轿车车身壳体曲面零件的仿生设计研究

李宇鹏 孙洪胜 刘鸣华 赵永昌 张世珍

（①燕山大学，河北秦皇岛 066004;②北京工研精机股份有限公司，北京 101312）

仿生设计是一种创造性的现代设计方法，是以探求自然界生物体的结构和固有特性作为创新设计的基础［1］。轿车车身不仅要满足人们的审美观，更重要的是要具有安全性。本文基于轿车车身的当代造型趋势，依据车身壳体件的特征与要求，选择甲鱼壳为原型体，应用逆向工程技术重构甲鱼壳原始曲面，并对其进行拟合、力学分析等工作，在甲鱼壳重构模型基础上二次研发出新型车身壳体。

1 甲壳仿生曲面的重建

甲鱼壳如图1a所示，由壳体、骨骼等构成，其测量特征线为脊骨线、肋骨线、壳体边界线;用CMM获取甲鱼壳结构数据点云如图1b所示。

利用Pro/E通过编辑定义的形式对点云去噪。特别是Pro/E新增的小平面特征可纠正设备误差引起的点云数据错误，能更好地对点云去噪、精简、平滑滤波、数据修补、三角网格划分和三角面处理等［2］，处理后的数据点云如图2所示。

采用在Pro/E造型工具内建立特征线，然后通过独立几何工具对特征线进行修改，采用边界混合的四边域曲面建模方式重构曲面如图3所示。

2 仿生重构误差分析

因原型体为生物壳体，分析仿生误差时只能判定原始点云与仿生曲面的几何误差，该误差主要是CAD造型软件的实体造型误差及曲线、曲面的拟合误差［3］。采用原始数据点至仿生曲面的最小距离来表示仿生误差，只要最大距离不超过给定的阈值，则认为曲面模型合格。其数学表达为

式中:Δm为仿生误差;Qi为第i个测量点坐标;S（u，v）为仿生后的曲面。

用Pro/E的测量功能计算原始点到仿生面的距离如图4。在脊线两侧随机选20个点，算得最大距离为0.319 934，最小距离为0.014 241 0;各点到曲面距离的变化幅度都在0～0.4 mm之间。

他一愣，随即意识到不妙，缩身想要离开，屋门却已忽地打开。族长站在门口，面色阴沉地望了他一眼，而后头也不回地拂袖而去。

3 基于骨骼的仿生设计

以骨架为肋筋搭建后的甲鱼壳曲面如图10所示。

Pro/E的造型模块提供了跟踪草绘功能，主要用于处理当无法提供产品实物而用于测量数据时的一种反向设计手段，该功能可根据实物的三视图对实物的整体轮廓进行草绘跟踪处理。这里主要追求垂直于骨骼轴线截面轮廓形状则无需其三视图，只需骨骼的垂直截面图像即可。以肋骨为例，测得甲鱼某肋骨垂直截面宽度为2.5 mm，长度为6.5 mm，在跟踪草绘前对水平和垂直两方向进行实际草绘范围拟合即得到实际值。采用平面自由曲线对截面进行封闭描述如图6。

对两种替代截面做力学分析（钢材），施加－0.2 N均载，由图8所示的结果可知椭圆截面的力学性能更好，选椭圆作为肋骨的截面形式。

用参数曲线替代截面封闭线，用力学分析辅助替代筛选。测得封闭曲线内面积S=7.465 50，经筛选确定出图7的椭圆截面和多段圆弧截面，椭圆面积S=7.539 80，多段弧面积S=7.446 47。可见以上三截面的面积很相近，可以几何替代。

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脊骨与肋骨对壳体整体结构的力学性能影响很大，脊骨与肋骨结构视图如图5所示，采用图片跟踪方法对骨骼截面形状进行仿生设计。

4 复合曲面的建立

甲鱼壳虽具有天成优势，但其曲面形式不适于制造，因此，要基于甲鱼壳结构重新设计出继承其优势、适于制造、实用的新曲面。新曲面的发生线源于甲鱼壳体特征线，但多是由二次曲线复合拟合而成，则将新曲面称为“复合二次曲面”。

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为进一步模拟甲鱼壳体的肋骨曲面，在以上复合光滑面上加筋肋。由于未知壳体肋骨分布情况，故在添加肋筋时采用平均分布，利用测量功能测得复合面的横向跨度并均分为8份以对应壳体横向8条肋骨，纵向肋骨以中间脊骨线为准分别建立平面，在造型工具中采用平面相交产生横向肋骨线，以椭圆截面为肋骨截面进行肋骨造型，同时对曲面边界进行约束后，得出复合二次有筋曲面图15。

为继承甲壳特征，要求具有壳体基本属性的发生线构造曲面。将扫描点云用小平面特征打开选缺省坐标系进入点处理，选定脊线扫描线，同时隐藏其余点云得中间脊线进行单条扫面线处理如图11。

同理，再选第9根肋骨线仍可得自由曲线。将特征线上的点提取并保存就得到线上各点的三维坐标，将其导入Matlab中进行拟合。因其散点样图近似呈抛物线趋势，因此选抛物线进行二次曲线拟合并查看拟合误差。骨骼线的拟合图与残差如图12、13和表1、2。

表1 脊线拟合后新数据点

Pro/E针对非A级曲面的建模方法较多，对需要数字化建模的复杂曲面因其提供的函数少使应用受限［6］。本文在传统意义的扫描曲面建模中输入扫描轨迹（导线）、扫描截面线（母线）进行扫掠，建立扫掠曲面。将拟合的脊线与肋线点坐标统一写入1个ibl文件保存。选择缺省坐标系，以基准线形式输入Pro/E，选择扫描工具，在定义轨迹线时将中间脊线选择为扫描轨迹;选择开放终点，在定义截面线时先将横向线作为参照，应用复制工具将横向线选为截面线，然后确定则得出以脊线为扫描轨迹，以横向线为截面线的扫描曲面，如图14所示。

表2 横向线拟合后新数据点

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5 复合曲面力学分析

复合曲面内侧若附有筋条，其力学性能会有所变化，因此，需对比加筋前后的力学性能，材料采用钢，曲面厚度均为3 mm，同样施加内部边线全约束，压强为－0.2 N/mm2。比较结果见图17。

以骨骼扫描线为轨迹，以椭圆为截面重构壳体骨骼框架。添加1个封闭的样条框架约束壳体的边界，使其形成1个封闭的框架，如图9。

仿生曲面是甲鱼壳曲面重构，复合曲面是源于仿生曲面并考虑制造的派生面，两者重构方式的不同必然导致某些方面性能的差异，分别对仿生面、复合面做同化处理后应用Pro/Mechanica模块进行有限元分析。采用内部边界线做全约束，厚度3 mm，在z向加相同载荷（－2 N/mm2），采用自动划分网格，材料为钢，进行力学分析，如图16。

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由分析可知，原型曲面与复合曲面在同等条件下产生的最大位移分别为:26.46 μm、0.002 493 7 μm;无筋网的复合面与有筋网的复合面在同等条件下产生的变形位移分别为:5.134 2 μm、4.988 9 μm。显见，复合曲面的力学性能要强于原型曲面;有筋网的复合面力学性能强于无筋网的复合面。

虽然我国开始推行素质教育，但是传统应试教育还是影响着教育的发展。初中学生依然摆脱不了英语中考的命运，所以老师无法真正给小组合作学习模式留下足够的学习时间和讨论时间，无法真正让学生通过小组合作学习来达到提升自己英语素养的目标。小组合作学习模式在中考升学压力面前就变成了摆设和形式，小组学习模式的自由性被极大的限制。

6 复合曲面应用探讨

轿车车身壳体零件设计时，要求其结构强度能承受在其整个使用寿命内可能遇到的所有静载荷和动载荷，不发生塑变、裂纹或意外碰撞断裂，车身结构不仅质轻而且要有足够的强度。为适应车身的总体设计，车身上不同的壳体零件各有相应的要求，譬如，为保证车身的顶盖的承载能力，通常采用具有一定横向曲率的造型，对高档次的顶盖可以设置筋网。为满足车顶盖，本文研究设计的复合无筋网曲面与复合有筋网曲面能更好地适应车顶盖、车门外板、挡风玻璃等零件的刚度和强度的设计要求。具体应用时，可对复合面进行模型放大，同样可根据车顶盖大小对复合面进行裁剪得到所需尺寸。例如，某车顶盖的平面投影为大小为1 500 mm×1 000 mm的长方形，可将复合面放大13倍并在复合面上以中间脊梁为参照进行划线裁定见图18，按划定线对壳体进行裁剪可得车顶盖模型。

总体而言，中国家电行业市场表现2017年呈现“前低后高”的态势，而2018年趋向“前高后低” ，预计2019年呈现“前低后平”的趋势。预计白电市场量降额额增，增速放缓，而厨电市场则降幅收窄，产品升级。新兴品类持续增长，涨幅放缓。

7 结语

仿生设计是现代设计方法之一，也是创新设计方法之一。本文选择甲鱼壳为仿生开发设计的对象，应用多项现代技术对其进行了重构与分析，获得了诸多有意义的结果，在此基础上进行了二次研发设计。结合轿车车门、车顶盖的性能要求，探索了仿生复合曲面在轿车车门、车顶盖方面的应用，给轿车车身壳体零件的设计提供了一种新的构思来源。

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