第Ⅰ部分 轻量化部件和系统的产品形成过程 3
1 产品形成过程 3
1.1 基础 3
1.1.1 产品形成过程的建模 4
1.1.2 系统技术基础 5
1.1.3 广为人知的过程模型 6
1.1.4 传统过程模型的局限性 9
1.1.5 产品形成过程的新模型——控制与开发人员支持 10
1.1.5.1 控制是重点 10
1.1.5.2 开发人员的支持 11
1.2 集成产品形成模型（iPeM） 11
1.2.1 产品形成的假设 12
1.2.2 集成产品形成模型的定义和元素 14
1.2.2.1 活动矩阵 14
1.2.2.2 产品形成活动 14
1.2.2.3 问题解决过程“SPALTEN” 16
1.2.2.4 由目标系统、对象系统和处理系统构成的三重系统 17
1.2.2.5 资源 18
1.2.2.6 阶段模型 18
1.2.2.7 产品形成过程中的经验和知识 18
1.2.3 模型层面 19
1.3 应用集成产品形成模型开发的碳纤维增强塑料轮辋 20
1.4 总结 25
1.5 附加信息 25
2 轻量化技术管理 27
2.1 轻量化范围内技术管理的范围 27
2.1.1 战略性技术管理的基础 27
2.1.2 创新的激励因素 29
2.1.3 技术顺应——产品开发的机会 29
2.2 发现技术潜力时的方法论支持 31
2.2.1 发现轻量化的潜力 33
2.2.2 不同市场替代性技术的评估 35
2.3 技术战略的建立和协调 46
2.4 结论 47
2.5 附加信息 48
3 轻量化策略与结构类型 50
3.1 引言 50
3.2 对轻量化结构的要求 50
3.3 轻量化策略 54
3.3.1 条件轻量化 54
3.3.2 方案轻量化 55
3.3.3 材料轻量化 56
3.3.4 形状轻量化 57
3.3.5 制造轻量化 58
3.3.6 轻量化与成本 58
3.4 结构类型 61
3.4.1 分体结构 61
3.4.2 整体结构 61
3.4.3 模块化结构 61
3.4.4 复合结构 63
3.4.4.1 混合结构 64
3.4.4.2 多材料设计 65
3.5 结论 66
3.6 附加信息 67
4 虚拟产品开发 69
4.1 计算机辅助设计（CAD） 69
4.2 计算机辅助开发（CAE） 71
4.2.1 采用有限元法（FEM）进行产品模拟 71
4.2.2 有限元法发展的简要回顾 72
4.2.3 有限元法的应用领域 72
4.2.4 有限元程序 74
4.2.5 有限元法分析流程 75
4.2.6 计算程序和有限元方面的文献 80
4.3 结构优化 80
4.3.1 拓扑优化 82
4.3.1.1 自行车制动助力器的拓扑优化 84
4.3.1.2 星形轮辋的拓扑优化 86
4.3.2 形状优化 89
4.3.2.1 基于CAD的形状优化 89
4.3.2.2 基于有限元网格的形状优化 91
4.3.2.3 基于网格的形状优化示例 92
4.3.3 通过加强筋进行形状优化 97
4.3.4 参数优化 103
4.4 结论 106
4.5 附加信息 106
5 系统轻量化——降低整体重量 108
5.1 术语的定义 108
5.2 系统轻量化的框架条件 111
5.3 技术系统的分析与合成 112
5.3.1 将功能集成在一个部件中 113
5.3.2 功能的分离 114
5.4 系统轻量化中的计算辅助方法 114
5.4.1 技术系统中单元的拓扑优化 115
5.4.2 机电一体化系统的优化 115
5.4.3 自动载荷测定 116
5.5 机器人手臂的结构设计 117
5.6 结论 120
5.7 附加信息 121
6 产品形成过程中的验证 122
6.1 产品特性的验证与确认 122
6.2 虚拟和试验性验证环境 123
6.3 轻量化中验证产品特性时的目标冲突 124
6.4 验证过程 124
6.5 以陶瓷材料为例的系统轻量化结构 126
6.6 结论 127
6.7 附加信息 127
7 以赛车为实例 129
7.1 轻量化对赛车的意义 129
7.2 赛车轻量化组件的结构设计 129
7.3 在考虑安全要求的情况下，碳纤维增强塑料材质防撞结构的设计 131
7.4 后扰流板的轻量化设计方案 134
7.4.1 带支撑结构的后扰流板 134
7.4.2 无支撑结构的后扰流板 135
7.5 赛车运动的材料轻量化 136
7.5.1 由碳纤维增强塑料制成的制动盘 137
7.5.2 踏板 137
7.5.3 碳纤维增强塑料材质的变速箱 137
7.5.4 碳纤维增强塑料材质的支架 139
7.6 总结 139
7.7 附加信息 140
第Ⅱ部分 生命周期评估 143
1 轻量化结构中的生命周期评估和可持续性 143
1.1 可持续性和生命周期分析的重要性 144
1.2 技术的发展和现状 146
1.2.1 符合ISO标准的生命周期评估发展 146
1.2.2 归因生命周期评估及间接生命周期评估 148
1.3 简化复杂关系的问题 150
1.3.1 基于经济的投入产出生命周期评估方法 151
1.3.2 资源评估 151
1.3.3 使用“足迹法”的方法 152
1.4 材料和原料常见的错误认识 153
1.4.1 聚合物和原油资源 153
1.4.2 由可再生原材料制成的产品 154
1.4.3 可生物降解的产品 155
1.4.4 回收利用 156
1.4.5 轻量化 157
1.5 轻量化方面对产品和系统技术生态特性的影响 159
1.5.1 上游工序中的材料和原料供应 160
1.5.2 从材料到系统 162
1.5.3 使用中的系统性能 164
1.5.4 后续利用选项 164
1.6 结论和建议 165
1.7 附加信息 167