碳纤维，仿生设计在赛车就绪的量产车辆中实现最佳性能

保时捷着手设计其 2023 MY 911 GT3 RS 车辆，以实现在赛道上的巅峰性能。尽管国际汽联为正式比赛的车辆指定了钢制防滚架，但该公司已经为寻求公路车辆最高速度的欧洲客户设计了重量优化的钛合金，现在还设计了碳纤维复合材料选项。来源 |保时捷

在设计赛车时，汽车结构中每减轻一点重量就相当于更高的速度和性能。2019 年，保时捷（德国斯图加特）赛车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。

“国际汽车联合会（FIA）规定在赛车中使用钢制防滚架，因为迄今为止，这些轮胎最容易制造和焊接，”保时捷专业赛车运动轻量化设计专家Thiemo Erb解释道。

“但保时捷有很多客户，他们不一定想要一辆车参加比赛——他们想要一辆豪华赛车，他们可以在路上行驶，然后在周日下午在赛道上行驶。他们希望它像竞争性汽车一样快速和安全，“斯图加特大学建筑技术与技术设计研究所（IKTD）教授Philipp Berendes补充道。IKTD是该项目的学术合作伙伴，负责零件的设计、开发和仿真。

客户对赛车公路车辆的这种需求使保时捷可以自由地在其防滚架设计中测试替代材料——在第一轮重新设计中，该公司成功开发了一种钛合金防滚架，可将零件重量减轻约 20%。“但我们一直在寻找下一件事，所以在那之后，我们决定看看我们是否可以在碳纤维复合材料版本上走得更远，”Erb 说。

除了与钛合金版本相比减轻重量外，复合材料重新设计的目标还受到笼子作为视觉元素和乘客安全组件的双重作用的推动。虽然没有资格参加国际汽联认证的赛车，但碳纤维笼仍然需要满足国际汽联的负载要求，以确保乘客的安全，包括无障碍设计，以最大限度地提高车辆后部的视野，以及保时捷的优质美学。

起初，设计团队用碳纤维复合材料对原始笼子几何形状进行建模，“但我们很快意识到，材料的变化意味着必须改变整个概念，”Erb 说。

三步“仿生”设计过程 保时捷为碳纤维防滚架开发并采用了三步设计流程：拓扑优化、铺层建模和几何优化。根据 Erb 的说法，保时捷使用了自己的内部建模软件，该软件专门针对此应用程序进行了调整。

Berendes说：“第一步（拓扑优化）是获得粗略的形状，而这首先从有限元分析（FEA）建模开始，考虑到设计空间以及碰撞和负载要求。他解释说：“我们首先试图让钢笼形状在碳纤维中工作，但很快意识到我们需要不同的形状，这就是我们开始优化的时候。

为什么需要改变形状？“在碰撞情况下，笼子可以作为乘客的保护点，但碳纤维在撞击时会迅速断裂，并且只有少量的局部偏转，”贝伦德斯说。“原始金属部件是为金属更长的伸长率和挠度而设计的。”典型金属保持架的“X”形需要更多的材料来满足所需的负载要求，这将使减重目标落空。“对于碳纤维，你需要开发一种形状，在这种形状中，在撞击时，负载可以以某种方式沿着零件向下移动，”他补充道。

Berendes说：“在这一步中，你要进行优化，做一些事情，比如对偏转进行建模，减少横梁的张力，确保有适当的空间被切割出来，这样你就可以通过后视镜看到所有这些细节。“在这一点上，我们有了优化的设计形状，如果你愿意的话，如果原始设计是'X'，那么新设计看起来有点像吊带。” 在三步设计过程中，保时捷团队优化了保持架几何形状、铺层时间表和制造工艺，以适应碳纤维与金属相比的冲击性能，从而形成了一种新的“吊带状”形状。来源 |保时捷

在第二步中，保时捷设计团队开始基于拓扑模型构建他们所谓的小规模有限元“代理”模型，旨在确定初始复合材料铺层和铺层时间表。

在第三步中，使用FEA建模进行形状/几何优化来进行最终更改。在此步骤中还设计了连接螺柱和横梁，以及它们在防滚架上的连接点。

Berendes指出，这一步骤得到了所使用的内部软件的帮助，该软件会根据新的输入数据自动优化和迭代设计。“有一个自动化的过程可以相当快地将其放回 FE 中，并回答该建议是否可行或必须更改或更改。这真的很快，“他说。

随着零件设计由保时捷工程和设计团队完成，该公司开始向其几个制造合作伙伴索取报价。在这个项目中，公司选择了一级汽车供应商Action Composites GmbH（奥地利Ried im Innkreis）。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，与保时捷密切合作多年，为各种客户制造 A 类视觉部件，以及全复合材料或混合动力车轮、线圈和稳定杆。

“这种笼子的概念非常独特，因此我们必须考虑可能使用的不同制造方法。我们对Action Composites的概念深信不疑，因此我们开始与他们合作开发第一个原型，“Erb说。“在最后的开发过程中，我们一直与他们保持联系。”

Erb 说，保时捷将其用于该项目的三步设计过程和软件称为“仿生”设计，从而产生有机、优化的形状，“具有生物触感”，并指出这与树上的树枝相似。他补充说，这种方法现在可以用于需要实质性设计更改的未来项目。

材料与制造 最初的目标是重新设计碳纤维钛合金防滚架，但具体的材料选择过程是保时捷和 Action Composites 共同努力的结果，零件几何形状、重量优化、模具设计和制造方法都考虑在内。

最终，超过 90% 的全复合材料保持架由单向 （UD） 碳纤维/环氧树脂预浸料制成，以尽可能低的材料使用量和重量实现最大的强度和抗冲击性。然而，从零件来看，这并不明显，因为最外层是由 2 × 2 斜纹碳纤维/环氧树脂预浸料制成的，具有 A 级饰面，以实现所需的外观。

“UD 纤维使我们能够以最少的材料使用量承受最大的力的方式对齐材料，”Action Composites 北美大客户经理 Joest Hoekstra 指出。

Erb强调，平衡成本效益和性能是关键。“这是一款系列车，每年生产数千辆。它必须具有成本效益，并且必须是值得的。从设计上讲，碳纤维将比我们已经拥有的钛纤维版本更昂贵，因此我们必须确保它的性能显着提高。

保持架由 90% 单向 （UD） 碳纤维/环氧树脂预浸料制成，外壳由斜纹织物预浸料组成，以达到所需的美感。来源 |保时捷

关于成本效益，Hoekstra指出，所使用的材料是Action Composites已纳入各种车辆部件（包括非高档车辆）的现成预浸料。“这辆车本身可能是一辆豪华车，但保时捷并没有过分。他们没有为此定制订购特殊材料——这些是我们从经验中知道有效的材料。

零件是如何制造的？该部件面临的挑战是一次性制造出复杂的中空结构，并具有可见的 A 级碳纤维表面处理，并且要以可重复的工艺完成。Hoekstra 补充道：“满足行业标准非常重要，因此一致性和能够始终以相同的方式生产零件（尤其是对于安全组件）当然是必要的。

根据 Hoekstra 的说法，该部件由两部分制成：一个预制外壳，由斜纹碳纤维预浸料制成，以创建所需的 A 类表面，与包含 UD 预浸料的结构笼共同固合。对于UD预浸料结构部件，层叠层铺设在一个复杂的胶囊模具上，该模具将每个管子和节点元件都包含在一个零件上。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，膀胱模具被移除。Hoekstra 指出：“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 级光洁度。

Hoekstra 说，开发制造工艺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”，此外，整个部件需要涂漆，并且还需要满足汽车内饰严格的材料排放规则。

测试和结果 Erb说：“你不能在国际汽联认证的比赛中驾驶这辆车，但尽管如此，我们认为所有适用于钢制保持架的测试也应该适用于钛和碳纤维保持架选项。有一些测试[国际汽联的“安全笼认证规则”]需要首先在独立式笼子上进行，然后对车辆本身进行，包括已安装的笼子。

在开发过程中，Action Composites 能够使用自己的测试设备进行一些最初的原型测试，但最终的验证和测试由保时捷完成。结果如何？Erb 说：“我们实现了我们一直在寻求的显着减少，与钛合金相比减少了约 15%，与钢相比减少了约 40%。“重量的减轻转化为更快的单圈时间和更快的赛道转弯时间。”

Erb 补充说，尽管这款防滚翻架需要最广泛的设计过程，但它并不是这辆车上唯一的碳纤维复合材料选项：保时捷可选的超轻“魏斯阿赫”套件包括碳纤维笼和防倾杆，以及镁合金轮辋。该车还配备了碳纤维增强聚合物 （CFRP） 门、前后轴上的稳定器、后轴上的联轴杆和 CFRP 剪切器。前盖、车顶和外后视镜的上半部分也采用碳纤维编织处理，尾翼部分采用碳纤维编织处理。

对于Action Composites来说，该项目代表了其汽车工作的一个里程碑。Hoekstra 说：“我们做了很多视觉碳纤维部件，比如后视镜盖，它们赋予了汽车优质的美感，但不会影响性能。“我们还做一些结构或性能驱动的部件，如稳定杆，但这些都在车辆下方，你看不到它们。但是，如果你可以使用碳纤维来减轻重量和提高性能，而且它是一个视觉部件，那么这就是一辆相当高科技的汽车。

商业发布、怡和机器创新奖及下一步行动 保时捷于 2022 年底开始为其 2023 款 MY 911 GT3 RS（目前仅面向欧洲客户）提供碳纤维复合材料防滚架作为选装件。2023 年，Action Composites 和保时捷以及项目合作伙伴 IKTD 和 Kube GmbH Ingenieurburo（德国普洛欣根）为工程和验证做出了贡献，获得了 JEC 世界创新奖。

保持架本身在Action Composites位于亚洲的生产设施之一制造，然后交付给斯图加特的保时捷。Action Composites总部位于奥地利，目前在中国和越南设有生产线，在美国奥地利和密歇根州设有物流仓库。

Hoekstra指出，当碳纤维复合材料部件成为车辆的几种选择之一时，永远无法确定结果会是什么，但在这种情况下，“接受率比我们想象的要高得多。

他补充道：“我们与保时捷的合作关系早在Action Composites以目前的形式存在之前就已经存在了。我们不仅努力持续提供高质量的系列零件，而且重视这样的合作伙伴关系，我们可以真正共同努力开发以前从未做过的新东西。

Berendes指出：“从工程师的角度来看，从技术角度来看，这是一个具有里程碑意义的项目。我们取得了一些尚未实现的目标。据说这也是街头合法系列车辆中的第一款CFRP防滚架。

Erb 补充说：“开发过程主要是在 COVID-19 大流行期间完成的，因此当然存在与此相关的挑战。但我们仍然设法在像这样的车辆的典型开发时间范围内开发整体汽车和防滚架选项。

在这一成功之后，保时捷的目标是继续为其赛车上的类似部件开发碳纤维复合材料选项，尽管 Erb 补充说，在做出设计决策时，必须始终考虑特定项目的车辆数量。“这种特殊的设计仍然需要大量的体力劳动，因此它不能用于更大的系列零件。我们将来需要更多地关注自动化流程，以便进行下一步。