汽車輕量化和防護結構的仿生設計

專題

汽車輕量化和防護結構的仿生設計

汽車數量的快速增長，使環境問題和交通安全問題逐漸成為汽車行業關注的重點。各汽車廠家都在專注于汽車輕量化和防護性結構的設計。依據源自大自然多種生物適應周圍環境的外形和結構的靈感，在汽車結構設計中應用仿生設計的方法，以獲得更安全、高效和輕量化的汽車結構。

對汽車進行仿生設計的方法主要包括形態仿生和結構仿生。形態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（風、雨、雪等）的外部形態。自然界水滴在下落過程中具有較低的空氣阻力，因而在汽車外形設計過程中，將車身設計成水滴形狀（圖1），以減少行駛阻力。結構仿生則對生物體或自然界物質存在的內部結構進行分析，將生物體或自然界物質的內部結構應用在汽車設計中。對汽車車身框架的設計，借鑒人類胸腔肋骨的組織形式。該結構能夠在汽車受到碰撞時，吸收更多的能量，保護汽車內部乘員，如圖2所示。對汽車整車管狀結構的設計則借鑒人體的骨骼結構。人體骨骼內部為蜂窩結構，該結構具有較強的韌性、強度和較輕的質量，因而采用該結構進行汽車框架中管狀結構的設計。由于人體骨骼的內部結構十分復雜，汽車模仿此結構難以實現加工制造，因而設想利用3D打印技術進行汽車框架管狀結構的制造。利用3D打印技術，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）的拓撲優化算法，優化汽車結構件的材料分布，進一步提高汽車的輕量化程度和碰撞發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