汽车轻量化和防护结构的仿生设计

专题

汽车轻量化和防护结构的仿生设计

汽车数量的快速增长，使环境问题和交通安全问题逐渐成为汽车行业关注的重点。各汽车厂家都在专注于汽车轻量化和防护性结构的设计。依据源自大自然多种生物适应周围环境的外形和结构的灵感，在汽车结构设计中应用仿生设计的方法，以获得更安全、高效和轻量化的汽车结构。

对汽车进行仿生设计的方法主要包括形态仿生和结构仿生。形态仿生一般是单纯的直接模仿生物体（动物、植物、人类等）或自然界物质（风、雨、雪等）的外部形态。自然界水滴在下落过程中具有较低的空气阻力，因而在汽车外形设计过程中，将车身设计成水滴形状（图1），以减少行驶阻力。结构仿生则对生物体或自然界物质存在的内部结构进行分析，将生物体或自然界物质的内部结构应用在汽车设计中。对汽车车身框架的设计，借鉴人类胸腔肋骨的组织形式。该结构能够在汽车受到碰撞时，吸收更多的能量，保护汽车内部乘员，如图2所示。对汽车整车管状结构的设计则借鉴人体的骨骼结构。人体骨骼内部为蜂窝结构，该结构具有较强的韧性、强度和较轻的质量，因而采用该结构进行汽车框架中管状结构的设计。由于人体骨骼的内部结构十分复杂，汽车模仿此结构难以实现加工制造，因而设想利用3D打印技术进行汽车框架管状结构的制造。利用3D打印技术，使用的材料为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）和AlSi10Mg铸造铝合金。打印时，同时利用称为混合元胞自动机（HCA）的拓扑优化算法，优化汽车结构件的材料分布，进一步提高汽车的轻量化程度和碰撞发生时的能量吸收能力。

图1 水滴形状车身

图2 胸腔肋骨形状车身框架

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

编译：王祥