強(qiáng)化車身A柱的仿生學(xué)開發(fā)

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

0 前言

輔助制造是一種先進(jìn)技術(shù)，根據(jù)麥肯錫全球研究所分析［1］，直至2025年這種技術(shù)仍是構(gòu)件開發(fā)和制造過程中具有強(qiáng)大功能的一類改進(jìn)方法。為了能更有效地使用該工藝技術(shù)，必須在設(shè)計時就充分挖掘其優(yōu)點，豐富的輕型結(jié)構(gòu)設(shè)計和強(qiáng)大的功能集成就屬于輔助制造技術(shù)。為了能使此類優(yōu)點在相關(guān)領(lǐng)域發(fā)揮效果，Osnabrück公司新開發(fā)的可在準(zhǔn)備階段進(jìn)行系統(tǒng)分析以識別合適的構(gòu)件，目前已證實敞篷汽車上的A柱區(qū)域適合于開發(fā)輔助制造構(gòu)件技術(shù)。由于頂篷結(jié)構(gòu)存在缺陷，A柱必須予以加強(qiáng)，以便在發(fā)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(gòu)件，每輛車的構(gòu)件質(zhì)量為4.1kg。迄今為止的技術(shù)改進(jìn)也為構(gòu)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(yīng)用實例，以開發(fā)出符合性能要求的強(qiáng)化結(jié)構(gòu)，并對仿生學(xué)輕型結(jié)構(gòu)的潛力進(jìn)行試驗研究。Osnabrück公司和Alfred-Wegener（AWI）研究所改進(jìn)型輕型結(jié)構(gòu)技術(shù)（EliSE）設(shè)計組的技術(shù)開發(fā)多學(xué)科項目團(tuán)隊接受了這個任務(wù)，以便組織汽車結(jié)構(gòu)、輕量化結(jié)構(gòu)和仿生學(xué)方面的專家為該項目進(jìn)行必要的技術(shù)評審。

1 開發(fā)

按照ELiSE產(chǎn)品形成過程，為了開發(fā)仿生學(xué)輕型結(jié)構(gòu)，首先分析可供使用的結(jié)構(gòu)空間（圖1），繪制出負(fù)荷受力路徑，應(yīng)用仿生學(xué)原理，并在參數(shù)優(yōu)化框架下調(diào)整所制定的方案。在優(yōu)化多模塊布局和仿生學(xué)設(shè)計的基礎(chǔ)上，人工設(shè)計出了兩種仿生學(xué)輕型結(jié)構(gòu)方案。

圖1 A柱附近可供使用的結(jié)構(gòu)空間

2 構(gòu)件及其結(jié)構(gòu)空間分析

在進(jìn)行新開發(fā)之前，需要進(jìn)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(qū)域，由此得到一個以線性靜力學(xué)替代負(fù)荷狀況的簡化FEM模型（圖2），然后在該環(huán)境中，不僅要對原有部件進(jìn)行基準(zhǔn)計算，而且還要進(jìn)行布局和參數(shù)優(yōu)化，再在具有原碰撞情況的整車模型上驗證中間狀態(tài)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(shù)法規(guī)FMVSS 216a轎車車頂抗壓強(qiáng)度升級版標(biāo)準(zhǔn)，將頂篷壓入算作是主要的負(fù)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(dāng)而引起的負(fù)荷變化情況。用于優(yōu)化布局和設(shè)計結(jié)構(gòu)所需的結(jié)構(gòu)空間是通過強(qiáng)化基準(zhǔn)構(gòu)件所節(jié)省下的空間而獲得的。

圖2 靜態(tài)負(fù)荷狀況的順序

3 多模塊布局優(yōu)化和構(gòu)件設(shè)計

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

圖3 MMO布局優(yōu)化和構(gòu)件設(shè)計

MMO的結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果示出了每個汽車側(cè)面的3個強(qiáng)化結(jié)構(gòu)。A柱上部范圍的最佳結(jié)構(gòu)是在A柱外層和內(nèi)部聚集盡可能多的材料，同樣中部和下部的加強(qiáng)元件在頂篷壓入試驗期間支撐A柱，此外下部加強(qiáng)元件承受由車門鉸鏈產(chǎn)生的車門力，并用于連接模塊橫梁。MMO的結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果經(jīng)碰撞試驗驗證后進(jìn)行解釋和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。此時在CATIA V5軟件中為優(yōu)化結(jié)果設(shè)置了一個環(huán)形控制網(wǎng)格，并根據(jù)控制點的不同進(jìn)行人工調(diào)整，而且為了在結(jié)構(gòu)設(shè)計上考慮到正面碰撞，已按照雙菱藻樣本，將一種仿生學(xué)管狀支撐結(jié)構(gòu)引用到下部加強(qiáng)元件中。在MMO優(yōu)化的基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果還提供了更多的改善空間，例如可用網(wǎng)格狀和蜂窩狀結(jié)構(gòu)替代全質(zhì)材料集成到各種不同的構(gòu)件中，以便進(jìn)一步減輕質(zhì)量。但是采用某些在幾何學(xué)上要求嚴(yán)格的仿生學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計建議卻無法在優(yōu)化過程中被采納，而ELiSE方法則提供了將這種仿生學(xué)結(jié)構(gòu)原理應(yīng)用到設(shè)計中的可能性。

4 仿生學(xué)工作原理和設(shè)計算法

按照ELiSE方法對仿生學(xué)設(shè)計原理的應(yīng)用，目前可以系統(tǒng)地將仿生學(xué)原理應(yīng)用到設(shè)計中去（圖4）。同樣，布局優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果被用作ELiSE設(shè)計過程的基礎(chǔ)。所確定的負(fù)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(gòu)件承受著劇烈的彎曲負(fù)荷，而在設(shè)計空間的下部范圍中則可看到從內(nèi)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(qiáng)區(qū)域，必須根據(jù)機(jī)械原理驗證天然樣本，借助于自身開發(fā)的設(shè)計算法就能將其轉(zhuǎn)換成輕型結(jié)構(gòu)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(jù)的。采用該方式就能開發(fā)出具有特殊穩(wěn)定性的有效骨架結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)既能承受機(jī)械負(fù)荷且質(zhì)量較輕。基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究表明，這些生物體特別適合于作為高效輕型結(jié)構(gòu)以及適應(yīng)各種不同技術(shù)挑戰(zhàn)的仿生學(xué)功能［2－4］。基于各種不同骨架外殼結(jié)構(gòu)的詳細(xì)解決方案的基礎(chǔ)上，AWI研究所為加強(qiáng)體積、表面或邊緣剛度的應(yīng)用場合開發(fā)了合適的算法，用于仿生學(xué)輕型結(jié)構(gòu)設(shè)計及其優(yōu)化。在該方面，對于同一個技術(shù)問題可有92種不同的生物學(xué)樣本作為目標(biāo)導(dǎo)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(xué)原理應(yīng)用到機(jī)械設(shè)計中

在A柱上部需要承受彎矩的區(qū)域，按照“海鏈藻”樣本設(shè)計了適合于加強(qiáng)剛度的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)對彎曲梁的剪切層起作用，而且在A柱加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的下部區(qū)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(qū)域中，按照“放射蟲樣本”設(shè)計的結(jié)構(gòu)適合于3維扇形放射狀負(fù)荷途徑，并且按照“牛桿菌樣本”通過適當(dāng)加強(qiáng)邊緣增強(qiáng)了車門鉸鏈區(qū)域的剛度。此外，為考慮到正面碰撞抵抗能力，在設(shè)計方案中加入了一個按照“雙菱藻”樣本結(jié)構(gòu)模式設(shè)計的分段半開放式圓錐形碰撞管。這些天然樣本的輕型結(jié)構(gòu)原理通過ELiSE設(shè)計算法進(jìn)行自行開發(fā)后，已在Rhinoceros軟件環(huán)境中得以實施，并持續(xù)不斷地進(jìn)行后續(xù)開發(fā)。設(shè)計方案的參數(shù)化結(jié)構(gòu)使得能基于計算機(jī)輔助工程（CAD）設(shè)計方案進(jìn)行可變的匹配調(diào)整和概括，這主要用于參數(shù)優(yōu)化。各種不同的子方案已針對先前的靜力學(xué)有限元分析進(jìn)行了校準(zhǔn)，并可在整車車身的PAMCRASH模型中進(jìn)行驗證，這樣就能將性能最好的子方案選擇作為后續(xù)參數(shù)優(yōu)化的初始設(shè)計。此外，結(jié)構(gòu)設(shè)計會使輔助制造受到限制，因而可以將有效的初始設(shè)計方案作為基礎(chǔ)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

5 參數(shù)優(yōu)化

圖5 參數(shù)優(yōu)化的步驟

參數(shù)優(yōu)化過程從敏感性分析開始，從中辨別出影響最大的設(shè)計參數(shù)（圖5），然后根據(jù)改進(jìn)的優(yōu)化算法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，目標(biāo)是在與量產(chǎn)產(chǎn)品剛度相同的情況下達(dá)到最輕的質(zhì)量。將最佳的設(shè)計在整車車身模型中進(jìn)行動態(tài)計算，以便在考慮到非線性效應(yīng)的情況下驗證該設(shè)計方案，同時需在驗證框架結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中反復(fù)進(jìn)行匹配調(diào)整。在整車模型最終的碰撞驗證中，新開發(fā)的構(gòu)件必須符合量產(chǎn)產(chǎn)品的力-位移曲線要求。

6 制造方案

借助于ELiSE設(shè)計算法設(shè)計（圖6），使每輛車的A柱質(zhì)量比量產(chǎn)產(chǎn)品減輕了74%（車輛兩側(cè)強(qiáng)化結(jié)構(gòu)從4.1kg減輕到1.1kg），并且因功能集成使每輛車的A柱構(gòu)件數(shù)量減少了67%（從12個減少到4個），而MMO結(jié)果的設(shè)計方案使每輛車的A柱質(zhì)量比量產(chǎn)產(chǎn)品減輕了62%（車輛兩側(cè)強(qiáng)化結(jié)構(gòu)從4.1kg減輕到1.6kg），并且因功能集成使每輛車構(gòu)件數(shù)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(jié)果使得構(gòu)件數(shù)量在減少的同時質(zhì)量也明顯減輕。該研究項目的結(jié)果表明，從技術(shù)觀點來看，用于性能解決方案的仿生學(xué)輕型結(jié)構(gòu)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(shè)計算法的具體制造方案

7 展望

直至目前為止，所開發(fā)的方案均是通過數(shù)字計算方式確認(rèn)的，而在真實試驗中通過試驗確認(rèn)的方法目前尚處于開發(fā)階段。此外，A柱部分結(jié)構(gòu)中的輔助制造構(gòu)件按照美國汽車安全技術(shù)法規(guī)進(jìn)行頂篷壓入試驗予以檢驗。Osnabrück公司繼續(xù)將該方法不斷推廣到其他構(gòu)件方案，并重點關(guān)注非線性效應(yīng)和過程自動化投入應(yīng)用性研究中的潛在可能性，進(jìn)而力爭在小批量或最小批量生產(chǎn)中使用輔助強(qiáng)化構(gòu)件。ELiSE團(tuán)隊越來越關(guān)注輔助制造方法，因為只有通過較高的設(shè)計造型自由度才能最佳地利用生物學(xué)樣本的結(jié)構(gòu)潛力。在該項目結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開發(fā)仿生學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計算法，以便進(jìn)一步發(fā)揮參數(shù)化、自動化和多方面實現(xiàn)仿生學(xué)工作原理的優(yōu)點。