專題

汽車輕量化和防護(hù)結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計(jì)

汽車數(shù)量的快速增長(zhǎng)，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(diǎn)。各汽車廠家都在專注于汽車輕量化和防護(hù)性結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。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(jì)中應(yīng)用仿生設(shè)計(jì)的方法，以獲得更安全、高效和輕量化的汽車結(jié)構(gòu)。

對(duì)汽車進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)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(dòng)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(jì)過程中，將車身設(shè)計(jì)成水滴形狀（圖1），以減少行駛阻力。結(jié)構(gòu)仿生則對(duì)生物體或自然界物質(zhì)存在的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jì)中。對(duì)汽車車身框架的設(shè)計(jì)，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(shí)，吸收更多的能量，保護(hù)汽車內(nèi)部乘員，如圖2所示。對(duì)汽車整車管狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(qiáng)的韌性、強(qiáng)度和較輕的質(zhì)量，因而采用該結(jié)構(gòu)進(jìn)行汽車框架中管狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。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(shí)現(xiàn)加工制造，因而設(shè)想利用3D打印技術(shù)進(jìn)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(shí)，同時(shí)利用稱為混合元胞自動(dòng)機(jī)（HCA）的拓?fù)鋬?yōu)化算法，優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)件的材料分布，進(jìn)一步提高汽車的輕量化程度和碰撞發(fā)生時(shí)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