汽車材料數(shù)字化工作研究與應用

袁峰 王曉勤

（泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201）

主題詞：材料 數(shù)字化 汽車

1 引言

隨著汽車行業(yè)智能轉型、數(shù)字驅(qū)動的深入開展，隨著汽車行業(yè)電動化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化、共享化的迅速開展和數(shù)字化工具的廣泛應用，自動化產(chǎn)品設計成為現(xiàn)在及未來汽車零部件開發(fā)的潮流，數(shù)字化信息的大量采用、跨數(shù)據(jù)庫的信息調(diào)用將在產(chǎn)品開發(fā)和計算驗證中節(jié)約大量的人力和物力成本。產(chǎn)品設計工程師或計算機輔助工程（Computer Aided Engineering,CAE）計算工程師在數(shù)據(jù)庫內(nèi)對材料信息和性能進行直接調(diào)用也將大大地提高效率，縮短產(chǎn)品開發(fā)和驗證周期，零散的材料數(shù)據(jù)也將在數(shù)據(jù)庫中得到統(tǒng)一管理及維護。

本文以汽車產(chǎn)品材料數(shù)字化工作的研究為重點，探討例如汽車發(fā)動機和變速箱這類擁有復雜系統(tǒng)，面向嚴苛服役工況和采用繁雜材料種類的零件，如何設計和應用數(shù)字化的流程和結構化的數(shù)據(jù)庫，來指導產(chǎn)品設計及項目的開發(fā)推進。

2 行業(yè)發(fā)展與趨勢

2.1 汽車零部件研發(fā)的革新

電動汽車、混合動力汽車等新能源汽車已進入市場多年，發(fā)展迅速。作為傳統(tǒng)的純?nèi)加推囈延邪俣嗄甑陌l(fā)展史，其技術不斷進步，產(chǎn)品也越來越好[1]。汽車的進化過程也象征著材料的進化過程，新材料、新工藝的研究應用往往在發(fā)動機、變速箱上得到率先應用，由于嚴苛的工況特點，在發(fā)動機和變速箱上得到驗證的材料及工藝，一般情況下，比較容易向整車其它系統(tǒng)及零部件推廣。

2.1.1 驅(qū)動系統(tǒng)零部件新特點

汽車行業(yè)新四化的發(fā)展方向也深切影響著零部件的設計開發(fā)和材料工作的研究方向。傳統(tǒng)的發(fā)動機將更加注重于高效燃燒和小型化，變速箱將更趨向于智能電控，驅(qū)動電機、行星齒輪組和多組離合器設計將推動汽車驅(qū)動的智能化和電動化。這些零部件的發(fā)展方向?qū)Σ牧咸岢隽烁吆透氈碌囊螅p量化新材料和超高強度材料的應用將更加普遍，材料的非常規(guī)特性和參數(shù)將得到進一步深度挖掘，原材料供應商的開發(fā)和數(shù)據(jù)處理也將更迫切和更降本增效。

汽車驅(qū)動的新特點也決定著材料應用的變化，隨著電驅(qū)動的普遍開發(fā)，以特殊鋼和鑄鋁為代表的材料開始逐步向材料多元化方向發(fā)展。圖1是典型的發(fā)動機、變速箱、電驅(qū)動系統(tǒng)和動力電池所應用材料大類的比例和重量，其它材料主要為塑料、橡膠、膠、液體材料。

圖1 汽車驅(qū)動系統(tǒng)材料應用分類

2.1.2 零部件與材料的共生關系

材料作為基礎性學科，一直伴隨著汽車零部件的發(fā)展而發(fā)展。整體上，中國汽車材料的發(fā)展路線及其簡明特點可以大致分為3個階段，如表1所示。

表1 汽車材料發(fā)展路線簡明特點

汽車零部件材料標準復雜、牌號繁多，根據(jù)其工作的工況環(huán)境，同種材料往往還需要不同種的特殊工藝，如各種熱處理、化學熱處理、電鍍、涂裝。不同排量的發(fā)動機即使零件相同，所采用的材料和工藝也可能完全不同。和車身四門兩蓋相比較，發(fā)動機材料和零部件的共生效應更加的明顯，其隨著零部件設計變化而產(chǎn)生變化的趨勢也更顯著。

2.2 汽車材料研發(fā)的革新

汽車的材料研發(fā)工作一定是和零部件設計緊密結合的，不僅僅要關注原材料的應用，也需要關注零部件的驗證及服役狀況，并在零部件的失效分析過程中探究材料及工藝對失效的貢獻值，從而實現(xiàn)舉一反三，使得材料貫穿于零部件甚至整車生命周期。

2.2.1 材料供應鏈的深度挖掘

材料工作必須支持零部件和總成日益增長的性能要求，同時還需要關注日益嚴苛的法規(guī)要求。比如驅(qū)動系統(tǒng)往往面對最直接的應用創(chuàng)新壓力，同時存在輕量化難度大、工藝復雜、供應鏈冗長的特點，在這些環(huán)節(jié)中，存在著大量降本增效的機會和空間。

大量的數(shù)據(jù)和信息梳理，以現(xiàn)有的工作模式來看，往往耗費大量的人力物力，且效果也容易頻繁出錯。

2.2.2 材料性能及風險管理

材料性能決定零部件性能，在零部件的設計開發(fā)過程中，材料數(shù)字模型開始得到了廣泛應用，性能參數(shù)甚至性能曲線準確性和符合性對零部件的建模、CAE結構及性能計算做出了重要的貢獻。

汽車長產(chǎn)業(yè)鏈的特點也增大了技術風險及供應風險的概率。例如2017年的日本神戶制鋼造假事件，如果沒有健全的材料數(shù)字化，想要梳理某汽車制造公司所有在售車型和在研車型材料的應用情況并用于評估風險，將會是一個非常困難的工作。

3 數(shù)字化的材料開發(fā)

材料開發(fā)的數(shù)字化已成為迫切發(fā)展的行業(yè)趨勢。材料數(shù)字化并非簡單的把現(xiàn)有的文檔、數(shù)據(jù)、資料和清單搬到線上，這項工作需要一個系統(tǒng)性的開發(fā)思路和前瞻性的戰(zhàn)略指導，并始終強調(diào)互聯(lián)互通。

以下簡單闡述汽車材料數(shù)字化工作開展的架構思路和特征。

3.1 材料數(shù)字化流程

3.1.1 材料及材料供應商的數(shù)字化開發(fā)

原材料牌號或者供應商的開發(fā)工作一般是汽車行業(yè)材料工作的重要組成部分，不僅可以確保產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性，推動優(yōu)質(zhì)原材料供應商的健康供應，也可以在原材料環(huán)節(jié)形成良好的競爭氛圍。

不同的汽車主機廠往往擁有不同材料及材料供應商開發(fā)體系和流程，關鍵零件往往有更細致的開發(fā)及驗證要求，線下的工作流程已經(jīng)越來越難滿足數(shù)字化研發(fā)的需要。零部件設計工程師在前期工作中，對于材料牌號及該材料牌號對應認可的供應商信息難以獲取，且開發(fā)全過程的參與度一般不高。線下開發(fā)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、測試及相關報告無法系統(tǒng)性地流轉和存儲，且存在查詢和調(diào)用比較困難的現(xiàn)狀。

圖2是一種典型的材料及材料供應商數(shù)字化開發(fā)流程，其節(jié)點順序在數(shù)字化的架構中，也可以做相應的調(diào)整，該開發(fā)流程具備以下5點優(yōu)勢：

圖2 典型的材料及材料供應商數(shù)字化開發(fā)流程

（1）確保了不重復開發(fā)；

（2）測試清單或測試大綱的結構化；

（3）相關領域的參與度得到體現(xiàn)；

（4）測試及驗證結果的在線審核；

（5）開發(fā)狀態(tài)的數(shù)字化存儲。

這種材料及材料供應商數(shù)字化的開發(fā)流程也可以應用于特殊工藝及其供應商的開發(fā)，如熱處理或者電鍍涂裝工藝。在數(shù)字化架構中，只需對相應的字段進行修改或者對數(shù)據(jù)庫中的表頭字段進行修改即可存儲除了材料之外的特殊工藝的相關信息。

3.1.2 實驗測試與分析數(shù)字化開發(fā)

在汽車關鍵材料工作中，材料或零部件的實驗、測試與分析工作也占據(jù)了非常重要的地位。該工作可以分為以下3類：

（1）新材料、新工藝的開發(fā)；

（2）各種對比測試；

（3）零部件的失效分析。

傳統(tǒng)的工作模式由于是建立在線下溝通交流的基礎上，往往存在實驗需求目標不清晰、實驗項目不清晰、測試樣品不規(guī)范、實驗費用很模糊、報告模板不統(tǒng)一、實驗結果難追溯等各種缺點。在問題解決過程中，這些試驗測試與分析的結果都呈現(xiàn)相對獨立的模塊化，往往無法存在于整個事件的進程中，不能形成閉環(huán)，不能被其它類似事件所引用參照，更不能形成舉一反三的效應，實際工作中，也往往產(chǎn)生很多不必要的重復性測試，從而導致人力物力的浪費。

圖3 是一種典型的材料實驗數(shù)字化工作流程，其節(jié)點也可以根據(jù)實驗的緊急程度進行相應的調(diào)整，不同的節(jié)點任務一般可以由系統(tǒng)自動觸發(fā)并通知至相關責任人，在試驗測試項目非常多的時候，不容易跟丟或者混淆實驗與測試項目。

圖3 典型的材料實驗數(shù)字化工作流程

該流程也可以用于零部件級別的系統(tǒng)試驗過程，供產(chǎn)品設計開發(fā)工程師在線追蹤與記錄。

3.2 材料數(shù)據(jù)庫架構

3.2.1 材料基礎應用數(shù)據(jù)庫

材料數(shù)字化工作除了在線開發(fā)工作和業(yè)務之外，還有一大部分是結構化的數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫是相對更直觀也更容易在各項工作中得到應用的部分。它一方面承載了線下業(yè)務環(huán)境中的各類數(shù)據(jù)、信息、圖標、報告和文獻資料，也承擔著業(yè)務模式的管理、人員結構的權限設置、數(shù)字化流程工作的終端存儲等作用。

材料數(shù)據(jù)庫一般不應單獨存在，與其它系統(tǒng)的互聯(lián)互通、調(diào)用參考才能將其效能發(fā)揮到最佳狀態(tài)。而這點，是在設計開發(fā)材料數(shù)據(jù)庫之初就應當充分考慮和籌劃的，在整個數(shù)據(jù)庫的建設階段，也需要經(jīng)常測試與評估各類接口的輸入輸出數(shù)據(jù)源和參數(shù)管理。

汽車材料工作一般至少需要3類材料基礎應用數(shù)據(jù)庫，可以分為材料認可數(shù)據(jù)庫、材料信息數(shù)據(jù)庫和材料性能數(shù)據(jù)庫。

材料認可數(shù)據(jù)庫的功能主要為根據(jù)數(shù)字化流程呈現(xiàn)的材料標準、材料牌號、材料供應商的開發(fā)及管理，可行性分析，測試確定及在線審核，清單的查詢與發(fā)布等。

材料信息數(shù)據(jù)庫的功能主要為數(shù)據(jù)庫查看及相關信息調(diào)用，一般作為互聯(lián)互通的數(shù)據(jù)輸入輸出源，承擔與其它系統(tǒng)的接口工作。

材料性能數(shù)據(jù)庫的功能主要為發(fā)動機變速箱產(chǎn)品設計開發(fā)工程師和CAE計算工程師提供數(shù)據(jù)支撐，基本要包含材料基礎性能參數(shù)或試驗曲線，還要包括CAE 計算所需要的材料物理性能、高低周疲勞曲線等。該數(shù)據(jù)庫還可以存儲零部件材料應用與相關的失效分析內(nèi)容。

圖4 是一種典型的材料數(shù)據(jù)庫三級菜單示意，除了結構化的數(shù)據(jù)信息之外，材料數(shù)據(jù)庫的查詢功能需要良好的優(yōu)化。

圖4 典型的材料數(shù)據(jù)庫三級菜單

3.2.2 材料知識數(shù)據(jù)庫

由于材料種類的多樣性和標準牌號的復雜性，使得材料知識的管理長久以來表現(xiàn)出規(guī)劃簡單而實施困難的問題。單一的知識管理，如果不與其它系統(tǒng)或數(shù)據(jù)庫產(chǎn)生交互，則其應用勢必無法廣泛推行。

相比較電子化流程和基礎應用數(shù)據(jù)庫，知識數(shù)據(jù)庫的架構則會有更多的設想空間?？梢詫⒉煌牧洗箢悺⒆宇惖拈_發(fā)測試大綱等，新材料新工藝的介紹等，失效分析典型案例，各類流程和常用標準等進行相應的羅列與存放，以下為典型的羅列清單：

（1）不同項目相同零件的材料對比文件；

（2）材料相關法規(guī)及培訓文件；

（3）常用標準；

（4）材料相關流程文件；

（5）材料相關檢查清單；

（6）失效分析典型案例；

（7）新材料新工藝相關文件；

（8）論文；

（9）專利。

綜上所述，材料數(shù)據(jù)庫架構可以擁有單個或數(shù)個模塊，且模塊可以迭代開發(fā)并具備和其它系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫交互的功能。在進行數(shù)據(jù)庫的管理運維中，可以結合相應的電子化流程，使得整個材料數(shù)字化工作具備互聯(lián)互通的擴展性功能。圖5是一個典型的結合了電子化流程和其它系統(tǒng)模塊交互的材料數(shù)據(jù)庫主體架構示意圖。

圖5 典型的材料數(shù)據(jù)庫主體架構

4 結論與展望

隨著科學技術的發(fā)展，材料種類和標準日益增多，新材料頻繁涌現(xiàn)。材料信息的數(shù)字化存儲和交互應用，將進一步順應汽車行業(yè)新四化的發(fā)展方向。從宏觀角度看，美國提出材料基因組計劃（Materials Ge?nome Initiative），希望通過材料數(shù)據(jù)分析和材料計算，加速新材料的研發(fā)制造，為先進制造業(yè)的發(fā)展服務，其中一個重要部分是建立一批便于訪問的材料數(shù)據(jù)庫以及相對應的計算分析中心，為材料工藝設計提供指導[2]。現(xiàn)階段，大多數(shù)的數(shù)據(jù)庫還停留在大數(shù)據(jù)存儲和查詢階段，并沒有和其它系統(tǒng)或數(shù)據(jù)庫產(chǎn)生交互，未來汽車行業(yè)材料數(shù)據(jù)庫的發(fā)展一定是面向設計、面向計算、面向驗證的智能化多用途方向，以下4點需要行業(yè)工作者繼續(xù)研究與展望：

（1）標準化管理。從材料的定義和分類做起，規(guī)范本單位甚至本行業(yè)的材料命名規(guī)范和牌號，增加跨庫查詢和調(diào)用的便利性，加強數(shù)據(jù)的存取效率，并考慮與設計或CAE計算類軟件的交互引用，大大提高數(shù)據(jù)源的正確性，節(jié)約開發(fā)成本和時間。

（2）數(shù)據(jù)安全性。網(wǎng)絡環(huán)境下信息安全風險普遍存在，尤其是人們越來越依賴于網(wǎng)絡技術，各種與生活、工作相關的功能和需求都通過網(wǎng)絡工具來實現(xiàn)，這種狀態(tài)本身就為網(wǎng)絡安全增加了很大的風險[3]。材料數(shù)據(jù)庫存儲的數(shù)據(jù)無論從范圍還是內(nèi)容，甚至與其它數(shù)據(jù)庫的接口等，都是公司甚至更高級別的機密，一旦被破壞、篡改、刪除等，將會引發(fā)嚴重的一連串風險。

（3）材料合規(guī)性。隨著國家環(huán)境法規(guī)的日益嚴苛，汽車相關的禁限用物質(zhì)的管控將貫穿于整個的車輛生命周期。綠色制造以及材料回收再利用與零部件的再制造對汽車材料的管理及應用提出了更高的要求，合規(guī)適配性也將成為汽車材料數(shù)字化研究的重要方向。

（4）數(shù)據(jù)挖掘、預測與診斷。隨著汽車行業(yè)擁抱5G，人工智能的腳步加快，材料性能預測與優(yōu)化將伴隨著數(shù)據(jù)挖掘算法得到進一步的擴展，目前，數(shù)據(jù)挖掘在材料的強度、沖擊韌性、淬透性、疲勞和蠕變等相關性能預測方面已有大量的應用[4]，并可以在材料特征曲線的擬合方面得到廣泛應用，相近牌號的材料拉伸或疲勞曲線無需重復試驗即可得到擬合曲線用于下一步的計算，從而節(jié)約大量的人力物力。