科技創(chuàng)新賦能量 產(chǎn)業(yè)孵化促發(fā)展
——記北京理工大學重慶創(chuàng)新中心裝備輕量化研究所所長趙巖教授

《祖國》/趙娜 文/王超

現(xiàn)今，隨著汽車工業(yè)迅速發(fā)展，汽車質(zhì)量和性能也在顯著提升，但汽車重量卻不斷增加，導(dǎo)致燃油消耗和污染排放等問題日趨嚴重，為解決此類問題，汽車輕量化技術(shù)需不斷發(fā)展和應(yīng)用。汽車工業(yè)是碳排放“大戶”，數(shù)據(jù)顯示，如果汽車重量每降低10%，燃油效率可提高6-8%，汽車動力性增強，燃料消耗減少，將有效降低碳排放量。隨著我國“碳達峰、碳中和”的提出，汽車輕量化對于節(jié)能減排目標實現(xiàn)具有重要意義，無論是對于傳統(tǒng)汽車還是新能源汽車而言，汽車輕量化都是“雙碳”政策的剛性需求，輕量化也是未來汽車行業(yè)的重要發(fā)展方向之一。

北京理工大學重慶創(chuàng)新中心裝備輕量化研究所所長、重慶數(shù)元道科技有限公司董事長、重慶市創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)領(lǐng)軍人才、教授級高級工程師趙巖，長期從事汽車輕量化技術(shù)研究，現(xiàn)已負責或承擔國家重點研發(fā)計劃、國家科技重大專項、國家自然科學基金重點項目、重慶市產(chǎn)業(yè)重點研發(fā)、企業(yè)研發(fā)項目等20 余項，發(fā)表SCI/EI 論文30余篇，制定汽車行業(yè)標準2項，授權(quán)發(fā)明專利20余項，獲得軟件著作權(quán)6 項。取得了一系列成果并應(yīng)用于汽車產(chǎn)業(yè)，為汽車減重的同時，更為實現(xiàn)節(jié)能減排做出了突出貢獻。

傾力科研 創(chuàng)新突破

據(jù)統(tǒng)計，當今汽車工業(yè)已占我國近70%的石油消耗，且碳排放量遠超其他行業(yè)，可見，汽車輕量化刻不容緩。超高強度鋼的應(yīng)用在實現(xiàn)汽車輕量化的同時即提升汽車的安全性能，進而達到節(jié)能、降碳和降本的多重目標。

目前，熱成形技術(shù)廣泛應(yīng)用于乘用車安全件的制造，單車用量普遍在10 個零件以上，新能源汽車則在20個以上。但，熱成形零件因韌性不足、氫脆敏感性高，使用中存在氫脆開裂、早期失效等安全隱患。

趙巖教授

為此，趙巖首創(chuàng)了汽車用超高強熱成形鋼復(fù)合微合金化關(guān)鍵調(diào)控技術(shù)，聯(lián)合中信金屬、中國汽研、馬鋼等單位研發(fā)并產(chǎn)業(yè)化22MnB5NbV、34MnB5NbV 和25MnB5NbMo 三類新型熱成形鋼，顯著提升了超高強熱成形零件韌性和抗氫致延遲斷裂性能。相關(guān)技術(shù)通過了第三方權(quán)威機構(gòu)檢測，以翁宇慶院士領(lǐng)銜的國內(nèi)頂級專家組認為該總體成果可達到國際先進水平。

新型復(fù)合微合金化熱成形鋼已在馬鋼等鋼廠實現(xiàn)工業(yè)化量產(chǎn)，供貨于重慶平偉、吉林信通等多家熱成形零件生產(chǎn)企業(yè)，制造的熱成形A柱、B柱、車門防撞梁等零件已被批量應(yīng)用于長安、江淮等企業(yè)的8款乘用車型，制造的熱成形翻斗則主要應(yīng)用于紅巖汽車、四平億達、南京開沃等5家企業(yè)的商用車型，直接經(jīng)濟效益達50億元。

熱沖壓成形是集鋼材加熱奧氏體化、模內(nèi)成形與淬火多項工藝于一體的先進制造技術(shù)，可制造強度1500MPa 以上、復(fù)雜形狀的汽車零件，同時實現(xiàn)汽車安全和輕量化的首選路徑。2021 年，我國汽車熱成形零件產(chǎn)量超2 億件，產(chǎn)值超百億元，但占據(jù)市場主流的Al-Si涂層熱成形鋼專利卻由國外公司壟斷，嚴重制約了國產(chǎn)汽車輕量化水平提升，熱成形材料、工藝等多項“卡脖子”技術(shù)亟需解決。

對此，趙巖首創(chuàng)稀土微合金化無涂層、免拋丸熱成形鋼，在熱成形鋼高溫加熱時表面形成富Si、Cr 的微米級氧化保護膜，避免疏松氧化鐵皮的產(chǎn)生。該產(chǎn)品能有效解決現(xiàn)行熱成形裸板的高溫氧化問題，避開拋丸工藝，可以制造汽車大型薄壁零件，突破了國外Al-Si涂層技術(shù)的“卡脖子”問題，使熱成形零件制造更綠色、更低碳。

該產(chǎn)品打破了乘用車領(lǐng)域國外Al-Si 涂層專利技術(shù)壟斷的局面，現(xiàn)已在攀鋼實現(xiàn)百噸級量產(chǎn)，制造出的乘用車熱成形零件表面質(zhì)量、涂裝、焊接性能均達到車企認證標準，并具備更高的韌性與抗氫致延遲斷裂性能。

加快研發(fā) 孵化產(chǎn)業(yè)

2023 年10 月，北理工重慶創(chuàng)新中心下屬裝備輕量化技術(shù)研究所正式成立重慶數(shù)元道科技有限公司（簡稱數(shù)元道科技），由趙巖擔任董事長，他帶領(lǐng)公司聚焦汽車行業(yè)仿真分析領(lǐng)域，向產(chǎn)業(yè)化落地運營邁開了一大步。

目前，數(shù)元道科技已成功研發(fā)并推出智能化材料卡片開發(fā)與管理系統(tǒng)MatFavor，同時針對汽車行業(yè)仿真分析多種共性問題，形成定制化的解決方案。

趙巖介紹，近年來汽車碰撞法規(guī)日益嚴苛，輕量化要求越來越高，在汽車設(shè)計階段引入CAE 分析工具對汽車碰撞性能進行預(yù)測，是當下各大車企的主流解決方案。整車碰撞中零件存在高應(yīng)變速率和復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)等特點，每次碰撞涉及部件數(shù)以千計，連接關(guān)系復(fù)雜形式多樣，因此，整車碰撞變形與斷裂仿真涉及到的力學理論與工況非常復(fù)雜，技術(shù)門檻相當高，目前也被國外軟件牢牢占據(jù)。整車碰撞的幾何建模、材料建模和有限元求解器分別由法國Dassault 公司的CATIA、德國MATFEM 公 司 的CrachFEM 和 美 國ANSYS 公 司 的LSDYNA占據(jù)市場。其中，材料建模存在“周期長、精度低、成本高”三大痛點問題。

趙巖帶領(lǐng)團隊研發(fā)了國內(nèi)首款專用的高精度材料本構(gòu)與斷裂建模軟件MatFavor，實現(xiàn)了進口軟件替代。據(jù)了解，應(yīng)用MatFavor 自動開發(fā)材料卡片僅需2 小時（傳統(tǒng)開發(fā)時間為15 個工作日），卡片應(yīng)用仿真綜合精度達90%，卡片開發(fā)成本顯著下降，真正做到了“讓仿真快、準、省”。

最初國外競品在精度方面是領(lǐng)先的，但經(jīng)過團隊的堅持開展大量技術(shù)攻關(guān)，MatFavor 不僅達到了同樣的精度，而且通過更優(yōu)算法在計算速度上超過了國外產(chǎn)品。不同材料在不同環(huán)境條件下會展現(xiàn)出千變?nèi)f化的形態(tài)與復(fù)雜多變的物理屬性。因此，如何獲得高精度的材料模型成為行業(yè)的痛點，不僅技術(shù)門檻高，而且工作量極大。Matfavor 采用自主核心技術(shù)，可基本實現(xiàn)金屬材料高精度卡片的制作，同時考慮到特殊工藝路徑引起的性能變化，數(shù)元道科技又先后研發(fā)了適用于冷沖壓、壓鑄、擠壓加工等工藝的高精度卡片，可完全滿足高效化、定制化和多場景應(yīng)用需求。

“非金屬材料力學特性與金屬材料沒有關(guān)聯(lián)性，其卡片相當于又要從0 開始。”趙巖道，“團隊針對其力學特性開發(fā)了描述各向異性屈服面的新型卡片，這也是國外競品的核心技術(shù)，經(jīng)過各類實驗的驗證，證明我們也攻克了這一關(guān)，結(jié)果已獲得多家主機廠的認可。除此之外，還開發(fā)了連接斷裂、疲勞斷裂等模型，亦在主機廠獲得應(yīng)用。”

目前，數(shù)元道科技已從材料廠、零部件廠、汽車主機廠三個維度分別進行MatFavor 的落地合作。同時，根據(jù)用戶試驗標準的不同，開發(fā)定制化的標定模塊，解決了國內(nèi)汽車企業(yè)無法實現(xiàn)模型參數(shù)自主求解的難題。截至目前，通過橫向技術(shù)合作創(chuàng)收已突破1500萬元。其中，MatFavor 軟件租售及相關(guān)的技術(shù)服務(wù)，創(chuàng)造產(chǎn)值就達1000萬元。

數(shù)元道科技專注于汽車軟件領(lǐng)域，后續(xù)將拓展至硬件開發(fā)，有了好的仿真技術(shù)，打造獨有的技術(shù)壁壘，就可以自主設(shè)計不少高端硬件，企業(yè)也將加快進軍高端檢測設(shè)備、制造設(shè)備領(lǐng)域，從創(chuàng)收千萬到破億，或許只是一步之遙。

如今，公司已與長安汽車、吉利汽車、首鋼及中信金屬等數(shù)家頭部企業(yè)簽下了10 余項橫向技術(shù)合作協(xié)議，創(chuàng)收突破1500 萬元“關(guān)口”。他們從10 余人的初創(chuàng)團隊到公司化運營，這是一次質(zhì)的飛躍，對自己、對團隊而言，都是一次蛻變。

這個世界唯一不變就是改變，隨著科技發(fā)展更新迭代的加速，新一輪汽車工業(yè)大潮浩浩而來，趙巖和團隊將繼續(xù)在汽車輕量化領(lǐng)域攻堅克難、砥礪前行，以科技創(chuàng)新賦能產(chǎn)業(yè)，以產(chǎn)業(yè)應(yīng)用創(chuàng)造未來，推動我國汽車工業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。