科技名词

轻量化设计

lightweight design

定义：在确保产品性能指标的前提下，尽可能降低产品重量，以达到减重、降耗、环保、安全指标的设计方法。

学科：机械工程_机械设计与制图_机械设计_设计方法

相关词：结构设计 拓扑优化设计 最优化

【延伸阅读】

轻量化设计是在满足一定寿命和可靠性要求的前提下，通过选择适当的结构、轻质材料、连接技术和制造工艺，实现自重的最小化，从而达到节能、减排、环保、高效等目的。据测算，传统燃油车每减重100千克，百公里油耗可降低0.3~0.5升，每公里二氧化碳排放量可减少8~11克。因此，轻量化设计具有极大的经济和环境效益。

轻量化设计方法主要有结构轻量化、材料轻量化和工艺轻量化。结构轻量化是指通过形状优化、尺寸优化和拓扑优化等设计方法，实现产品结构的优化设计，例如在保证强度和刚度的前提下使零部件薄壁化、中空化，去除冗余部分。材料轻量化是指使用新型的低密度材料（如铝合金、钛合金、碳纤维）、高强度材料（如高强度钢）等替代传统金属材料，通过减小材料密度或用量来减重，例如波音787梦想客机中复合材料使用量高达50%，大大减轻了机身重量，提升了燃油效率。工艺轻量化是指采用新型高效的成型技术（如一体化压铸、热成型）和连接技术（如激光拼焊、搅拌摩擦焊），在提高零部件强度的同时实现整体减重。

目前大热的增材制造技术在轻量化设计，尤其是结构轻量化中也有着重要应用。它可以一体化地设计和制造中空夹层结构、薄壁加筋结构、镂空点阵结构和拓扑优化结构等，在航空航天和汽车工业领域大展身手。

轻量化设计作为一种跨学科的工程科学，结合了材料科学、材料力学、计算技术和制造技术等多个领域的基础知识，不仅在环境保护和性能提升方面具有重要意义，而且在未来的科技发展中必将扮演越来越重要的角色。