專題

汽車輕量化和防護結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計

汽車數(shù)量的快速增長，使環(huán)境問題和交通安全問題逐漸成為汽車行業(yè)關(guān)注的重點。各汽車廠家都在專注于汽車輕量化和防護性結(jié)構(gòu)的設(shè)計。依據(jù)源自大自然多種生物適應(yīng)周圍環(huán)境的外形和結(jié)構(gòu)的靈感，在汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用仿生設(shè)計的方法，以獲得更安全、高效和輕量化的汽車結(jié)構(gòu)。

對汽車進行仿生設(shè)計的方法主要包括形態(tài)仿生和結(jié)構(gòu)仿生。形態(tài)仿生一般是單純的直接模仿生物體（動物、植物、人類等）或自然界物質(zhì)（風(fēng)、雨、雪等）的外部形態(tài)。自然界水滴在下落過程中具有較低的空氣阻力，因而在汽車外形設(shè)計過程中，將車身設(shè)計成水滴形狀（圖1），以減少行駛阻力。結(jié)構(gòu)仿生則對生物體或自然界物質(zhì)存在的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行分析，將生物體或自然界物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)用在汽車設(shè)計中。對汽車車身框架的設(shè)計，借鑒人類胸腔肋骨的組織形式。該結(jié)構(gòu)能夠在汽車受到碰撞時，吸收更多的能量，保護汽車內(nèi)部乘員，如圖2所示。對汽車整車管狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計則借鑒人體的骨骼結(jié)構(gòu)。人體骨骼內(nèi)部為蜂窩結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有較強的韌性、強度和較輕的質(zhì)量，因而采用該結(jié)構(gòu)進行汽車框架中管狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計。由于人體骨骼的內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，汽車模仿此結(jié)構(gòu)難以實現(xiàn)加工制造，因而設(shè)想利用3D打印技術(shù)進行汽車框架管狀結(jié)構(gòu)的制造。利用3D打印技術(shù)，使用的材料為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）和AlSi10Mg鑄造鋁合金。打印時，同時利用稱為混合元胞自動機（HCA）的拓撲優(yōu)化算法，優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)件的材料分布，進一步提高汽車的輕量化程度和碰撞發(fā)生時的能量吸收能力。

圖1 水滴形狀車身

圖2 胸腔肋骨形狀車身框架

Prasad S.Mehta et al.SAE 2016-01-0396.

編譯：王祥