Текущие тенденции в автомобильных стратегиях облегчения веса и материалах – PMC

Текущие тенденции в автомобильных стратегиях облегчения веса и материалах

Лицензиат MDPI, Базель, Швейцария. Эта статья находится в открытом доступе и распространяется на условиях лицензии Creative Commons Attribution (CC BY) (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).

Абстрактные

Тенденции облегчения веса автомобилей, обусловленные устойчивостью, стоимостью и производительностью, которые создают огромный спрос на легкие материалы и концепции дизайна, оцениваются как часть решений экономики замкнутого цикла в современной мобильности и транспорте. Текущие стратегии, которые направлены не только на снижение основного веса, но и охватывают структурную эффективность, а также экономическое и экологическое воздействие, объясняются сутью рекомендаций по выбору материалов с экологически безопасным подходом, правилами замены и парадигмой мульти -материальный дизайн. Особое внимание уделяется сектору металлических сплавов и прогрессу в глобальных исследованиях и разработках, которые охватывают «легкую сталь», традиционные алюминиевые и магниевые сплавы, а также хорошо зарекомендовавшие себя технологии производства компонентов и решения, ориентированные на будущее, и с адаптацией к переход от двигателей внутреннего сгорания к электромобилям. Кроме того, возможности и проблемы, которые создает облегчение, обсуждаются со стратегиями достижения своих целей с помощью структурной инженерии, включая композиты с металлической матрицей, ламинаты, сэндвич-структуры и бионические архетипы. Подчеркивается глубокая роль аэрокосмической и автомобильной промышленности как ключевых факторов облегчения веса в основных автомобильных транспортных средствах.

1. Введение

Облегчение становится основной тенденцией, охватывая многие отрасли промышленности, связанные не только со всеми видами транспорта, но и в более широком смысле с гражданской инфраструктурой, производством и экологически чистыми энергетическими технологиями [1]. Вопреки распространенному мнению, цели снижения веса не ограничиваются исключительно снижением веса, но охватывают и другие аспекты, связанные с конструкционной эффективностью, а также с экономическими и экологическими последствиями. В промышленности снижение веса продукта не только требует меньше ресурсов для его производства, но и требует меньше энергии для его транспортировки, что позволяет сохранить природные ресурсы и уменьшить вредное загрязнение. Хотя облегчение не является новой концепцией, и аэрокосмическая промышленность с самого начала шла по пути облегчения веса, в то время как другие отрасли также следовали этому на протяжении десятилетий, она вновь проявляется как зрелый, огромный курс роста, который обусловлен устойчивостью, стоимостью и производительность.

Читайте также:
Доска и рейка против сайдинга внахлест: понимание обоих вариантов | Аллура США

Основные цели снижения веса могут быть достигнуты с помощью ряда отдельных стратегий или их комбинаций, которые уравновешивают факторы дизайна и материала. Цель облегченного проектирования состоит в том, чтобы построить конструкции с минимальным использованием материалов и оптимизированным использованием прочности материала, при этом численные методы разрабатываются для моделирования сложной геометрии легких конструкций, например, в параметрической изогеометрической среде [2]. Выбор материала имеет много аспектов, и только увеличение его прочности приводит к снижению веса конструкции без изменения его удельной плотности. Благодаря изучению этого фактора и использованию высокопрочной атмосферостойкой стали, содержащей ниобий, для самого высокого в настоящее время моста в мире, Виадук де Мийо, Франция, удалось снизить его общий вес на 60% и уменьшить связанный с этим углеродный след за счет изготовление, сварка, строительство и транспортировка [3].

Однако конечная цель облегчения может быть достигнута за счет применения легких материалов и сочетания их уникальных характеристик с другими стратегиями [4]. Растущий спрос на легкие материалы привел к расширению исследований в области новых решений со стратегиями достижения целей облегчения веса за счет структурной инженерии, включая композиты с металлической матрицей, ламинаты, сэндвич-структуры и бионические архетипы. В этом отчете представлен обзор текущих стратегий и материалов для облегчения веса, при этом основное внимание уделяется конструкционным металлическим сплавам и их настоящему и возможному будущему применению в автомобильном транспорте. Это общее заявление мировых автопроизводителей о том, что снижение веса транспортных средств является основной частью общей технологической стратегии, которую отрасль будет использовать для достижения будущих целей в области энергопотребления, выбросов, безопасности и доступности.

2. Облегчение как часть экономики замкнутого цикла

В отличие от линейная экономика, с его предрасположенностью к растрате ценных ресурсов концепция круговой экономики предлагает возможности для более продуктивного использования материалов за счет рециркуляции большей их доли посредством повторного использования и переработки, тем самым сокращая количество отходов в производстве и продлевая срок службы продуктов, а также посредством соответствующих политик (рис. 1). Цель перехода к экономике замкнутого цикла состоит в том, чтобы замедлить истощение скудных природных ресурсов, уменьшить ущерб окружающей среде от добычи сырья и уменьшить загрязнение, вызванное их обработкой, использованием и переработкой по окончании срока службы (EOL). материалов [5].

Читайте также:
Различные способы теплоизоляции старых деревянных окон

Схемы, поясняющие оценку жизненного цикла транспортного средства, которая охватывает все этапы жизненного цикла продукта, от добычи сырья до переработки и утилизации в конце срока службы.

Рециркулирующие материалы резко увеличивают их потенциал сокращения выбросов и сокращают выбросы CO.2 выбросы, поскольку производство вторичных материалов путем рециркуляции приводит к гораздо более низким выбросам, чем производство первичных материалов. Согласно [6], текущая скорость переработки EOL только для восемнадцати металлов, включая серебро, алюминий, золото, хром, медь, железо, марганец, ниобий, никель, свинец, палладий, платину, рений, родий, олово, титан и цинк. , из шестидесяти рассмотренных выше 50%. Для специальных металлов, таких как скандий и иттрий, а также редкоземельных элементов, уровень утилизации EOL составляет 1%. Напротив, полностью перерабатываемые материалы, такие как алюминий, более 90% которого содержится в перерабатываемом автомобиле, идеально подходят для экономики замкнутого цикла.

Для исследования воздействия продукции и процессов на окружающую среду в течение всего их жизненного цикла все шире используется методология оценки жизненного цикла (ОЖЦ) [7]. Для транспортного средства оценка учитывает воздействие на этапе производства, при производстве материалов и сборке транспортного средства; вплоть до стадии использования, с производством и сжиганием топлива; и до стадии EOL с окончательной утилизацией и переработкой. Это справедливо для электромобилей: хотя они производят только одну треть выбросов автомобилей с двигателем внутреннего сгорания за весь срок службы, электромобили сохраняют выбросы CO.2 след, создаваемый при добыче, производстве, доставке и переработке компонентов автомобиля.

Разные материалы имеют разный потенциал в снижении веса транспортных средств и разный углеродный след при производстве и переработке. Для некоторых металлов энергоемкий производственный процесс влияет на потенциальную экономию энергии при их эксплуатации в автомобиле. Это особенно справедливо для алюминия и магния, известных своими большими энергозатратами, необходимыми при производстве первичного металла.

3. Облегчение как решение для устойчивого транспорта

Автомобильная промышленность переживает ускоренную трансформацию с развитием инновационных технологий и изменением потребительских предпочтений. Ожидается, что его бизнес-модель, которая была действительна в прошлом веке для проектирования, производства, продажи и обслуживания автомобилей, претерпит радикальные изменения благодаря использованию интеллектуальных технологий мобильности. Такие направления устойчивого развития, технологические достижения, электрификация, автономное вождение, ожидания потребителей и личная мобильность будут способствовать изменениям в течение следующего десятилетия. Прогнозируется, что в транспорте будущего будут преобладать автономные, подключенные, электрические и общие (ACES) транспортные средства, которые изменят способ взаимодействия потребителей с транспортными средствами. Легкий автомобиль рассматривается автопроизводителями как ключевой аспект устойчивой мобильности, снижающий как расход топлива, так и выбросы COXNUMX.2 выбросы.

Читайте также:
Подушка с начинкой из листьев кедровой шишки | Любовь, чистота и природа

Включение термина мобильность в недавнюю литературу может вызвать некоторую терминологическую путаницу, создавая впечатление, что он стремится звучать выше существующего термина. транспорт [8]. Как мы определяем оба термина? Согласно определению словаря, существует четкая разница между транспортировкой, описывающей процесс перемещения товаров или людей, и мобильность, описание способности двигаться или быть перемещенным. В поддержку мобильности утверждается, что она предлагает целостный подход, учитывающий как людей, так и грузоперевозки, с упором на немоторизованные транспортные средства. В отличие от транспорта мобильность не ограничивается существующей инфраструктурой и моделями поведения на рынке; он предоставляет возможности уникальным образом. Есть примеры, когда оба термина используются вместе как мобильность и транспортировка, понимаемые как перемещение товаров и людей, а также различные средства, с помощью которых осуществляется такое перемещение. Однако, по некоторым мнениям, введение термина «мобильность» — это исключительно риторика и маркетинговая стратегия, направленная на то, чтобы что-то выглядело новым и современным.

Ожидается, что в ближайшем будущем в развитии автомобильных технологий будут доминировать четыре основные области; более эффективные двигатели внутреннего сгорания, электрификация/накопление энергии, легкие конструкции, а также силовые агрегаты и силовая электроника [9]. Текущая деятельность по развитию в значительной степени ориентирована на электромобиль, который имеет более высокую энергоэффективность по сравнению с транспортными средствами с двигателем внутреннего сгорания [10], и их развитие на коммерческом рынке показано в [11,12] (рис. 2). В то же время возникают новые проблемы, которые включают, например, системы накопления энергии и топологии преобразования энергии для электромобилей. Обычно доступными устройствами хранения энергии в электромобилях являются топливные элементы, батареи, ультраконденсаторы, маховики и фотоэлектрические батареи, которые должны достигать высокой мощности и плотности энергии для сокращения времени зарядки [13]. В настоящее время основными источниками энергии для электромобилей на рынке являются батареи на топливных элементах, а фотоэлементы используются скорее как вспомогательный источник питания. В ряде гибридных автомобилей используются суперконденсаторы.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: