JOM volumul 64, paginile 1032 - 1038 (2012) Citați acest articol

Abstract

Introducere

În acest raport, relația dintre greutatea vehiculului și S.U.A. energia pentru transport este discutată începând cu o imagine de nivel înalt a S.U.A. energie, apoi se îndreaptă spre o înțelegere a modului în care masa afectează eficiența vehiculelor comerciale și de pasageri. O revizuire a celor mai promițătoare materiale ușoare și a unor lacune semnificative în domeniul tehnologiei subliniază necesitatea activității de cercetare și dezvoltare într-o gamă largă de materiale, aplicații pentru vehicule și tehnologii de bază. În cele din urmă, o revizuire a mai multor activități recente de materiale de calcul oferă o perspectivă asupra modului în care proiectele de calcul și ICME adaptate la rezultatele solicitate oferă cea mai bună oportunitate de impact în reducerea greutății vehiculului.

SUA. Peisaj energetic

greutății

Total SUA fluxul de energie, 2010 (QBtu), din Ref. 4

În sectorul transporturilor, consumul de energie este împărțit în moduri de autostradă, care includ vehicule comerciale și de pasageri, și moduri non-autostrăzi, care includ transportul aerian, feroviar și maritim. Figura 2 arată consumul relativ de energie în funcție de mod, demonstrând că vehiculele comerciale și de pasageri (modurile de autostradă) reprezintă cea mai mare parte a consumului de energie pentru transport, mai mult de 5,3 Mbpd de petrol.4 Consumul de energie pentru transport de către pasageri și vehicule comerciale este, prin urmare, o componentă semnificativă din totalul SUA peisajul energetic și înțelegerea relației cantitative dintre greutate și eficiență este necesară pentru a aprecia mai bine importanța reducerii masei.

S.U.A. energie pentru transport, consumul relativ pe mod, 2009. Date din Ref. 4

Impactul reducerii greutății vehiculului asupra eficienței energetice

Reducerea greutății poate îmbunătăți, de asemenea, eficiența vehiculelor grele, cum ar fi „semisemiile” care deplasează o cantitate semnificativă de marfă în Statele Unite. Natura camioanelor grele oferă un accent diferit asupra impactului reducerii greutății. În timp ce consumul de combustibil al vehiculelor grele se îmbunătățește cu o greutate redusă, o utilizare mai practică a reducerii greutății este pentru o eficiență îmbunătățită a transportului (de exemplu, tone-mile pe galon). De exemplu, un tractor tipic clasa 8 cântărește aproximativ 16.000 de lire sterline, în timp ce remorca goală cântărește aproximativ 13.000 de lire sterline. Un camion complet încărcat are o greutate maximă admisă de 80.000 de lire sterline, ceea ce înseamnă că aproximativ 51.000 de lire sterline de marfă pot fi încărcate reprezentând 64% din greutatea totală. Datorită acestei distribuții a greutății, reducerea greutății structurale a tractorului și remorcii cu 50% reduce greutatea totală încărcată cu 23%. În loc să reducă greutatea totală, o opțiune mai eficientă ar putea fi încărcarea camionului înapoi la 80.000 de lire sterline cu încărcătură suplimentară, crescând tonajul total livrat pentru același consum de combustibil.

Provocări de inginerie a materialelor în greutatea ușoară

Există o imensă varietate de materiale disponibile pentru a sprijini reducerea greutății vehiculului; cu toate acestea, cinci categorii arată cea mai promițătoare: oțeluri avansate de înaltă rezistență (AHSS), aliaje de aluminiu, aliaje de magneziu, compozite polimerice armate cu fibre (inclusiv fibre de carbon și sticlă) și polimeri avansați (fără armături de fibre). Sunt considerate și alte materiale, cum ar fi compozite cu matrice metalică, aliaje de titan, aliaje de nichel și geamuri avansate (sticlă, policarbonat etc.), deși aplicații limitate și bariere semnificative pot reduce potențialul lor de reducere a greutății. Implementarea oricărui material nou în producția auto de volum mare este limitată de performanță, producție și costuri. Deoarece proiectarea și testarea vehiculului depind acum de simularea computerizată, sunt necesare și modele precise de comportament al materialelor în timpul producției și al funcționării vehiculului; în plus, integrarea acestor modele cu datele despre materiale, rezultatele experimentale și instrumentele de simulare a performanței și fabricării constituie abordarea ICME cu beneficiile sale de participare. Există obstacole tehnice semnificative în calea îmbunătățirii performanței, a fabricabilității, a costurilor și a modelării pentru fiecare dintre cele cinci sisteme principale de materiale, de exemplu:

Avansat ridicat-oțeluri rezistente—Nu au fost identificate microstructuri pentru îndeplinirea cerințelor de rezistență și ductilitate ale AHSS de generația a treia; susceptibilitate la eșec local la formare și accident; dificultate la încorporarea unui comportament semnificativ de întărire/înmuiere asociat formării și îmbinării în modele de procesare și proiectare.

Aliaje de aluminiu—Formabilitate limitată a claselor auto la temperatura camerei; costul relativ ridicat al materialului de tablă; dificultate în turnarea pieselor complexe, de înaltă rezistență; rezistență și/sau rigiditate insuficiente pentru anumite aplicații structurale.

Aliaje de magneziu—Formabilitate foarte scăzută a aliajelor de tablă la temperatura camerei; provocarea prevenirii coroziunii galvanice în mod rentabil; rezistență, ductilitate și rigiditate insuficiente pentru anumite aplicații structurale; dificultate în încorporarea comportamentului unic de deformare în modelele de procesare și proiectare.

Fibră-compozite polimerice armate—Costul ridicat al fibrei de carbon; potențial limitat de reducere a greutății fibrelor de sticlă; cicluri lungi de timp pentru multe procese; dificultate în încorporarea structurii la multe scale de lungime în modelele de procesare și proiectare.

Polimeri avansați—Rata redusă de întărire asociată cu ușurința umplerii mucegaiului crește timpul ciclului; precursorii pe bază de petrol depind de prețul petrolului, în timp ce precursorii fără petrol nu sunt încă maturi; susceptibil de deteriorare în timpul prelucrării la temperaturi ridicate, cum ar fi cuptoarele de vopsea auto.

(a) Structura șasiului din spate AHSS cu o reducere a greutății de 28% față de linia de bază convențională din oțel, din Ref. 12. (b) Suport motor cu magneziu cu o reducere a greutății cu 35% față de linia de bază convențională din aluminiu, din Ref. 13

(a) S.U.A. Parteneriatul cu materiale pentru automobile (USAMP)/Departamentul de energie al vehiculului cu consum intensiv de magneziu, cu o reducere a greutății cu 45% față de valoarea inițială (linia de bază prezentată), din Ref. 14. (b) Mașină super ușoară a Uniunii Europene cu o reducere a greutății cu 35% față de valoarea inițială, din Ref. 15 și 16

Inginerie computațională integrată a materialelor pentru reducerea greutății vehiculelor

Un FEP foarte specific poate fi abordat prin modele specifice adecvate și bazându-se pe date experimentale semnificative. De exemplu, Kahn și colab. raportați un studiu de evaluare a durabilității componentelor din tablă Al 2024 pentru un anumit ansamblu de cabluri de fuselaj de aeronavă. tipul modelului (modelul de deteriorare ductilă - fragilă în acest caz), furnizează parametrii modelului și validează rezultatele modelului. Deși nu sunt aplicabile pe scară largă în multe industrii și tipuri de materiale, rezultatele acestei lucrări sunt utile în îmbunătățirea proiectării structurilor de aeronave produse în Al 2024 pentru a crește durabilitatea, o măsură importantă de performanță. FEP concentrat a dat o abordare ICME concentrată în mod similar și o influență considerabilă a datelor experimentale asupra rezultatelor modelării.

Un exemplu puțin mai general FEP este raportat de Saeed-Akbari și colab.24 Aici, accentul se pune pe prezicerea modului de deformare și a comportamentului de întărire în oțelurile de plasticitate indusă de înfrățire (TWIP) în funcție de chimia aliajelor și modificarea rezultată a defectului de stivuire energie (SFE). Deși se concentrează pe o clasă specifică de materiale (oțeluri TWIP), acest FEP mai general are în vedere o gamă de aliaje. O combinație a primelor principii și modelare termodinamică cu date de testare mecanice și termodinamice este utilizată pentru a oferi îndrumări pentru proiectarea aliajelor din oțel TWIP de performanță mai mare. O barieră semnificativă în calea introducerii oțelurilor TWIP în fabricarea autovehiculelor este costul ridicat, în mare parte datorat costului ingredientelor de aliere. Aceste modele oferă o perspectivă asupra efectului chimiei asupra comportamentului de deformare, dezvăluind potențial o cale către oțeluri TWIP cu costuri mai mici. Acest FEP mai general necesită o abordare care utilizează modele pe mai multe scale și încorporează date termodinamice mai generale din experiment.

Aceste exemple sugerează că nu există o metodă universală pentru determinarea scalabilității, încorporarea unor scale de lungime specifice și a datelor experimentale necesare. Mai degrabă, caracteristicile soluției dorite pentru FEP oferă îndrumări privind abordarea. Aceste exemple demonstrează, de asemenea, modul în care o abordare de calcul și ICME concentrată în mod corespunzător poate oferi o perspectivă și, prin urmare, poate sprijini desfășurarea accelerată a materialelor pentru greutatea ușoară auto. Dezvoltarea continuă a modelelor de materiale și a tehnicilor de integrare, împreună cu o listă tot mai mare de povești de succes, cum ar fi acestea, vor contribui la îmbunătățirea utilității ICME și a impactului său asupra S.U.A. Consumul de energie.

Concluzie

Note

Este important să rețineți că o reducere de 7% a consumului de combustibil (galoane pe milă) nu este aceeași cu o creștere de 7% a economiei de combustibil (mile pe galon). Pentru modificări de ordinul a 10%, îmbunătățirile sunt similare și termenii pot fi folosiți oarecum interschimbabil.

Referințe

S. Zoepf, Caracteristici auto; Impactarea în masă și caracterizarea desfășurării (teza MS, Institutul de Tehnologie din Massachusetts, 2011).

Consiliul national de cercetare, Ingineria computerizată integrată a materialelor: o disciplină transformativă pentru o mai bună competitivitate și securitate națională (Washington, DC: The National Academies Press, 2008).

Biroul de politici științifice și tehnologice, Materiale Inițiativa genomului pentru competitivitate globală (Washington, DC: Office of Science and Technology Policy, 2011), www.whitehouse.gov/sites/default/files/microsites/ostp/materials_genome_initiative-final.pdf.

Administrarea informațiilor energetice, Revizuirea anuală a energiei 2010 (Washington, DC: Energy Information Administration, 2011), www.eia.gov/aer.

O. Pinkus și D. Wilcock, Lubr. Eng. 34, 599 (1978).

L. Cheah, Cars on a Diet: The Material and Energy Impacts of Passenger Vehicle Reduction in SUA (Teză de doctorat, Massachusetts Institute of Technology, 2010).

N. Lutsey, Revizuirea literaturii tehnice și a tendințelor legate de masa automobilelor-tehnologie de reducere (Davis, CA: Universitatea din California, Davis, 2010), http://pubs.its.ucdavis.edu/publication_detail.php?id=1390.

A. Casadei și R. Broda, Impactul reducerii greutății vehiculului asupra economiei de combustibil pentru diferite arhitecturi ale vehiculelor (Arlington, VA: The Aluminum Association, Inc., 2007), www.autoaluminum.org/downloads/AluminumNow/Ricardo%20Study_with%20cover.pdf.

A. Bandivadekar, K. Bodek, L. Cheah, C. Evans, T. Groode, J. Heywood, E. Kasseris, M. Kromer și M. Weiss, Pe drum în 2035: reducerea consumului de petrol și a emisiilor de GES din transporturi (Cambridge, MA: Laboratorul MIT pentru energie și mediu, 2008).

Y. Kan, R. Shida, J. Takahashi și K. Uzawa (Lucrare prezentată la al 10-lea simpozion și expoziție internațională japoneză SAMPE (JISSE-10), Tokyo, Japonia, 2007).

A. Joshi, H. Ezzat, N. Bucknor și M. Verbrugge, Optimizarea dimensionării bateriei și a greutății vehiculului pentru un vehicul electric cu autonomie extinsă (Document tehnic SAE nr. 2011-01-1078, 2011).

S.U.A. Programul Departamentului Tehnologiilor Vehiculelor Energetice, Raportul de progres al anului fiscal 2009 pentru materialele ușoare (Washington, DC: Departamentul Energiei, 2009), www1.eere.energy.gov/vehiclesandfuels/pdfs/lm_09/5_automotive_metals-steel.pdf.

S.U.A. Programul Departamentului Tehnologiilor Vehiculelor Energetice, Raportul de progres al anului fiscal 2005 pentru materiale pentru greutatea automobilelor (Washington, DC: Departamentul Energiei, 2005), www1.eere.energy.gov/vehiclesandfuels/pdfs/alm_05/2g_osborne.pdf.

S.U.A. Programul Departamentului Tehnologiilor Vehiculelor Energetice, Raportul de progres al anului 2010 pentru materialele ușoare (Washington, DC: Departamentul Energiei, 2010), www1.eere.energy.gov/vehiclesandfuels/pdfs/program/2010_lightweighting_materials.pdf.

M. Goede, M. Stehlin, L. Rafflenbeul, G. Kopp și E. Beeh, Euro. Transp. Rez. Rev. 1, 5 (2009).

Uniunea Europeană Uniunea Inovării, Program-detaliile proiectului-Convenția de inovare 2011-Comisia Europeană (accesat în mai 2012), http://ec.europa.eu/research/innovation-union/ic2011/index_en.cfm?pg=project_details&project=superlight_car.

J. Allison, M. Li, C. Wolverton și X. Su, JOM 58, 28 (2006).

Q. Wang, P. Jones, Y. Wang și D. Gerard, Lucrările Primului Congres Mondial privind Ingineria Integrată a Materialelor Computaționale (ICME), ed. J.E. Allison, P.M. Collins și G. Spanos (Warrendale, PA: TMS și Hoboken; NJ: Wiley & Sons, 2011), pp. 217-222.

G. Leyson, W. Curtin, L. Hector și C. Woodward, Nat. Mater. 9, 750 (2010).

P. Krajewski, L. Hector, N. Du și A. Bower, Acta Mater. 58, 1074 (2010).

S. Ganeshan, L. Hector și Z.-K. Liu, Acta Mater. 59, 3214 (2011).

J. Yasi, L. Hector și D. Trinkle, Acta Mater. 58, 5704 (2010).

S. Khan, O. Kintzel și J. Mosler, Int. J. Oboseala 37, 112 (2012).

A. Saeed-Akbari, L. Mosecker, A. Schwedt și W. Bleck, Întâlnit. Trans. A 43, 1688 (2012).