袁峰 王曉勤

（泛亞汽車技術(shù)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(zhuǎn)型、數(shù)字驅(qū)動(dòng)的深入開展，隨著汽車行業(yè)電動(dòng)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(yīng)用，自動(dòng)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(kù)的信息調(diào)用將在產(chǎn)品開發(fā)和計(jì)算驗(yàn)證中節(jié)約大量的人力和物力成本。產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師或計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering,CAE）計(jì)算工程師在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)對(duì)材料信息和性能進(jìn)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(yàn)證周期，零散的材料數(shù)據(jù)也將在數(shù)據(jù)庫(kù)中得到統(tǒng)一管理及維護(hù)。

本文以汽車產(chǎn)品材料數(shù)字化工作的研究為重點(diǎn)，探討例如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱這類擁有復(fù)雜系統(tǒng)，面向嚴(yán)苛服役工況和采用繁雜材料種類的零件，如何設(shè)計(jì)和應(yīng)用數(shù)字化的流程和結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)庫(kù)，來指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)及項(xiàng)目的開發(fā)推進(jìn)。

2 行業(yè)發(fā)展與趨勢(shì)

2.1 汽車零部件研發(fā)的革新

電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車等新能源汽車已進(jìn)入市場(chǎng)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(shù)不斷進(jìn)步，產(chǎn)品也越來越好[1]。汽車的進(jìn)化過程也象征著材料的進(jìn)化過程，新材料、新工藝的研究應(yīng)用往往在發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱上得到率先應(yīng)用，由于嚴(yán)苛的工況特點(diǎn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱上得到驗(yàn)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(dòng)系統(tǒng)零部件新特點(diǎn)

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(shè)計(jì)開發(fā)和材料工作的研究方向。傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)電機(jī)、行星齒輪組和多組離合器設(shè)計(jì)將推動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)的智能化和電動(dòng)化。這些零部件的發(fā)展方向?qū)Σ牧咸岢隽烁吆透?xì)致的要求，輕量化新材料和超高強(qiáng)度材料的應(yīng)用將更加普遍，材料的非常規(guī)特性和參數(shù)將得到進(jìn)一步深度挖掘，原材料供應(yīng)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(dòng)的新特點(diǎn)也決定著材料應(yīng)用的變化，隨著電驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)、變速箱、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和動(dòng)力電池所應(yīng)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(dòng)系統(tǒng)材料應(yīng)用分類

2.1.2 零部件與材料的共生關(guān)系

材料作為基礎(chǔ)性學(xué)科，一直伴隨著汽車零部件的發(fā)展而發(fā)展。整體上，中國(guó)汽車材料的發(fā)展路線及其簡(jiǎn)明特點(diǎn)可以大致分為3個(gè)階段，如表1所示。

表1 汽車材料發(fā)展路線簡(jiǎn)明特點(diǎn)

汽車零部件材料標(biāo)準(zhǔn)復(fù)雜、牌號(hào)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(xué)熱處理、電鍍、涂裝。不同排量的發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)材料和零部件的共生效應(yīng)更加的明顯，其隨著零部件設(shè)計(jì)變化而產(chǎn)生變化的趨勢(shì)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(shè)計(jì)緊密結(jié)合的，不僅僅要關(guān)注原材料的應(yīng)用，也需要關(guān)注零部件的驗(yàn)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(duì)失效的貢獻(xiàn)值，從而實(shí)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(yīng)鏈的深度挖掘

材料工作必須支持零部件和總成日益增長(zhǎng)的性能要求，同時(shí)還需要關(guān)注日益嚴(yán)苛的法規(guī)要求。比如驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)往往面對(duì)最直接的應(yīng)用創(chuàng)新壓力，同時(shí)存在輕量化難度大、工藝復(fù)雜、供應(yīng)鏈冗長(zhǎng)的特點(diǎn)，在這些環(huán)節(jié)中，存在著大量降本增效的機(jī)會(huì)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(fèi)大量的人力物力，且效果也容易頻繁出錯(cuò)。

2.2.2 材料性能及風(fēng)險(xiǎn)管理

材料性能決定零部件性能，在零部件的設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，材料數(shù)字模型開始得到了廣泛應(yīng)用，性能參數(shù)甚至性能曲線準(zhǔn)確性和符合性對(duì)零部件的建模、CAE結(jié)構(gòu)及性能計(jì)算做出了重要的貢獻(xiàn)。

汽車長(zhǎng)產(chǎn)業(yè)鏈的特點(diǎn)也增大了技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)及供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)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(yīng)用情況并用于評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)，將會(huì)是一個(gè)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(shì)。材料數(shù)字化并非簡(jiǎn)單的把現(xiàn)有的文檔、數(shù)據(jù)、資料和清單搬到線上，這項(xiàng)工作需要一個(gè)系統(tǒng)性的開發(fā)思路和前瞻性的戰(zhàn)略指導(dǎo)，并始終強(qiáng)調(diào)互聯(lián)互通。

以下簡(jiǎn)單闡述汽車材料數(shù)字化工作開展的架構(gòu)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(yīng)商的數(shù)字化開發(fā)

原材料牌號(hào)或者供應(yīng)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(dòng)優(yōu)質(zhì)原材料供應(yīng)商的健康供應(yīng)，也可以在原材料環(huán)節(jié)形成良好的競(jìng)爭(zhēng)氛圍。

不同的汽車主機(jī)廠往往擁有不同材料及材料供應(yīng)商開發(fā)體系和流程，關(guān)鍵零件往往有更細(xì)致的開發(fā)及驗(yàn)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(shè)計(jì)工程師在前期工作中，對(duì)于材料牌號(hào)及該材料牌號(hào)對(duì)應(yīng)認(rèn)可的供應(yīng)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(cè)試及相關(guān)報(bào)告無法系統(tǒng)性地流轉(zhuǎn)和存儲(chǔ)，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(yīng)商數(shù)字化開發(fā)流程，其節(jié)點(diǎn)順序在數(shù)字化的架構(gòu)中，也可以做相應(yīng)的調(diào)整，該開發(fā)流程具備以下5點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

圖2 典型的材料及材料供應(yīng)商數(shù)字化開發(fā)流程

（1）確保了不重復(fù)開發(fā)；

（2）測(cè)試清單或測(cè)試大綱的結(jié)構(gòu)化；

（3）相關(guān)領(lǐng)域的參與度得到體現(xiàn)；

（4）測(cè)試及驗(yàn)證結(jié)果的在線審核；

（5）開發(fā)狀態(tài)的數(shù)字化存儲(chǔ)。

這種材料及材料供應(yīng)商數(shù)字化的開發(fā)流程也可以應(yīng)用于特殊工藝及其供應(yīng)商的開發(fā)，如熱處理或者電鍍涂裝工藝。在數(shù)字化架構(gòu)中，只需對(duì)相應(yīng)的字段進(jìn)行修改或者對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的表頭字段進(jìn)行修改即可存儲(chǔ)除了材料之外的特殊工藝的相關(guān)信息。

3.1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析數(shù)字化開發(fā)

在汽車關(guān)鍵材料工作中，材料或零部件的實(shí)驗(yàn)、測(cè)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(duì)比測(cè)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(chǔ)上，往往存在實(shí)驗(yàn)需求目標(biāo)不清晰、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不清晰、測(cè)試樣品不規(guī)范、實(shí)驗(yàn)費(fèi)用很模糊、報(bào)告模板不統(tǒng)一、實(shí)驗(yàn)結(jié)果難追溯等各種缺點(diǎn)。在問題解決過程中，這些試驗(yàn)測(cè)試與分析的結(jié)果都呈現(xiàn)相對(duì)獨(dú)立的模塊化，往往無法存在于整個(gè)事件的進(jìn)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(yīng)，實(shí)際工作中，也往往產(chǎn)生很多不必要的重復(fù)性測(cè)試，從而導(dǎo)致人力物力的浪費(fèi)。

圖3 是一種典型的材料實(shí)驗(yàn)數(shù)字化工作流程，其節(jié)點(diǎn)也可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)的緊急程度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，不同的節(jié)點(diǎn)任務(wù)一般可以由系統(tǒng)自動(dòng)觸發(fā)并通知至相關(guān)責(zé)任人，在試驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目非常多的時(shí)候，不容易跟丟或者混淆實(shí)驗(yàn)與測(cè)試項(xiàng)目。

圖3 典型的材料實(shí)驗(yàn)數(shù)字化工作流程

該流程也可以用于零部件級(jí)別的系統(tǒng)試驗(yàn)過程，供產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)工程師在線追蹤與記錄。

3.2 材料數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)

3.2.1 材料基礎(chǔ)應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)

材料數(shù)字化工作除了在線開發(fā)工作和業(yè)務(wù)之外，還有一大部分是結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)是相對(duì)更直觀也更容易在各項(xiàng)工作中得到應(yīng)用的部分。它一方面承載了線下業(yè)務(wù)環(huán)境中的各類數(shù)據(jù)、信息、圖標(biāo)、報(bào)告和文獻(xiàn)資料，也承擔(dān)著業(yè)務(wù)模式的管理、人員結(jié)構(gòu)的權(quán)限設(shè)置、數(shù)字化流程工作的終端存儲(chǔ)等作用。

材料數(shù)據(jù)庫(kù)一般不應(yīng)單獨(dú)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(diǎn)，是在設(shè)計(jì)開發(fā)材料數(shù)據(jù)庫(kù)之初就應(yīng)當(dāng)充分考慮和籌劃的，在整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)階段，也需要經(jīng)常測(cè)試與評(píng)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(chǔ)應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)，可以分為材料認(rèn)可數(shù)據(jù)庫(kù)、材料信息數(shù)據(jù)庫(kù)和材料性能數(shù)據(jù)庫(kù)。

材料認(rèn)可數(shù)據(jù)庫(kù)的功能主要為根據(jù)數(shù)字化流程呈現(xiàn)的材料標(biāo)準(zhǔn)、材料牌號(hào)、材料供應(yīng)商的開發(fā)及管理，可行性分析，測(cè)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(kù)的功能主要為數(shù)據(jù)庫(kù)查看及相關(guān)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(dān)與其它系統(tǒng)的接口工作。

材料性能數(shù)據(jù)庫(kù)的功能主要為發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)工程師和CAE計(jì)算工程師提供數(shù)據(jù)支撐，基本要包含材料基礎(chǔ)性能參數(shù)或試驗(yàn)曲線，還要包括CAE 計(jì)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(kù)還可以存儲(chǔ)零部件材料應(yīng)用與相關(guān)的失效分析內(nèi)容。

圖4 是一種典型的材料數(shù)據(jù)庫(kù)三級(jí)菜單示意，除了結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)信息之外，材料數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)三級(jí)菜單

3.2.2 材料知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)

由于材料種類的多樣性和標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)的復(fù)雜性，使得材料知識(shí)的管理長(zhǎng)久以來表現(xiàn)出規(guī)劃簡(jiǎn)單而實(shí)施困難的問題。單一的知識(shí)管理，如果不與其它系統(tǒng)或數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)生交互，則其應(yīng)用勢(shì)必?zé)o法廣泛推行。

相比較電子化流程和基礎(chǔ)應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)，知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的架構(gòu)則會(huì)有更多的設(shè)想空間?？梢詫⒉煌牧洗箢悺⒆宇惖拈_發(fā)測(cè)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(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行相應(yīng)的羅列與存放，以下為典型的羅列清單：

（1）不同項(xiàng)目相同零件的材料對(duì)比文件；

（2）材料相關(guān)法規(guī)及培訓(xùn)文件；

（3）常用標(biāo)準(zhǔn)；

（4）材料相關(guān)流程文件；

（5）材料相關(guān)檢查清單；

（6）失效分析典型案例；

（7）新材料新工藝相關(guān)文件；

（8）論文；

（9）專利。

綜上所述，材料數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)可以擁有單個(gè)或數(shù)個(gè)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(kù)交互的功能。在進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的管理運(yùn)維中，可以結(jié)合相應(yīng)的電子化流程，使得整個(gè)材料數(shù)字化工作具備互聯(lián)互通的擴(kuò)展性功能。圖5是一個(gè)典型的結(jié)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(kù)主體架構(gòu)示意圖。

圖5 典型的材料數(shù)據(jù)庫(kù)主體架構(gòu)

4 結(jié)論與展望

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，材料種類和標(biāo)準(zhǔn)日益增多，新材料頻繁涌現(xiàn)。材料信息的數(shù)字化存儲(chǔ)和交互應(yīng)用，將進(jìn)一步順應(yīng)汽車行業(yè)新四化的發(fā)展方向。從宏觀角度看，美國(guó)提出材料基因組計(jì)劃（Materials Ge?nome Initiative），希望通過材料數(shù)據(jù)分析和材料計(jì)算，加速新材料的研發(fā)制造，為先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展服務(wù)，其中一個(gè)重要部分是建立一批便于訪問的材料數(shù)據(jù)庫(kù)以及相對(duì)應(yīng)的計(jì)算分析中心，為材料工藝設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)[2]?，F(xiàn)階段，大多數(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)還停留在大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢階段，并沒有和其它系統(tǒng)或數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)生交互，未來汽車行業(yè)材料數(shù)據(jù)庫(kù)的發(fā)展一定是面向設(shè)計(jì)、面向計(jì)算、面向驗(yàn)證的智能化多用途方向，以下4點(diǎn)需要行業(yè)工作者繼續(xù)研究與展望：

（1）標(biāo)準(zhǔn)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(hào)，增加跨庫(kù)查詢和調(diào)用的便利性，加強(qiáng)數(shù)據(jù)的存取效率，并考慮與設(shè)計(jì)或CAE計(jì)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(shí)間。

（2）數(shù)據(jù)安全性。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下信息安全風(fēng)險(xiǎn)普遍存在，尤其是人們?cè)絹碓揭蕾囉诰W(wǎng)絡(luò)技術(shù)，各種與生活、工作相關(guān)的功能和需求都通過網(wǎng)絡(luò)工具來實(shí)現(xiàn)，這種狀態(tài)本身就為網(wǎng)絡(luò)安全增加了很大的風(fēng)險(xiǎn)[3]。材料數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)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(kù)的接口等，都是公司甚至更高級(jí)別的機(jī)密，一旦被破壞、篡改、刪除等，將會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的一連串風(fēng)險(xiǎn)。

（3）材料合規(guī)性。隨著國(guó)家環(huán)境法規(guī)的日益嚴(yán)苛，汽車相關(guān)的禁限用物質(zhì)的管控將貫穿于整個(gè)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(duì)汽車材料的管理及應(yīng)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(yù)測(cè)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(yù)測(cè)與優(yōu)化將伴隨著數(shù)據(jù)挖掘算法得到進(jìn)一步的擴(kuò)展，目前，數(shù)據(jù)挖掘在材料的強(qiáng)度、沖擊韌性、淬透性、疲勞和蠕變等相關(guān)性能預(yù)測(cè)方面已有大量的應(yīng)用[4]，并可以在材料特征曲線的擬合方面得到廣泛應(yīng)用，相近牌號(hào)的材料拉伸或疲勞曲線無需重復(fù)試驗(yàn)即可得到擬合曲線用于下一步的計(jì)算，從而節(jié)約大量的人力物力。