仿生学方法在汽车设计上的应用

仿生学方法在汽车设计上的应用
作者：马春阳，周伟，杨林锋
来源：《科技创新与生产力》 2013年第1期
马春阳，周伟，杨林锋
（哈尔滨工业大学（威海），山东威海 264209）
摘要：分别从形态仿生、功能仿生和结构仿生三个方面，通过实例介绍了仿生学在汽车设计上的应用，并运用汽车鱼鳞仿生外形软件进行分析，通过模拟仿真，研究了安全节能环保、动力学效能出色、车身风阻系数小、车身构架强度高的仿生概念车的设计原理和思路。

关键词：汽车节能；仿生学设计；汽车安全性
中图分类号：U462 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2013.01.078
自汽车诞生之日起，仿生学就被有意无意地应用于车型的设计上[1]。

仿生设计在汽车设计上的应用，一直是国外汽车设计师不断探索的前沿领域，当前，研究和利用生物系统的丰富形态、优异结构以及奇妙功能，已经成为汽车革新设计和汽车技术革命的一个新方向，大量事实说明，仿生设计将是汽车设计发展和创新的金钥匙[2]。

1 仿生学在汽车设计上的应用
仿生学的概念由来已久，随着人类社会的进步和发展，不断与时俱进。

仿生学（Bionics）是研究生物系统的结构、性状、原理、行为，为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的技术科学，是一门生命科学、物质科学、数学与力学、信息科学、工程技术以及系统科学等学科的交叉学科。

仿生学为科学技术创新提供了新思路、新原理和新理论[3]。

仿生设计作为一种极具特色的设计方法，在汽车设计领域中必将起到重要的作用。

它以独特的代码解放着固有造型模式的设计形态，传递着整个设计的理念。

显然仿生设计已经成为了指导汽车造型设计的一个重要手段，其应用也日趋成熟。

仿生学在汽车设计上的应用主要有形态仿生、功能仿生和结构仿生。

下面分别予以介绍。

1.1 形态仿生
自然界是蕴含着无尽的设计宝藏的天机阁，自然生物形态向人们开启了设计的一扇大门。

形态仿生设计重在寻求生物外部形态美与人类审美需求的契合点，从而寻求对产品的突破和创新。

通过运用模仿、变形、抽象等手法，对自然界生物形态的结构特征进行挖掘，将其应用到汽车造型设计中，赋予汽车形态以生物形态所具有的某些特征及属性。

该种设计方法的产品因具有很强的自然性，因而具有亲和力，呼唤人的自然情怀，提醒人们重视自然。

以海豚为形态仿生对象而设计的概念汽车Dolphin，见图1。

海豚流线型的身体，使其可以在水中高速游泳时减少阻力。

同样，汽车在高速行驶时，也会遇到很大的空气阻力。

所以，模仿海豚流线型的车身，可以减少风阻系数，降低空气阻力。

同时也可给人流线条的美感。

此作品曾荣获山东省汽车技术创新设计大赛三等奖。

奔驰公司的形态仿生概念车，见第79页图2，这款汽车的原型是热带海洋里的boxfish，
这种鱼头部宽，尾部渐窄。

身体虽然像一个立方体的盒子一样，但却具有出色的流线特性。

从
空气动力学的角度来看，是非常合适的。

鱼身上坚硬的外表及独特的骨骼结构，展示了如何利
用最少的材料来达到最大的车身强度，而且盒形身体形状与车厢的形状非常相似。

因此，设计
人员将带棱角的轮廓进行简化，变为了车顶边线轮廓和裙边轮廓，车身尾部也处理成与鱼尾部
相吻合的楔形。

车头部分则呈外凸状。

由此发展出来的腰线一直走高，直到和车顶基线相结合，车尾位置则偏高，采用的内陷式尾门和后轮拱夸张的外抛形状都与boxfish极其相似。

1.2 功能仿生
除了在形态上对自然界中生物的模仿外，功能仿生也是一种重要的仿生学设计方法。

意思
就是通过学习生物的某种结构或造型，在汽车设计上采用特定的机构，以达到功能类似的效果。

功能仿生在汽车设计上的应用也非常广泛，最典型的例子就是鸥翼式的车门设计。

汽车设
计师观察鸟类的翅膀时受到了启发，设计了独特的、有别于传统的车门开启方式，将车门的开
启由通常的横向开启变为纵向开启，仿佛海鸥的翅膀一样，这就是鸥翼式的车门。

这种车门的
打开方式可以节约车停靠时的占地面积。

鸥翼式的车门设计，见图3。

1.3 结构仿生
降低风阻是汽车节能提速的关键，更是汽车设计师热衷追求的目标。

通过探究水中生物群，寻求符合空气动力学的结构仿生对象，研究分析了水中移动速度极快的鱼，发现鱼“阶梯降”
的脊背和V形层叠的鳞片特别符合空气动力学原理。

流线的身形，敏捷的移动，流畅的滑翔，
都完美诠释着空气动力学原理。

于是，以鱼为结构仿生对象，诞生了以鱼为结构仿生对象而设
计的概念汽车Moving Thinker，见图4。

根据结构仿生学理论，结合动力学原理，初步简化了
鱼的外形特征，在深入理解汽车形态结构学的基础上，进一步捕捉鱼的轮廓曲线，并加以研究
分析后，应用到这款概念车上。

该作品曾荣获第二届中国汽车创意设计大赛三等奖。

需要指出
的是，该作品仅从原理的角度去臆断此外形可以降低阻力，笔者在此原理基础上重新设计出合
理外形并用流体软件加以分析。

车身后半部分由鱼“阶梯降”的脊背演变而来，V形层叠的鳞片则简化成起伏的车身表面，使得鱼的流线结构特征在这款车上得到很恰当的表达。

鱼在水中高速移动时，其“阶梯降”的
脊背和V形层叠的鳞片将储存一定量的水于身体上，从而使得鱼的身上仿佛被一层水膜包裹，
鱼与水的摩擦就转变成同介质的水与水的摩擦，这样大大降低了摩擦系数。

同理，将鱼这种结
构特征应用到车身上。

当汽车高速行驶时，车身将囤积一定量空气在车身表面，强大的气流与
车身的摩擦转化为空气与空气的摩擦，大大降低了车身的风阻系数，既提高了汽车的动力学效能，也达到了节能的目的。

2 汽车鱼鳞仿生外形软件分析结果
首先采用Trimmed网格类型对整车划分网格，以便提高模拟分析的精度。

采用20 m/s的速率对整车进行流场模拟。

根据计算得到的分析结果收敛图可以得到计算结果收敛，则该网格划
分模型可用。

进一步，在迭代计算得到的外流场云图（仅示意出模型外观）中，见图5，可以发现以下
结论：在“阶梯降”脊背的顶部产生一些负高压区，而且在整车的分布比较合理，使整车的下
压力得到了提高，从而提高汽车行驶的安全性能[4]。

从整车压力分布情况来看，除了头部有一点点高压区外，整车的压力分布都在60 N左右，阻力相对于现代的车来说是比较小的；也就是减小下压力达到节能的同时，增加了整车的下压力去提高车胎的抓地力，从而提高高速行驶的
安全性能。

需要指出的是，该外流场云图中，具体压力分布解释如下：除车前端部有很小的高
压区外，其“阶梯降”脊背产生了一些负高压区，且分布均匀。

同时，由计算得到的负升力系数可以看到，整车的负升力系数为-0.161，虽然比较小，但
是由压力分布情况可以看到，负升力分布很均匀，对于整车的平稳行驶性能有很大的帮助。

通过研究阻力系数随着分析过程的变化曲线，可以得出阻力系数为0.251，这个数值相对
于目前的汽车来说还是比较理想的一个数值，因为目前的轿车阻力系数一般在0.28到0.4之间[5]，所以这样可以达到节能的目的。

综合观察整车的压力分布云图（仅示意出模型外观）情况，见图6，可以得出结论：除了
车头外，一直到车尾部，都分布着负高压区，而且主要集中在两轮中间，让整车行驶更加平衡，安全性能更高。

需要指出的是，整车的压力云图中，具体压力分布解释如下：除车头部有很小
的高压区外，背部其余部分都分布着负高压部分，而且以两轮之间为主。

3 结论
笔者是以鱼的脊背结构为研究对象的。

车身的后半部分造型是由鱼的“阶梯降”脊背演变
而来。

鱼在水中高速游的时候，其阶梯降的脊背可以“储存”一定量的水于身体上，从而使鱼
的身上仿佛被一层水膜包裹，鱼与水之间的摩擦从而就转化为了水与水这种同介质的摩擦，也
就大大降低了摩擦系数；所以就可以用同样的原理将车身与空气的摩擦转化为空气与空气这种
同介质物质之间的摩擦，以减少汽车高速行驶时的风阻系数，从而达到节能的目的。

同时，由
阶梯降的造型，产生在两轮中的均匀负高压区，使高速行驶的安全性能得到了提高，从而提高
了安全系数。

当代汽车的阻力已降低到很小，而仿生学可以启迪人们做出更加节能的汽车，汽车仿生学
的利用已经融入日常生活中，通过上面的分析结果可以看出仿生学指导汽车设计的巨大作用，
根据仿生的基本原理，尽可能的提取利用生物体本身的优势，并将其合理的运用到汽车设计中，设计出更有竞争力、有特色的汽车，是未来汽车的重要发展方向之一。

参考文献：
[1] 方海燕,周小儒,袁金龙.汽车造型中的仿生设计[J].艺术教育,2007(9):21-23.
[2] 邵景峰.仿生设计在汽车造型设计中应用的研究[D].上海:上海交通大学,2008.
[3] 路甬祥.仿生学的意义与发展[J].科学中国人,2004.
[4] 王福军.计算流体动力学分析[M].北京:清华大学出版社,2004.
[5] 余志生.汽车理论[M].北京:机械工业出版社,2009.
（责任编辑邸开宇）。