Зменшення ваги автомобіля та поліпшення U
JOM том 64, сторінки 1032 - 1038 (2012) Посилання на цю статтю
Анотація
Вступ
У цьому звіті обговорюється взаємозв'язок між вагою транспортного засобу та транспортною енергією США, починаючи з високого погляду на енергетику США, а потім до розуміння того, як маса впливає на ефективність пасажирських та комерційних транспортних засобів. Огляд найбільш перспективних легких матеріалів та значні прогалини у технологіях окреслює необхідність досліджень та розробок у широкому діапазоні матеріалів, застосувань на транспортних засобах та технологій, що сприяють. Нарешті, огляд кількох останніх заходів з обчислювальних матеріалів дає уявлення про те, як проекти з обчислень та ICME, пристосовані до необхідних результатів, надають найкращі можливості для впливу на зменшення ваги автомобіля.
Енергетичний ландшафт США
Загальний потік енергії в США, 2010 (QBtu), з посилання 4
У транспортному секторі споживання енергії поділяється на автомобільні режими, що включають комерційні та пасажирські транспортні засоби, та нешвидкісні, що включають повітряний, залізничний та морський транспорт. Рисунок 2 показує відносне споживання енергії за режимами, демонструючи, що пасажирські та комерційні транспортні засоби (шосейні режими) становлять більшу частину споживання енергії транспорту, більше 5,3 Мбіт на добу нафти. загального енергетичного ландшафту США, і розуміння кількісного співвідношення між вагою та ефективністю необхідно, щоб краще зрозуміти важливість зменшення маси.
Транспортна енергія США, відносне споживання за режимами, 2009. Дані посилання 4
Вплив зменшення ваги транспортного засобу на енергоефективність
Зменшення ваги також може підвищити ефективність важких транспортних засобів, таких як «напівфабрикати», які переміщують значну кількість вантажів по Сполучених Штатах. Характер важких вантажних автоперевезень пропонує інший фокус на впливі зменшення ваги. Хоча паливна ефективність важких транспортних засобів покращується із зменшенням ваги, більш практичне використання зменшення ваги полягає у підвищенні ефективності вантажних перевезень (наприклад, тонн-миль на галон). Наприклад, типовий трактор класу 8 важить приблизно 16000 фунтів, тоді як порожній причіп важить приблизно 13000 фунтів. Повністю завантажена вантажівка має максимально допустиму вагу 80 000 фунтів, що означає, що можна завантажити приблизно 51 000 фунтів вантажу, що становить 64% від загальної ваги. Завдяки такому розподілу ваги зменшення конструктивної ваги трактора та причепа на 50% зменшує лише загальну вагу навантаження на 23%. Замість зменшення загальної ваги, більш ефективним варіантом може бути завантаження вантажівки назад до 80000 фунтів додатковим вантажем, збільшуючи загальну доставлену тоннаж за однакового використання палива.
Матеріалознавчі виклики у легкій вазі
Існує величезна різноманітність матеріалів, що підтримують зменшення ваги автомобіля; однак п'ять категорій показують найбільш перспективні: вдосконалені високоміцні сталі (AHSS), алюмінієві сплави, магнієві сплави, полімерні композити, армовані волокнами (включаючи вуглецеві та скляні волокна), та вдосконалені полімери (без армування волокном). Також розглядаються інші матеріали, такі як композити матричних металів, титанові сплави, нікелеві сплави та вдосконалене скління (скло, полікарбонат тощо), хоча обмежене застосування та значні бар'єри можуть зменшити їх потенціал зменшення ваги. Впровадження будь-якого нового матеріалу у великі обсяги автомобільного виробництва обмежується характеристиками, технологічністю та вартістю. Оскільки проектування та випробування автомобілів зараз в значній мірі залежать від комп’ютерного моделювання, необхідні також точні моделі поведінки матеріалів під час виготовлення та експлуатації автомобіля; крім того, інтеграція цих моделей з даними про матеріали, експериментальними результатами та інструментами моделювання продуктивності та виробництва складає підхід ICME з його супутніми перевагами. Існують значні технічні перешкоди для покращення продуктивності, технологічності, вартості та моделювання для кожної з п’яти основних систем матеріалів, наприклад:
Розширений високий-міцні сталі—Не виявлено мікроструктур, що відповідають вимогам щодо міцності та пластичності AHSS третього покоління; сприйнятливість до локальних відмов під час формування та аварії; труднощі з включенням значної поведінки зміцнення/пом'якшення, пов'язаної з формуванням та приєднанням до моделей обробки та проектування.
Алюмінієві сплави—Ограничена формуваність автомобільних марок при кімнатній температурі; відносно висока вартість листового матеріалу; труднощі з литтям складних, високоміцних деталей; недостатня міцність та/або жорсткість для певних конструкційних застосувань.
Сплави магнію—Дуже низька формуваність листових сплавів при кімнатній температурі; виклик економічно ефективного запобігання гальванічній корозії; недостатня міцність, пластичність і жорсткість для певних конструкційних застосувань; труднощі з включенням унікальної деформаційної поведінки в моделі обробки та проектування.
Клітковина-армовані полімерні композити—Висока вартість вуглецевого волокна; обмежений потенціал зменшення ваги скловолокна; тривалий час циклу для багатьох процесів; складність включення структури на багатьох масштабах у моделі обробки та проектування.