強化車身A柱的仿生學開發

【德】 A.Heinrichs P.Frank D.Siegel M.Frank

0 前言

輔助制造是一種先進技術，根據麥肯錫全球研究所分析［1］，直至2025年這種技術仍是構件開發和制造過程中具有強大功能的一類改進方法。為了能更有效地使用該工藝技術，必須在設計時就充分挖掘其優點，豐富的輕型結構設計和強大的功能集成就屬于輔助制造技術。為了能使此類優點在相關領域發揮效果，Osnabrück公司新開發的可在準備階段進行系統分析以識別合適的構件，目前已證實敞篷汽車上的A柱區域適合于開發輔助制造構件技術。由于頂篷結構存在缺陷，A柱必須予以加強，以便在發生事故汽車傾倒時承受巨大的作用力。Volkswagen的Golf敞篷車上的加固方案包括上車門鉸鏈連接和模塊橫梁連接，目前共有12塊薄鋼板構件，每輛車的構件質量為4.1kg。迄今為止的技術改進也為構件的集成提供了可能性，因此能較好地適用于這種極端的應用實例，以開發出符合性能要求的強化結構，并對仿生學輕型結構的潛力進行試驗研究。Osnabrück公司和Alfred-Wegener（AWI）研究所改進型輕型結構技術（EliSE）設計組的技術開發多學科項目團隊接受了這個任務，以便組織汽車結構、輕量化結構和仿生學方面的專家為該項目進行必要的技術評審。

1 開發

按照ELiSE產品形成過程，為了開發仿生學輕型結構，首先分析可供使用的結構空間（圖1），繪制出負荷受力路徑，應用仿生學原理，并在參數優化框架下調整所制定的方案。在優化多模塊布局和仿生學設計的基礎上，人工設計出了兩種仿生學輕型結構方案。

圖1 A柱附近可供使用的結構空間

2 構件及其結構空間分析

在進行新開發之前，需要進行一些初步研究，從整車有限元法（FEM）模型中選出A柱周邊的車身區域，由此得到一個以線性靜力學替代負荷狀況的簡化FEM模型（圖2），然后在該環境中，不僅要對原有部件進行基準計算，而且還要進行布局和參數優化，再在具有原碰撞情況的整車模型上驗證中間狀態和最終方案。因此采用選擇性激光熔融（SLM）輔助制造方法，并以AlSi10Mg鋁合金作為材料。按照美國汽車安全技術法規FMVSS 216a轎車車頂抗壓強度升級版標準，將頂篷壓入算作是主要的負荷狀況。其中，板材以一定的角度壓在A柱上，在127mm的板材壓入路徑中，A柱必定會使該板材承受一定的反力，另外還會觀察到車門下垂和車門超壓等因使用不當而引起的負荷變化情況。用于優化布局和設計結構所需的結構空間是通過強化基準構件所節省下的空間而獲得的。

圖2 靜態負荷狀況的順序

3 多模塊布局優化和構件設計

在簡化的FEM模型的靜力學環境中并不包括碰撞環境隨時間變化所產生的變形。為了在布局優化中仍能考慮到此類影響，適合于應用多模塊優化（MMO）（圖3）。此時，原本頂篷壓入隨時間變化的負荷狀況采用能精確描述運動學的多個線性靜力學FEM模型。這些模型包含與時間分度相關的構件、設計空間的變形及作用力邊界條件，因此設計空間的優化是在考慮到非設計和設計空間變形的情況下進行的，這樣每個模型就代表單個獨立的負荷狀況，并作為獨立模塊進入MMO。

圖3 MMO布局優化和構件設計

MMO的結構設計結果示出了每個汽車側面的3個強化結構。A柱上部范圍的最佳結構是在A柱外層和內部聚集盡可能多的材料，同樣中部和下部的加強元件在頂篷壓入試驗期間支撐A柱，此外下部加強元件承受由車門鉸鏈產生的車門力，并用于連接模塊橫梁。MMO的結構設計結果經碰撞試驗驗證后進行解釋和結構優化。此時在CATIA V5軟件中為優化結果設置了一個環形控制網格，并根據控制點的不同進行人工調整，而且為了在結構設計上考慮到正面碰撞，已按照雙菱藻樣本，將一種仿生學管狀支撐結構引用到下部加強元件中。在MMO優化的基礎上，結構設計結果還提供了更多的改善空間，例如可用網格狀和蜂窩狀結構替代全質材料集成到各種不同的構件中，以便進一步減輕質量。但是采用某些在幾何學上要求嚴格的仿生學結構設計建議卻無法在優化過程中被采納，而ELiSE方法則提供了將這種仿生學結構原理應用到設計中的可能性。

4 仿生學工作原理和設計算法

按照ELiSE方法對仿生學設計原理的應用，目前可以系統地將仿生學原理應用到設計中去（圖4）。同樣，布局優化的結構設計結果被用作ELiSE設計過程的基礎。所確定的負荷路徑被劃分成不同的原理范圍，其中能識別出兩種重要的范圍。在上部范圍中構件承受著劇烈的彎曲負荷，而在設計空間的下部范圍中則可看到從內部車身鋼板向外部車身鋼板呈扇形放射狀傳遞壓力。對于這些加強區域，必須根據機械原理驗證天然樣本，借助于自身開發的設計算法就能將其轉換成輕型結構方式，其中ELiSE方法是以硅藻門（硅藻和放射蟲）的外骨架為依據的。采用該方式就能開發出具有特殊穩定性的有效骨架結構，這種結構既能承受機械負荷且質量較輕。基礎研究和應用研究表明，這些生物體特別適合于作為高效輕型結構以及適應各種不同技術挑戰的仿生學功能［2－4］。基于各種不同骨架外殼結構的詳細解決方案的基礎上，AWI研究所為加強體積、表面或邊緣剛度的應用場合開發了合適的算法，用于仿生學輕型結構設計及其優化。在該方面，對于同一個技術問題可有92種不同的生物學樣本作為目標導向，從而能獲得各種不同的子方案。

圖4 按照ELiSE方法將仿生學原理應用到機械設計中

在A柱上部需要承受彎矩的區域，按照“海鏈藻”樣本設計了適合于加強剛度的結構。該結構對彎曲梁的剪切層起作用，而且在A柱加強結構的下部區域中為影響車身鋼板之間剪切力的傳遞尋找到了一種解決方案。在下部區域中，按照“放射蟲樣本”設計的結構適合于3維扇形放射狀負荷途徑，并且按照“牛桿菌樣本”通過適當加強邊緣增強了車門鉸鏈區域的剛度。此外，為考慮到正面碰撞抵抗能力，在設計方案中加入了一個按照“雙菱藻”樣本結構模式設計的分段半開放式圓錐形碰撞管。這些天然樣本的輕型結構原理通過ELiSE設計算法進行自行開發后，已在Rhinoceros軟件環境中得以實施，并持續不斷地進行后續開發。設計方案的參數化結構使得能基于計算機輔助工程（CAD）設計方案進行可變的匹配調整和概括，這主要用于參數優化。各種不同的子方案已針對先前的靜力學有限元分析進行了校準，并可在整車車身的PAMCRASH模型中進行驗證，這樣就能將性能最好的子方案選擇作為后續參數優化的初始設計。此外，結構設計會使輔助制造受到限制，因而可以將有效的初始設計方案作為基礎進行參數優化。

5 參數優化

圖5 參數優化的步驟

參數優化過程從敏感性分析開始，從中辨別出影響最大的設計參數（圖5），然后根據改進的優化算法進行參數優化，目標是在與量產產品剛度相同的情況下達到最輕的質量。將最佳的設計在整車車身模型中進行動態計算，以便在考慮到非線性效應的情況下驗證該設計方案，同時需在驗證框架結構設計過程中反復進行匹配調整。在整車模型最終的碰撞驗證中，新開發的構件必須符合量產產品的力-位移曲線要求。

6 制造方案

借助于ELiSE設計算法設計（圖6），使每輛車的A柱質量比量產產品減輕了74%（車輛兩側強化結構從4.1kg減輕到1.1kg），并且因功能集成使每輛車的A柱構件數量減少了67%（從12個減少到4個），而MMO結果的設計方案使每輛車的A柱質量比量產產品減輕了62%（車輛兩側強化結構從4.1kg減輕到1.6kg），并且因功能集成使每輛車構件數量減少了50%（從12個減少到6個）。在A柱剛度相似的情況下，兩種方案的結果使得構件數量在減少的同時質量也明顯減輕。該研究項目的結果表明，從技術觀點來看，用于性能解決方案的仿生學輕型結構具有巨大的潛力，特別是在采用輔助制造的情況下。

圖6 借助于ELiSE設計算法的具體制造方案

7 展望

直至目前為止，所開發的方案均是通過數字計算方式確認的，而在真實試驗中通過試驗確認的方法目前尚處于開發階段。此外，A柱部分結構中的輔助制造構件按照美國汽車安全技術法規進行頂篷壓入試驗予以檢驗。Osnabrück公司繼續將該方法不斷推廣到其他構件方案，并重點關注非線性效應和過程自動化投入應用性研究中的潛在可能性，進而力爭在小批量或最小批量生產中使用輔助強化構件。ELiSE團隊越來越關注輔助制造方法，因為只有通過較高的設計造型自由度才能最佳地利用生物學樣本的結構潛力。在該項目結果的基礎上，進一步開發仿生學結構設計算法，以便進一步發揮參數化、自動化和多方面實現仿生學工作原理的優點。