋁合金板材成型性與局部拉延性不如鋼鐵材料好，拉延區(qū)域局部容易產(chǎn)生裂紋，且回彈難以控制，導(dǎo)致樣件尺寸精度不容易控制，鋁的焊接工藝技術(shù)難度和成本也較鋼鐵材料高。其次，鋁合金維修困難，維修費(fèi)用較高。鋁的延展性很差，而且加工困難，一旦發(fā)生事故，“全鋁車身”的修復(fù)就比較復(fù)雜了，維修費(fèi)用也比鋼制車身要高很多。

 

        最后，由于鋁硬度比鋼低，其耐摩損性能不如鋼，在生產(chǎn)和運(yùn)輸中的碰撞和各種粉塵附著等原因使鋁制零部件表面容易產(chǎn)生碰傷、劃傷等缺陷，物流困難，不能象鋼板那樣搬運(yùn)和傳遞。

 

        新能源汽車輕量化是大勢(shì)所趨，以輕著稱的鋁合金在汽車上使用量也將會(huì)越來越多，“全鋁車身”作為一些新能源車企輕量化的核心技術(shù)之一，也是這種趨勢(shì)的重要體現(xiàn)。對(duì)于未來輕量化車身的走勢(shì)，不管是“全鋁車身”，“鋼鋁混合車身”還是“多材料混合車身”，鋁合金在其中的應(yīng)用都是大量的，也對(duì)車身輕量化的實(shí)現(xiàn)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

 

        電池聯(lián)盟：像奧迪A8這樣的“全鋁車身愛好者”，在發(fā)展到第三代的時(shí)候發(fā)現(xiàn)了全鋁車身的一些問題。從第二代到第三代，奧迪的ASF車身就已經(jīng)為了妥協(xié)側(cè)向安全性，從全鋁變成了含8%鋼的車身，而今發(fā)展到第四代A8，為了提高安全性和整車剛性，其鋼的含量占到了40%左右。為何全鋁車身會(huì)“慘遭嫌棄”，這是否暴露了全鋁車身安全性能比較差？

 

        孟憲明：  “慘遭嫌棄”這個(gè)詞說的有些嚴(yán)重了，這里我先講解一下車身結(jié)構(gòu)耐撞性設(shè)計(jì)的原理性問題，車身結(jié)構(gòu)耐撞性設(shè)計(jì)核心目的是為了保護(hù)乘員安全，對(duì)于車身整體結(jié)構(gòu)來說可以分為幾個(gè)不同功能領(lǐng)域，分別為前艙，成員艙和后艙，前艙和后艙在碰撞中主要起吸能作用（對(duì)應(yīng)前碰和后碰工況），盡量把車身碰撞的動(dòng)能吸收掉，減少乘員在碰撞時(shí)受到的沖擊，而成員艙就像一個(gè)堅(jiān)實(shí)的防護(hù)框架來保護(hù)乘員不受侵害，保證其完整的生存空間，特別是針對(duì)側(cè)面碰撞工況（移動(dòng)壁障以及側(cè)面柱碰），對(duì)乘員艙的剛度要求是非常高的。概括的說就是前后艙設(shè)計(jì)吸能性好，成員艙設(shè)計(jì)剛度高來保護(hù)乘員生存空間�；�于上述理論分析不難發(fā)現(xiàn)，全鋁車身要做好耐撞性設(shè)計(jì)也要遵循上述原則。雖然鋁合金零部件的吸能特性是非常好的，但是其強(qiáng)度不高，因此如果將其用在乘員艙位置，就要求通過增加厚度或應(yīng)用高強(qiáng)度鋁合金來保證成員艙的剛度要求，以滿足側(cè)面碰撞（移動(dòng)壁障以及側(cè)面柱碰）的安全性要求。

 

        但是隨著全球安全體系的要求一年比一年嚴(yán)格，如果要達(dá)到全球安全體系的標(biāo)準(zhǔn)，就要求其成員艙鋁合金厚度和合金強(qiáng)度要不斷的提升以應(yīng)對(duì)車身耐撞性指標(biāo)的提升，這樣一方面導(dǎo)致了鋁合金制造成本和難度的增加，另一方面也增加了鋁合金車身的質(zhì)量，原來由于其密度低而呈現(xiàn)的輕量化優(yōu)勢(shì)被厚度增加給掩蓋了，導(dǎo)致其輕量化優(yōu)勢(shì)降低。因此，在乘員艙位置應(yīng)用熱成型鋼（超高強(qiáng)度鋼）來增加剛度保護(hù)乘員艙完整性，這種方案變得更加合理，得到的輕量化效果也更為顯著。當(dāng)然，雖然鋁合金強(qiáng)度不及熱成型鋼，但這不代表鋁合金材料完全沒有優(yōu)勢(shì)，其在吸能方面的優(yōu)勢(shì)是顯而易見不可取代的，因此鋁合金材料就被設(shè)計(jì)在具備比較充足緩沖區(qū)的前艙和后艙部位。

 

        至于說未來鋼鋁混合車身一定是車身設(shè)計(jì)的趨勢(shì)嗎？短期內(nèi)來看，不管是成本角度還是性能開發(fā)方面這種車身優(yōu)勢(shì)很大，但要放眼未來，也許還有更多更優(yōu)秀的材料可以替換其中，但不變的是本文開頭提出的輕量化開發(fā)理念，“將合適材料應(yīng)用在合適位置，用合適工藝實(shí)現(xiàn)其性能設(shè)計(jì)的汽車輕量化開發(fā)思路與理念”。未來的輕量化車身結(jié)構(gòu)將是一個(gè)多材料混合車身結(jié)構(gòu)，多種材料各盡其能，用先進(jìn)的工藝實(shí)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)特性，由于汽車是一個(gè)綜合類較強(qiáng)的民用商品，因此成本，性能以及感官之間的關(guān)系也比較密切，在未來，只有在合適的地方用合適的材料與結(jié)構(gòu)，才是最理想的車身。

 

        電池聯(lián)盟：鋁合金零部件強(qiáng)度雖然不及熱成型鋼的，但是它的吸能性是它的一個(gè)優(yōu)勢(shì)，能給我們簡(jiǎn)單介紹一下這個(gè)特性嗎？

 

        孟憲明：雖然鋁合金材料的屈服強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度以及流變應(yīng)力與熱成型鋼比差距很大。但是，由于鋁合金微觀結(jié)構(gòu)為面心立方結(jié)構(gòu)，其變形滑移系較多，塑性比馬氏體熱成型鋼好很多。另外，鋁合金零部件成型方法較多，如擠壓成型，沖壓成型，鑄造成型等。這幾種成型工藝可以制造出多種形狀的零部件，滿足車身不同部位的需求，而最常被應(yīng)用于吸能部件成型方法為擠壓成型，擠壓成型方法可以制造出多種截面形狀的吸能部件，如口子型，日字型，目字型，菱形以及多胞型截面形狀，而且制造出的吸能結(jié)構(gòu)不存在傳統(tǒng)鋼制部件的焊接連接邊，這使吸能構(gòu)件結(jié)構(gòu)完整性更好，所以擠壓成型鋁合金部件的吸能壓潰性會(huì)更均勻，吸能特性更好。國(guó)內(nèi)外的高校和研究機(jī)構(gòu)也公開發(fā)表了關(guān)于鋁合金梁吸能的研究結(jié)果，研究結(jié)果都說明鋁合金部件具有優(yōu)異的吸能特性，其壓潰穩(wěn)定性也比鋼制部件好很多。例如特斯拉的models車身的前部吸能區(qū)應(yīng)用的就是擠壓成型的鋁合金吸能盒和前縱梁，其在碰撞過程中表現(xiàn)出了優(yōu)秀的吸能特性。如今，不單是全鋁車身，包括現(xiàn)上市的一些鋼鋁混合車身，以及鋼制車身，很多車身前艙吸能結(jié)構(gòu)中都應(yīng)用了擠壓成型鋁制部件作為主要吸能結(jié)構(gòu)，從中可以看出鋁制部件在車身結(jié)構(gòu)吸能應(yīng)用中的重要性。

 

        電池聯(lián)盟：固態(tài)電池于近年被視為可以繼承鋰離子電池地位的電池，因其具有體積小與密度高的優(yōu)勢(shì)，成為車廠發(fā)展車體輕量化的重要考量，它對(duì)于新能源汽車輕量化起到什么樣的作用？

 

        孟憲明：首先從原理上講，固態(tài)電池與電解液鋰電池并無(wú)明顯區(qū)別，他的主要優(yōu)勢(shì)是：1.能量密度更高2.運(yùn)行更安全。

 

        其次，由于其自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，固態(tài)電池可以讓更多帶電離子聚集在一端，能夠傳導(dǎo)更大的電流，電池容量隨之提升。由于固態(tài)鋰電池正負(fù)極之間的距離大幅縮減，甚至只有幾到十幾個(gè)微米，使得整個(gè)電池系統(tǒng)的能量密度得到提升，這種改變給新能源電動(dòng)車帶來的優(yōu)勢(shì)就是電池系統(tǒng)質(zhì)量更輕，續(xù)航能力更強(qiáng)。

 

        隨著電池技術(shù)的不斷進(jìn)步，無(wú)論是液態(tài)還是固態(tài)電池都會(huì)在單位體積的能量密度上面得到提升，帶來的新能源輕量化效果也主要集中在本文前面提到的“動(dòng)力能源輕量化”這部分，不僅可以帶來續(xù)航里程的提升，也會(huì)給用戶帶來更多良好的體驗(yàn)�？梢哉f，電池技術(shù)與新能源汽車輕量化技術(shù)是相鋪相成的關(guān)系，兩者的相互進(jìn)步與促進(jìn)都是使新能源汽車能夠更好的為用戶服務(wù)。另一方面，隨著電池單體能量密度的提升，需要在電池包安全防護(hù)設(shè)計(jì)上面更為重視，一些新型的輕量化結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)方法以及新型高強(qiáng)輕量化材料也會(huì)被大量的應(yīng)用，確保電池包高能量體安全可靠性。

 

        電池聯(lián)盟：中汽中心工程院汽車輕量化團(tuán)隊(duì)在為行業(yè)共性技術(shù)服務(wù)上面都取得了那些成果？

 

        孟憲明：中汽中心汽車工程院輕量化與材料性能研究團(tuán)隊(duì)在解決行業(yè)共性關(guān)鍵技術(shù)中碩果累累，中汽中心汽車工程研究院汽車輕量化與材料性能研究團(tuán)隊(duì)一直致力于整車輕量化與材料應(yīng)用性能等關(guān)鍵共性技術(shù)研究工作，完成多項(xiàng)國(guó)家及省部委科研課題，其中包含國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等關(guān)鍵共性技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目，并與國(guó)內(nèi)高校、企業(yè)以及科研單位形成聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室共同突破材料與輕量化關(guān)鍵共性技術(shù)。

 

        同時(shí)，團(tuán)隊(duì)基于工程開發(fā)以及科研類項(xiàng)目，建立了車用多材料與接頭的精準(zhǔn)建模方法，材料與接頭的斷裂失效行為模擬仿真技術(shù)，形成了材料-工藝-性能一體化的輕量化設(shè)計(jì)開發(fā)方法，構(gòu)建了覆蓋國(guó)內(nèi)車用材料種類的，可直接應(yīng)用于CAE仿真分析的材料性能數(shù)據(jù)庫(kù)及接頭性能數(shù)據(jù)庫(kù)兩大數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，構(gòu)建了應(yīng)用于新能源汽車安全設(shè)計(jì)的電池單體動(dòng)態(tài)力學(xué)仿真模型以及電池包碰撞安全仿真方法。為多家企業(yè)提供了基于多目標(biāo)的車身結(jié)構(gòu)輕量化解決方案，對(duì)整車進(jìn)行有效減重的同時(shí)也提升了相關(guān)性能指標(biāo)。團(tuán)隊(duì)已為國(guó)內(nèi)數(shù)十家自主品牌汽車企業(yè)和材料零部件企業(yè)提供了輕量化與材料等相關(guān)一體化解決方案與數(shù)據(jù)庫(kù)支持，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，提升了國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)輕量化技術(shù)水平，促進(jìn)了國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)輕量化共性技術(shù)的進(jìn)步。