汽车材料数字化工作研究与应用

袁峰 王晓勤

（泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201）

主题词：材料 数字化 汽车

1 引言

随着汽车行业智能转型、数字驱动的深入开展，随着汽车行业电动化、网联化、智能化、共享化的迅速开展和数字化工具的广泛应用，自动化产品设计成为现在及未来汽车零部件开发的潮流，数字化信息的大量采用、跨数据库的信息调用将在产品开发和计算验证中节约大量的人力和物力成本。产品设计工程师或计算机辅助工程（Computer Aided Engineering,CAE）计算工程师在数据库内对材料信息和性能进行直接调用也将大大地提高效率，缩短产品开发和验证周期，零散的材料数据也将在数据库中得到统一管理及维护。

本文以汽车产品材料数字化工作的研究为重点，探讨例如汽车发动机和变速箱这类拥有复杂系统，面向严苛服役工况和采用繁杂材料种类的零件，如何设计和应用数字化的流程和结构化的数据库，来指导产品设计及项目的开发推进。

2 行业发展与趋势

2.1 汽车零部件研发的革新

电动汽车、混合动力汽车等新能源汽车已进入市场多年，发展迅速。作为传统的纯燃油汽车已有百多年的发展史，其技术不断进步，产品也越来越好[1]。汽车的进化过程也象征着材料的进化过程，新材料、新工艺的研究应用往往在发动机、变速箱上得到率先应用，由于严苛的工况特点，在发动机和变速箱上得到验证的材料及工艺，一般情况下，比较容易向整车其它系统及零部件推广。

2.1.1 驱动系统零部件新特点

汽车行业新四化的发展方向也深切影响着零部件的设计开发和材料工作的研究方向。传统的发动机将更加注重于高效燃烧和小型化，变速箱将更趋向于智能电控，驱动电机、行星齿轮组和多组离合器设计将推动汽车驱动的智能化和电动化。这些零部件的发展方向对材料提出了更高和更细致的要求，轻量化新材料和超高强度材料的应用将更加普遍，材料的非常规特性和参数将得到进一步深度挖掘，原材料供应商的开发和数据处理也将更迫切和更降本增效。

汽车驱动的新特点也决定着材料应用的变化，随着电驱动的普遍开发，以特殊钢和铸铝为代表的材料开始逐步向材料多元化方向发展。图1是典型的发动机、变速箱、电驱动系统和动力电池所应用材料大类的比例和重量，其它材料主要为塑料、橡胶、胶、液体材料。

图1 汽车驱动系统材料应用分类

2.1.2 零部件与材料的共生关系

材料作为基础性学科，一直伴随着汽车零部件的发展而发展。整体上，中国汽车材料的发展路线及其简明特点可以大致分为3个阶段，如表1所示。

表1 汽车材料发展路线简明特点

汽车零部件材料标准复杂、牌号繁多，根据其工作的工况环境，同种材料往往还需要不同种的特殊工艺，如各种热处理、化学热处理、电镀、涂装。不同排量的发动机即使零件相同，所采用的材料和工艺也可能完全不同。和车身四门两盖相比较，发动机材料和零部件的共生效应更加的明显，其随着零部件设计变化而产生变化的趋势也更显著。

2.2 汽车材料研发的革新

汽车的材料研发工作一定是和零部件设计紧密结合的，不仅仅要关注原材料的应用，也需要关注零部件的验证及服役状况，并在零部件的失效分析过程中探究材料及工艺对失效的贡献值，从而实现举一反三，使得材料贯穿于零部件甚至整车生命周期。

2.2.1 材料供应链的深度挖掘

材料工作必须支持零部件和总成日益增长的性能要求，同时还需要关注日益严苛的法规要求。比如驱动系统往往面对最直接的应用创新压力，同时存在轻量化难度大、工艺复杂、供应链冗长的特点，在这些环节中，存在着大量降本增效的机会和空间。

大量的数据和信息梳理，以现有的工作模式来看，往往耗费大量的人力物力，且效果也容易频繁出错。

2.2.2 材料性能及风险管理

材料性能决定零部件性能，在零部件的设计开发过程中，材料数字模型开始得到了广泛应用，性能参数甚至性能曲线准确性和符合性对零部件的建模、CAE结构及性能计算做出了重要的贡献。

汽车长产业链的特点也增大了技术风险及供应风险的概率。例如2017年的日本神户制钢造假事件，如果没有健全的材料数字化，想要梳理某汽车制造公司所有在售车型和在研车型材料的应用情况并用于评估风险，将会是一个非常困难的工作。

3 数字化的材料开发

材料开发的数字化已成为迫切发展的行业趋势。材料数字化并非简单的把现有的文档、数据、资料和清单搬到线上，这项工作需要一个系统性的开发思路和前瞻性的战略指导，并始终强调互联互通。

以下简单阐述汽车材料数字化工作开展的架构思路和特征。

3.1 材料数字化流程

3.1.1 材料及材料供应商的数字化开发

原材料牌号或者供应商的开发工作一般是汽车行业材料工作的重要组成部分，不仅可以确保产品的质量稳定性，推动优质原材料供应商的健康供应，也可以在原材料环节形成良好的竞争氛围。

不同的汽车主机厂往往拥有不同材料及材料供应商开发体系和流程，关键零件往往有更细致的开发及验证要求，线下的工作流程已经越来越难满足数字化研发的需要。零部件设计工程师在前期工作中，对于材料牌号及该材料牌号对应认可的供应商信息难以获取，且开发全过程的参与度一般不高。线下开发过程中产生的数据、测试及相关报告无法系统性地流转和存储，且存在查询和调用比较困难的现状。

图2是一种典型的材料及材料供应商数字化开发流程，其节点顺序在数字化的架构中，也可以做相应的调整，该开发流程具备以下5点优势：

图2 典型的材料及材料供应商数字化开发流程

（1）确保了不重复开发；

（2）测试清单或测试大纲的结构化；

（3）相关领域的参与度得到体现；

（4）测试及验证结果的在线审核；

（5）开发状态的数字化存储。

这种材料及材料供应商数字化的开发流程也可以应用于特殊工艺及其供应商的开发，如热处理或者电镀涂装工艺。在数字化架构中，只需对相应的字段进行修改或者对数据库中的表头字段进行修改即可存储除了材料之外的特殊工艺的相关信息。

3.1.2 实验测试与分析数字化开发

在汽车关键材料工作中，材料或零部件的实验、测试与分析工作也占据了非常重要的地位。该工作可以分为以下3类：

（1）新材料、新工艺的开发；

（2）各种对比测试；

（3）零部件的失效分析。

传统的工作模式由于是建立在线下沟通交流的基础上，往往存在实验需求目标不清晰、实验项目不清晰、测试样品不规范、实验费用很模糊、报告模板不统一、实验结果难追溯等各种缺点。在问题解决过程中，这些试验测试与分析的结果都呈现相对独立的模块化，往往无法存在于整个事件的进程中，不能形成闭环，不能被其它类似事件所引用参照，更不能形成举一反三的效应，实际工作中，也往往产生很多不必要的重复性测试，从而导致人力物力的浪费。

图3 是一种典型的材料实验数字化工作流程，其节点也可以根据实验的紧急程度进行相应的调整，不同的节点任务一般可以由系统自动触发并通知至相关责任人，在试验测试项目非常多的时候，不容易跟丢或者混淆实验与测试项目。

图3 典型的材料实验数字化工作流程

该流程也可以用于零部件级别的系统试验过程，供产品设计开发工程师在线追踪与记录。

3.2 材料数据库架构

3.2.1 材料基础应用数据库

材料数字化工作除了在线开发工作和业务之外，还有一大部分是结构化的数据库，数据库是相对更直观也更容易在各项工作中得到应用的部分。它一方面承载了线下业务环境中的各类数据、信息、图标、报告和文献资料，也承担着业务模式的管理、人员结构的权限设置、数字化流程工作的终端存储等作用。

材料数据库一般不应单独存在，与其它系统的互联互通、调用参考才能将其效能发挥到最佳状态。而这点，是在设计开发材料数据库之初就应当充分考虑和筹划的，在整个数据库的建设阶段，也需要经常测试与评估各类接口的输入输出数据源和参数管理。

汽车材料工作一般至少需要3类材料基础应用数据库，可以分为材料认可数据库、材料信息数据库和材料性能数据库。

材料认可数据库的功能主要为根据数字化流程呈现的材料标准、材料牌号、材料供应商的开发及管理，可行性分析，测试确定及在线审核，清单的查询与发布等。

材料信息数据库的功能主要为数据库查看及相关信息调用，一般作为互联互通的数据输入输出源，承担与其它系统的接口工作。

材料性能数据库的功能主要为发动机变速箱产品设计开发工程师和CAE计算工程师提供数据支撑，基本要包含材料基础性能参数或试验曲线，还要包括CAE 计算所需要的材料物理性能、高低周疲劳曲线等。该数据库还可以存储零部件材料应用与相关的失效分析内容。

图4 是一种典型的材料数据库三级菜单示意，除了结构化的数据信息之外，材料数据库的查询功能需要良好的优化。

图4 典型的材料数据库三级菜单

3.2.2 材料知识数据库

由于材料种类的多样性和标准牌号的复杂性，使得材料知识的管理长久以来表现出规划简单而实施困难的问题。单一的知识管理，如果不与其它系统或数据库产生交互，则其应用势必无法广泛推行。

相比较电子化流程和基础应用数据库，知识数据库的架构则会有更多的设想空间。可以将不同材料大类、子类的开发测试大纲等，新材料新工艺的介绍等，失效分析典型案例，各类流程和常用标准等进行相应的罗列与存放，以下为典型的罗列清单：

（1）不同项目相同零件的材料对比文件；

（2）材料相关法规及培训文件；

（3）常用标准；

（4）材料相关流程文件；

（5）材料相关检查清单；

（6）失效分析典型案例；

（7）新材料新工艺相关文件；

（8）论文；

（9）专利。

综上所述，材料数据库架构可以拥有单个或数个模块，且模块可以迭代开发并具备和其它系统数据库交互的功能。在进行数据库的管理运维中，可以结合相应的电子化流程，使得整个材料数字化工作具备互联互通的扩展性功能。图5是一个典型的结合了电子化流程和其它系统模块交互的材料数据库主体架构示意图。

图5 典型的材料数据库主体架构

4 结论与展望

随着科学技术的发展，材料种类和标准日益增多，新材料频繁涌现。材料信息的数字化存储和交互应用，将进一步顺应汽车行业新四化的发展方向。从宏观角度看，美国提出材料基因组计划（Materials Ge⁃nome Initiative），希望通过材料数据分析和材料计算，加速新材料的研发制造，为先进制造业的发展服务，其中一个重要部分是建立一批便于访问的材料数据库以及相对应的计算分析中心，为材料工艺设计提供指导[2]。现阶段，大多数的数据库还停留在大数据存储和查询阶段，并没有和其它系统或数据库产生交互，未来汽车行业材料数据库的发展一定是面向设计、面向计算、面向验证的智能化多用途方向，以下4点需要行业工作者继续研究与展望：

（1）标准化管理。从材料的定义和分类做起，规范本单位甚至本行业的材料命名规范和牌号，增加跨库查询和调用的便利性，加强数据的存取效率，并考虑与设计或CAE计算类软件的交互引用，大大提高数据源的正确性，节约开发成本和时间。

（2）数据安全性。网络环境下信息安全风险普遍存在，尤其是人们越来越依赖于网络技术，各种与生活、工作相关的功能和需求都通过网络工具来实现，这种状态本身就为网络安全增加了很大的风险[3]。材料数据库存储的数据无论从范围还是内容，甚至与其它数据库的接口等，都是公司甚至更高级别的机密，一旦被破坏、篡改、删除等，将会引发严重的一连串风险。

（3）材料合规性。随着国家环境法规的日益严苛，汽车相关的禁限用物质的管控将贯穿于整个的车辆生命周期。绿色制造以及材料回收再利用与零部件的再制造对汽车材料的管理及应用提出了更高的要求，合规适配性也将成为汽车材料数字化研究的重要方向。

（4）数据挖掘、预测与诊断。随着汽车行业拥抱5G，人工智能的脚步加快，材料性能预测与优化将伴随着数据挖掘算法得到进一步的扩展，目前，数据挖掘在材料的强度、冲击韧性、淬透性、疲劳和蠕变等相关性能预测方面已有大量的应用[4]，并可以在材料特征曲线的拟合方面得到广泛应用，相近牌号的材料拉伸或疲劳曲线无需重复试验即可得到拟合曲线用于下一步的计算，从而节约大量的人力物力。