碳纤维和仿生设计助力赛车性能再攀巅峰

在赛车设计方面，汽车结构中每减轻一点重量，就意味着速度和性能的提高。2019 年，保时捷（德国斯图加特）赛车运动部门试图重新设计其 911 GT3 RS 车辆的防滚架，以尽可能减轻重量。

“国际汽联 (FIA) 规定赛车必须使用钢制防滚架，因为到目前为止，这些防滚架是制造和焊接最简单的材料，”保时捷专业赛车轻量化设计专家 Thiemo Erb 解释道。

客户对赛车型公路车的需求让保时捷得以自由地在其防滚架设计中测试替代材料——在第一次重新设计中，该公司成功开发出一种钛合金防滚架，将零件重量减少了约 20%。“但我们一直在寻找下一个目标，所以在那之后，我们决定看看我们能否更进一步，开发出碳纤维复合材料版本，”Erb 说。

设计结果

• 重新设计金属需要改变形状以满足 FIA 负载要求。

• 开发了三步“仿生”设计流程，以优化有机几何形状和铺层设计。

• 与钛相比，重量减轻了 15%，与钢相比，重量减轻了 40%。

除了减轻重量（与钛合金版本相比），复合材料重新设计的目标还在于笼架的双重作用，即既是视觉元素又是乘客安全部件。虽然碳纤维笼式车身不符合 FIA 认证赛车的资格，但它仍需满足 FIA 的负载要求，以确保乘客安全，包括无遮挡设计，以最大限度地提高车辆后部的可视性，以及保时捷的高端美感。

起初，设计团队用碳纤维复合材料模拟了原始笼子几何形状，“但我们很快意识到材料的变化意味着整个概念必须改变，”埃尔布说。

三步“仿生”设计流程

保时捷开发并采用了碳纤维防滚架的三步设计流程：拓扑优化、铺层建模和几何优化。据 Erb 介绍，保时捷使用了其内部建模软件，该软件专门针对此应用进行了调整。

为什么需要改变形状？“在发生碰撞时，笼式车身可以保护乘客，但碳纤维在撞击时会迅速断裂，并且只有少量的局部变形，”Berendes 说。“原始金属部件的设计是为了延长金属的伸长率和变形时间。”典型的金属笼子的“X”形需要更多的材料才能满足所需的负载要求，这将违背减轻重量的目标。“对于碳纤维，你需要开发一种形状，在撞击时，负载可以以某种方式沿着部件向下传递，”他补充道。

当保时捷工程和设计团队最终确定零件设计时，该公司开始向其几家制造合作伙伴索取报价。该公司选择了一级汽车供应商Action Composites GmbH（奥地利里德因克赖斯）。Action Composites 成立于 2011 年，专门为高端和大批量汽车制造商设计、开发和生产碳纤维复合材料部件，多年来一直与保时捷密切合作，并为各种客户制造了 A 级视觉部件以及全复合材料或混合车轮、线圈和稳定杆。

保时捷将用于该项目的三步设计流程和软件称为“仿生”设计，最终形成了一种“具有生物触感”的有机优化形状，Erb 表示，并指出其与树枝的相似性。他补充说，这种方法现在可以用于需要进行实质性设计变更的未来项目。

材料与制造

最初的目标是用碳纤维重新设计钛质防滚架，但具体的材料选择过程是保时捷和 Action Composites 合作完成的，其中考虑了零件几何形状、重量优化、模具设计和制造方法。

最终，超过 90% 的全复合材料笼子由单向 (UD) 碳纤维/环氧预浸料制成，以尽可能减少材料使用量和重量，实现最大强度和抗冲击性。然而，从零件上看，这一点并不明显，因为最外层由 2 × 2 斜纹碳纤维/环氧预浸料制成，并采用 A 级表面处理，以实现所需的外观。

Action Composites 北美大客户经理 Joest Hoekstra 指出：“UD 纤维使我们能够以某种方式排列材料，从而以最少的材料消耗获得最大的力。”

Erb 强调，平衡成本效益和性能是关键。“这是一款每年生产数千辆的系列汽车。它必须具有成本效益，而且必须物有所值。碳纤维的设计成本将高于我们已有的钛合金版本，因此我们必须确保它的性能有显著提升。”

这个部件是如何制造的？这个部件的挑战在于一次性制造出一个复杂的空心结构，并采用可见的碳纤维 A 级饰面 — 并且采用可重复的工艺。Hoekstra 补充道：“满足行业标准非常重要，因此当然需要保持一致性，并且能够始终以相同的方式生产部件，尤其是安全部件。”

据 Hoekstra 介绍，该部件由两部分组成：预制外壳采用斜纹碳纤维预浸料制成，以形成所需的 A 级表面，并与由 UD 预浸料组成的结构笼共同固结。对于 UD 预浸料结构部件，将层铺设在复杂的囊模上，该囊模将每个管和节点元件整合到一个部件上。然后将整个结构放入压缩模具中进行固结。在环境温度下冷却一段时间后，囊模被移除。“我们使用钢制工具，这使我们能够保持相当小的公差并实现 A 级饰面，”Hoekstra 指出。

开发制造工艺所面临的挑战包括需要将金属部件连接到保持架的某些部分，“这需要新的复杂工艺步骤”，Hoekstra 说，此外整个部件需要上漆，同时还要满足严格的车辆内饰材料排放规定。