Зменшення ваги автомобіля та підвищення енергоефективності США за допомогою інтегрованої обчислювальної техніки

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.

Удосконалені полімери—Низькі показники затвердіння, пов’язані з легкістю заповнення форми, збільшують час циклу; прекурсори на нафтовій основі залежать від ціни на нафту, тоді як непетролітні попередники ще не дозріли; сприйнятливий до погіршення стану при високотемпературній обробці, наприклад, у автомобільних фарбних печах.

(a) Задня конструкція шасі AHSS із зменшенням ваги на 28% порівняно зі звичайною сталевою базовою лінією, з посилання 12. (b) Магнієва люлька двигуна із зниженням ваги на 35% порівняно зі звичайною базовою лінією з алюмінію, з посилання 13

(а) Партнерство США з автомобільних матеріалів (USAMP)/Міністерство енергетики, інтенсивне використання магнію, передня частина автомобіля із зниженням ваги на 45% порівняно з базовою лінією (показана базова лінія), з посилання 14. (b) Суперлегкий автомобіль Європейського Союзу із зниженням ваги на 35% порівняно з базовим рівнем, з посилань. 15 і 16

Інтегрована обчислювальна техніка для зменшення ваги автомобіля

Дуже конкретний FEP може бути вирішений за допомогою відповідних специфічних моделей та опори на значні експериментальні дані. Наприклад, Kahn et al. повідомити про дослідження, що оцінює довговічність компонентів аркуша Al 2024 для певної конструкції стрингеру фюзеляжу літака.23 Бажаний результат цього дослідження є специфічним для сплаву, застосування та стану навантаження, і тому були зібрані значні експериментальні дані та використані для визначення тип моделі (у цьому випадку модель пластично-крихкого пошкодження), надають параметри моделі та перевіряють результати моделі. Результати цієї роботи, хоча і не широко застосовуються у багатьох галузях промисловості та різних типах матеріалів, корисні для вдосконалення конструкції конструкцій літальних апаратів, вироблених в Al 2024 для підвищення довговічності, що є важливим показником ефективності. Фокусований FEP дав аналогічно сфокусований підхід ICME та значний вплив експериментальних даних на результати моделювання.

Дещо більш загальний приклад FEP повідомляється Saeed-Akbari et al.24. Тут основна увага приділяється прогнозуванню режиму деформації та поведінки зміцнення в сталях, зумовлених здвоєними пластиками (TWIP), як функції хімії сплаву та наслідку зміни дефекту укладання енергія (SFE). Хоча орієнтований на конкретний клас матеріалів (листові сталі TWIP), цей більш загальний FEP розглядає цілий ряд сплавів. Поєднання перших принципів та термодинамічного моделювання з механічними та термодинамічними даними випробувань використовується для надання вказівок щодо конструкції сплаву у високоефективній сталі TWIP. Істотною перешкодою на шляху впровадження сталей TWIP в автомобільному виробництві є висока вартість, багато в чому через вартість легуючих інгредієнтів. Ці моделі дають уявлення про вплив хімії на деформаційну поведінку, потенційно розкриваючи шлях до дешевших сталей TWIP. Цей більш загальний FEP вимагає підходу, що використовує моделі в більших масштабах і включає більш загальні термодинамічні дані експерименту.

Ці приклади свідчать про те, що універсального методу для визначення масштабованості, включення шкал конкретної довжини та необхідних експериментальних даних не існує. Швидше, характеристики бажаного рішення для FEP дають вказівки щодо підходу. Ці приклади також демонструють, як правильно сфокусований обчислювальний підхід та підхід ICME можуть надати розуміння і тим самим підтримати прискорене розгортання матеріалів для легкої ваги в автомобілі. Постійний розвиток моделей матеріалів та методів інтеграції у поєднанні зі зростаючим переліком таких історій успіху допоможуть поліпшити корисність ICME та її вплив на споживання енергії в США.

Висновок

Примітки

Важливо зазначити, що зменшення споживання палива на 7% (галони на милю) - це не те саме, що збільшення економії пального на 7% (милі на галон). Для змін порядку 10% покращення подібні, і терміни можуть використовуватися дещо взаємозамінно.

Список літератури

С. Зоепф, Автомобільні особливості; Охарактеризація масового простору та розгортання (дисертація M.S., Массачусетський технологічний інститут, 2011).

Національна наукова рада, Інтегрована обчислювальна техніка: трансформаційна дисципліна для поліпшення конкурентоспроможності та національної безпеки (Вашингтон, округ Колумбія: The National Academies Press, 2008).

Управління з питань науки і технологій, Ініціатива матеріалів щодо геному для глобальної конкурентоспроможності (Вашингтон, округ Колумбія: Управління науки і технологій, 2011), www.whitehouse.gov/sites/default/files/microsites/ostp/materials_genome_initiative-final.pdf.

Управління енергетичною інформацією, Щорічний огляд енергетики 2010 (Вашингтон, округ Колумбія: Управління енергетичною інформацією, 2011), www.eia.gov/aer.

О. Пінкус та Д. Вількок, Змащення Інж. 34, 599 (1978).

Л. Чеа, Автомобілі на дієті: матеріальні та енергетичні наслідки зменшення ваги легкових автомобілів у США (кандидатська дисертація, Массачусетський технологічний інститут, 2010).

Н. Лютсі, Огляд технічної літератури та тенденції, пов'язані з автомобільною масою-технологія скорочення (Девіс, Каліфорнія: Каліфорнійський університет, Девіс, 2010), http://pubs.its.ucdavis.edu/publication_detail.php?id=1390.

А. Касадей та Р. Брода, Вплив зменшення ваги транспортного засобу на економію палива для різних архітектур автомобілів (Арлінгтон, Вірджинія: The Aluminium Association, Inc., 2007), www.autoaluminum.org/downloads/AluminiumNow/Ricardo%20Study_with%20cover.pdf.

А. Бандівадекар, К. Бодек, Л. Чеа, К. Еванс, Т. Груд, Дж. Хейвуд, Е. Касеріс, М. Кромер та М. Вайс, По дорозі в 2035 році: зменшення споживання нафти транспортом та викидів парникових газів (Кембридж, Массачусетс: Лабораторія енергетики та довкілля MIT, 2008).

Ю. Кан, Р. Шида, Дж. Такахасі та К. Удзава (Доповідь представлена на 10-му Японському міжнародному симпозіумі та виставці SAMPE (JISSE-10), Токіо, Японія, 2007).

А. Джоші, Х. Еззат, Н. Бакнор та М. Вербрюгге, Оптимізація розміру акумулятора та полегшення транспортного засобу для електромобіля великого діапазону (Технічний документ SAE № 2011-01-1078, 2011).

Програма Міністерства енергетичних транспортних технологій США, Звіт про хід легких вагових матеріалів за 2009 рік (Вашингтон, округ Колумбія: Міністерство енергетики, 2009), www1.eere.energy.gov/vehiclesandfuels/pdfs/lm_09/5_automotive_metals-steel.pdf.

Програма Міністерства енергетичних транспортних технологій США, Звіт про прогрес у 2005 році для легких матеріалів для автомобілів (Вашингтон, округ Колумбія: Міністерство енергетики, 2005), www1.eere.energy.gov/vehiclesandfuels/pdfs/alm_05/2g_osborne.pdf.

Програма Міністерства енергетичних транспортних технологій США, Звіт про прогрес у 2010 році щодо легких матеріалів (Вашингтон, округ Колумбія: Департамент енергетики, 2010), www1.eere.energy.gov/vehiclesandfuels/pdfs/program/2010_lightweighting_materials.pdf.

М. Гоеде, М. Стехлін, Л. Раффенбойль, Г. Копп та Е. Бі, Євро. Трансп. Рез. Преподобний. 1, 5 (2009).

Європейський Союз Інноваційний Союз, Програма-Подробиці проекту-Конвенція про інновації 2011 року-Європейська комісія (доступ в травні 2012 р.), http://ec.europa.eu/research/innovation-union/ic2011/index_en.cfm?pg=project_details&project=superlight_car.

Дж. Елісон, М. Лі, К. Вулвертон та X. Су, JOM 58, 28 (2006).

В. Ван, П. Джонс, Ю. Ван і Д. Джерард, Матеріали 1-го Всесвітнього конгресу з інтегрованої обчислювальної техніки (ICME), вид. Джей Е. Елісон, П.М. Коллінз та Г. Спанос (Warrendale, PA: TMS and Hoboken; NJ: Wiley & Sons, 2011), с. 217–222.

Г. Лейсон, В. Куртін, Л. Гектор та Ч. Вудворд, Нат. Матер. 9, 750 (2010).

П. Краєвський, Л. Гектор, Н. Ду та А. Бауер, Acta Mater. 58, 1074 (2010).

С. Ганешан, Л. Гектор та З.-К. Лю, Acta Mater. 59, 3214 (2011).

Й. Ясі, Л. Гектор та Д. Трінкл, Acta Mater. 58, 5704 (2010).

С. Хан, О. Кінцель та Дж. Мослер, Міжнародний J. Втома 37, 112 (2012).

А. Саїд-Акбарі, Л. Мозеккер, А. Шведт, В. Блек, Зустріли. Транс. A 43, 1688 (2012).