本田技术研究院 (HONDA R&D CO.)
利用衍生式设计开发未来的汽车引擎
智造•未来
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研究人员利用衍生式设计研制出一款曲轴样机，重量仅为传统设计的一半
在减少温室气体排放的全球行动中，汽车制造商在提高燃油经济性和减少汽车二氧化碳排放量方面设定了重要目标。在提高汽车燃油效率方面，设计扮演着非常关键的角色，而为了实现这一目标，一种行之有效的手段就是减轻重量。为了实现轻量化设计，汽车每个部件中使用的结构和材料（从车身骨架和发动机到螺栓）都必须仔细斟酌。本田技术研究院 (Honda R&D)——汽车制造商本田的研发部门——的最新目标是内燃机最基本的部件之一：曲轴。
设计创新记录
自成立以来，本田在日本的研发部门一直认真研究各项先进制造技术，例如增材制造。在研究拓扑优化等设计技术时，他们发现了衍生式设计（生成多个设计并进行迭代），并意识到它可以极大地改变传统的设计规范。
衍生式设计已经帮助汽车行业重新设计了多种零部件，例如安全带支架、发动机控制单元以及摩托车车架等。在每种情况下，重量都有显著降低。
曲轴轻量化需要应对一些特殊的设计挑战。曲轴是发动机最重要的功能部件之一。它将活塞的振动转化为旋转力。要做到这一点，它必须非常坚固耐用。
本田技术研究院先进技术实验室的机械和流体机械设计师 Hirosumi Todaka 说道：“曲轴需要满足多个功能标准。例如，它的形状必须能够承受燃烧压力，并且必须保持转动平衡。这些因素决定了曲轴迄今为止的形状。在发动机发展的悠久历史中，曲轴的设计已成定案。尽管如此，我们还是设定了一个具有挑战性的目标，那就是设计一款比现有机型轻 30% 的曲轴。
Hirosumi Todaka（来自本田技术研究院的创新研发卓越材料 | 工艺部门）展示曲轴样机。
学会改变思维
本田技术研究院与 Autodesk 合作，开始了它的第一个此类项目，该项目专注于开创一种灵活的方法。在本田技术研究院负责研究设计生产流程和新材料的 Hisao Uozumi 表示：“对于我们的设计来说，摒弃偏见、考虑部件纯粹的基本功能是至关重要的。为了奠定这种方法的基础，我们一起举办了一场批判性思考研讨会。”
Todaka 表示：“需要通过一种新的途径来使用衍生式设计和增材制造等方法。我们不得不摒弃先入为主的观念，以崭新的眼光看待事物。”
本田与 Autodesk 共同参加了在日本埼玉县和光市的本田技术研究院工厂举办的设计研讨会。
打造更好的曲轴
Autodesk 准备了第一批部件模型，这些模型根据本田的要求使用 Netfabb 和 Fusion 360 打造而成。Todaka 说道：“我们分享了本田的专业知识，以提供有关重量和各种操作限制的数据，然后随着模型成型，与 Autodesk 团队深入探讨每个点。”
在处理两轮和四轮汽车发动机部件时，Todaka 依靠他过去的经验提出设计，然后进行分析和优化。当他第一次看到结果时，他被震撼了。他说道：“那个部件具有有机的形状，就像人的骨头。这超出了我最疯狂的想象。”
本田技术研究院项目团队成员前往伦敦接受衍生式设计培训；参观了位于英国伯明翰的 Autodesk 技术中心，并探讨了设计之外的主题，例如增材制造。在工厂里，Todaka 说道：“可以快速根据设计制作样机。我觉得这是一个理想的环境，在这里可以将反馈迅速应用到您的工作中。”
优化样机
来自衍生式设计曲轴样机的数据让本田重新考虑其布局和强度标准，从而产生了一套新的部件边界条件。团队继续其工作，并设计出第二批模型。Uozumi 说道：“Autodesk 团队有很多具有不同背景的成员，包括航空航天。他们可以看到我们的设计走向，我们在相对较短的时间内就可以将想法付诸实践。”
衍生式设计可提供一系列的设计方案，这与传统的拓扑优化不同，后者只提供一种解决方案，并且需要长时间的手动更正。Fusion 360 的衍生式设计提供了如 Todaka 所说的“一种我作为设计师甚至都没有考虑过的配置”。新曲轴的设计超出预期，令人惊讶地将重量减轻了 50%，但人们仍然怀疑部件的刚度和强度是否能够比拟典型的曲轴。
衍生式设计曲轴模型渲染效果。图片由本田技术研究院提供。
团队成员将曲轴样机安装到发动机上进行性能测试，获得了大量数据。他们与 Autodesk 团队分享了测试结果，Autodesk 团队正在使用本田的数据来优化其衍生式设计流程。Todaka 表示：“将衍生式设计应用于曲轴等旋转部件，对于本田和 Autodesk 来说都是非常宝贵的经验。”
衍生式设计曲轴模型的金属打印样机。
将制造与设计整合到一起的新模型
事实证明，整合制造与设计流程是极具价值的。Todaka 说道：“它为我们提供了模型来考虑设计限制，例如那些使用增材制造、基于模具的制造或五轴加工引入的限制。”
对本田来说，这个项目揭示了增材制造的可能性。Todaka 说道：“虽然有些人仍然对这种新形状持保留态度，但它引起了对这项技术的关注，一切努力都是值得的。尽管仍然可以做许多工作来减轻部件，但我们现在看到了实现目标的前进道路。在未来，我期望使用衍生式设计创造的创新产品将成为规范。我认为这有赖于我们进一步研究这项技术的应用，这是我们工作的一部分。”
Hisao Uozumi（来自本田技术研究院未来制造的创新研发卓越创造部门）讨论样机开发。