1、第2章 汽车车身设计方法, 汽车车身设计的特点传统车身设计方法现代车身设计方法,迈腾以技术见长入市，其高科技一直是其宣传的两点，其中运用到安全方面的科技所占比例最大。迈腾采用了高强度车身结构设计，车身结构74%采用了高强度和超高强度钢板，其中关键结构都采用工艺技术更高的热成型钢板；并采用空腔灌蜡技术，保证12年防锈穿；同时还不惜成本运用了无缝激光焊接技术，焊缝总长度达42米，焊缝接合达到分子层面，碰撞时只会变形而不会断裂，使得车身达到了整体钢板的强度。,2.1 汽车车身设计特点,车身是一个薄壳曲面封闭体，相当于一个临时住所或活动的建筑物，但又都受到质量和空间的限制。因此，车身设计有别于汽车上其
2、他总成的设计，有其自身的设计特点。 汽车车身设计的特点是： 1. 汽车车身设计涉及面广，远远超出一般机械产品的范围。车身设计要考虑节能、环保、安全三大主题；要考虑空气动力学、人机工程学要求；设计时还涉及车身造型艺术、内部装饰、取暖、通风、防振隔声、密封、照明以及人体工程等。另外，同时还要保证其具有足够的强度和刚度，以保证运行中的可靠性，这涉及结构力学、计算数学和计算机等方面的知识。 2.汽车车身设计方法有别于汽车上其他总成。车身不仅是一个产品，还是一件精致的艺术品，它以其优雅的雕塑形体、内外装饰及悦目的色彩使人获得美感享受。车身外形还可反映时代的风貌、民族传统和独特的企业形象。它的外形设计、制
3、图和结构计算方法、制造与装配工艺均不同于其他总成的设计。在传统的车身设计中，要制作主图板和主模型；而在现代的汽车车身设计中要建立数字化车身模型，这是其他机械产品很少进行的工作。,3. 车身的结构设计有独特的要求。 车身的零件繁多、结构复杂，一般轿车白车身由约400500多个冲压件组成。车身所受载荷复杂，包括驱动、制动、转弯等；惯性力，还包括路面反力和作用于不同位置的发动机等总成载荷。车身边界复杂，不同的悬架种类在不同情况下对车身产生不同的约束和支承，因此在设计计算时一般无法获得汽车车身结构的强度、刚度和模态的解析解。 现代车身结构分析方法常采用数值模拟和试验分析方法，现代数值模拟分析方法主要是
4、指有限元分析方法；现代试验分析方法主要是指电测法，即应用传感器、测量和分析仪器对车身实物零部件或小比例模型进行支承加载和测试，这是数值分析模型验证的主要手段。 4. 车身设计时除满足车身应有一定的强度、刚度要求外，还应进行防振降噪、碰撞安全性、金属材料缓蚀性及轻量化方面的结构设计。 5.由于车身结构主要由复杂的空间曲面组成，需要采取一整套特殊实物（样板和主模型等）模拟和“移形”（模拟量传递）的办法。不能用一般的机械制图方法将它完整地表现出来。在产品设计生产准备和投产等阶段中，实物可以补充图样之不足，保证成套工艺装备（模具和裝焊夹具等）之间乃至零件之间的协调验证。正因为如此，决定了车身设计的复杂
5、性。,2.2 传统车身设计方法,传统车身设计方法规定车身图样必须采用刻有坐标网格的铝板，同时还必须制作三维立体模型作为设计的依据，形成了整套较复杂的设计方法。该方法分为初步设计和技术设计两个阶段，其过程如图l-l所示。,一、传统车身设计方法的步骤：,1. 车身总布置草图设计根据整车的初步控制尺寸(汽车的总长、总宽、总高、轴距、轮距等)和总布置方案(发动机和传动系的布置等)，以轿车为例，绘制1:5车身布置的三视图(图2-2)。在此图中，应初步确定车身的主要控制尺寸，如：前悬与后悬、前、后风窗位置及其倾角、前围板位置、发动机高度、地板高度、座椅布置、操纵机构布置以及内部空间的控制尺寸等。,2. 绘
6、制l:5的彩色效果图在上述车身布置图的基础上绘制多方案的彩色效果图，此种图有多种表现形式：表示整车(图2-3)的，该图最好按照透视规律绘制并配以色彩，要求逼真、形象,以收到使未来新车型跃然纸上的效果；表示局部效果的，这时只要求细致刻划和突出需要琢磨的部位，如：车头、后尾、前脸以及内饰等等。在车身内饰图上应具体地反映出车身内部装饰(如仪表板、座椅、侧壁的覆饰和有关附件等)的效果。 在绘制效果图的过程中， 出于审美的要求，往往需 要对上述车身布置图的线 型作相应的修改。至此即 可广泛征求意见，从中初 步选定一种满意的方案。,3. 雕塑1:5的油泥模型以1:5车身布置图的外形尺寸和彩色效果图的外观为
7、依据，即可进行雕掣1:5油泥(或石膏)模型。此模型应定位安放在刻有坐标网格线(每格距离为200mm的1/5)的平台上，模型上也划分有相应的网格线(见图2-4)。模型的外表各部(如前脸、屋灯、门把手等)应力求细致，以便于观察其立体效果。 在雕塑此模型的过程中，出于审美实感的要求，还可能要对1:5车身布置图和彩色效果图作某些相应的非原则性的补充和小修改。由此可见，以上三步实际土是相辅相成，反复交叉进行的。,4. 绘制1:1线型图此图是在初步设计的基础上进行绘制的，因为从线型图可以大致观察汽车的外形轮廓，所以这一步的目的在于发现和修正前一阶段初步设计中小模型上所暴露的问题。据此可以从各个角度面对竖置
8、的线型图(图2-5)进行观测，这样可检验放大后的效果，以便作适当的修改，从而避免后续各步走弯路而导致不必要的返工。,5.雕塑1:1油泥模型此模型实际上是经修改过后的1:5油泥模型的放大模型(如图2-6所示)，它反映了未来新车的立体造型效果，模型上和平台上也都刻划有相应的坐标网格(每格距离为200mm)。此模型要求表面光整、曲线连续、能较准确地反映出车身各部分曲面的外形。这样才能从模型上直接取得样板，以供绘制主图板作依据。,6.制作1:1内部模型此模型一般均采用木制骨架如图2-7所示，其内部覆饰和装备(如仪表板、座椅和方向盘等)则尽量采用或借用实物。其目的主要在于检验内部布置尺寸(考虑操纵方便性
9、、乘坐舒适性以及上下车方便性和视野性等)及内部装饰效果。根据1:1油泥模型和内部模型，可以确定车身表面和车身的结构，门窗位置以及板金零件的分块等，这时就可着手转入绘制主图板(Maste 1ayout)的工作.,7.绘制车身主图板 如图所示为车身主图板的大致轮廓。在车身主图板上应能反映出: 1) 车身上的主要轮廓线(包括一系列的截面曲线)。 2) 车身上各零件的装配关系。 3) 车身上各零件的结构截面。4) 可动件(如车门、发动机罩和行李舱盖等)运动轨迹的校核。由上可见，主图板是车身技术设计中最关键的一环。由于车身具有大型复杂的空间曲面，必须用三维坐标来表示。为了确保尺寸精度和稳定性，过去往往以
10、1:1的比例绘制在刻有坐标网格线的铝板上，利用铝板不变形的特性来保证主图板尺寸的稳定性，而铝板则固定于一木质平台上。因此，“车身主图板”一词可以理解为车身主要轮廓和结构的图板。现在已普遍改用厚度为0.150.18mm的聚酯薄膜(片)来绘制原“车身主图板”的内容，此时“车身主图板”这个专用名词就有待修正为“车身主图片”了，改用聚酯薄膜来取代铝板，有的优点：耐用、不变形，可利用化学感光法进行复制、不占用很大空间、便于使用和保存. 为了保证车身零件制造和装配的精度，要求坐标网格线的精度为0.1mm，800mm见方的网格中二对角线的误差不超过0.2mm，车身图的精度应保证为0.25mm 。主图片上网格
11、的零线可根据下述原则来选取： (1) 高度方向的零线 一般取汽车满载时车架纵梁的上翼缘面、地板平面或通过前轮中心的水平线作为零线。 (2) 宽度方向的零线 毫无例外地取汽车的纵向对称中心线作为零线。 (3) 长度方向的零线 通常均选取汽车前轮中心的垂线作为零线(图2-8所示例外)。为了减小图面面积同时照顾到便于投影起见，可将视图适当重叠，但应注意尽可能使线条疏密搭配，勿使其混淆不清，以便于查找和修改。此外，考虑到投影的方便，前视图和后视图可采用第三象限的画法。出于制造冲模的需要，主图片上的轮廓线均以零件的内表面为依据(亦即与实物差一料厚)。,8. 绘车身零件图 车身上各个零件的边界条件可从主图
12、片上获得，通过对零件的具体结构设计所确定的截面形状，又可用来充实主图片的内容。在车身零件图上也必须绘出相应的坐标网格线，零件的尺寸基准可按标注方便选取任一坐标线或另作辅助基准线，标注曲线上各点的标距应按曲率变化的大小不同选用5、10、15、25、50、100mm等几种，另一坐标则为诸点至基准线的距离，其准确度为0.25mm。为了与主图片取得一致，零件图上的尺寸应按零件的内表面标注。在零件图上无法表达的复杂曲面，应在图上标注“未注明的零件表面尺寸按主模型量取”。必须指出，在普通机械的设计工作中，制图工作约占整个工作量的5060，而在传统的车身设计工作中，可以说几乎绝大部分时间都在从事这种繁琐的、
13、重复性的工作。特别是由于车身覆盖件的装配关系是一环紧扣一环的，而车身图纸又都按坐标来标注尺寸，所以哪怕是局部外形和尺寸的改动，也会产生连锁反应，“牵一发而动全身”，导致制图工作的大量返工。,9. 制造车身主模型 主模型是根据主图片、车身零件图和样板等制造的1: 1实体模型，它是重要的设计资料之一，同时也是作为制造冲模、胎具、装焊夹具、检验样架的主要依据，它还是大批量生产汽车车身时不可缺少的依据。由于主模型的制造周期长、造价高，所以在定型以前不宜急于制造主模型。主模型应按车身覆盖件分块，其分块原则上应当与车身零件一致，并应考虑制造工艺上的要求，如拉延深度、压床台面尺寸和板材规格等。为了便于制造冲
14、模，主模型各块的外表面均系车身覆盖件的内表面。主模型可以按车身覆盖件在汽车车身中的位置分为外主模型和内主模型两部分，它们分别表示车身外覆盖件和内部零件的立体表面形状，图2-9所示为轿车前翼子板的主模型。外主模型的各块按一定基准面拼装在如图2-10所示的框架上，以构成一外形和汽车一模一样的外主模型。,内主模型的结构型式和外主模型大致相同，内主模型的特点是它大多与外主模型有配合关系或装配关系。因此，内主模型应尽量考虑组装，例如：轿车门框总成，可将前、中、后立柱与上、下边梁设计组装成一体；前、中、后地板与前围板、轮罩等也可以设计组装成一体，以便于直接协调验证。在汽车的整个投产过程中，主模型有点相当于
15、“米原器”(保存在法国巴黎的米尺标准模型)的作用。因此，要求其尺寸十分准确，并须采用优质木材(如楠木、柚木、红松、核桃木等)来制造，制造之前还必须先将木材进行干燥处理(湿度应控制在68范围内)。主模型应当存放在温度（1025）和相对湿度(2540)的室内予以妥善保管。以上所述的各步，只不过是车身外形和主体结构的设计过程，按照传统设计方法，其设计工作量很大，设计周期也长。所以，应尽量利用电子计算机代劳，以使设计人员从繁琐，重复的劳动中解脱出来，去从事更高一级的工作。,二、传统车身设计方法存在的问题 1. 车身开发及生产准备周期长。 2. 设计的累计误差大。其主要原因是在设计和生产准备各个环节之间
16、信息的传递是靠“移形”的办法进行的。例如，由主图板制作主模型，由主模型加工艺补充制造工艺模型，再由工艺模型反靠加工冲模，原始数据经过多环节的转换，人为的和设备造成的误差在所难免，导致加工出的冲模精度无法保证。 3. 费时费力，工作强度大。无论是绘制车身图样还是制作主模型，都将付出大量的艰苦劳动和时间。 4. 车身设计开发成本高。在发现问题后如果不得不更改设计时，将迫使生产准备工作大量返工而造成浪费。 5. 产品的通用化与系列化程度低。,2.3 现代车身设计方法,现代车身设计流程如图2-11所示。通常分为概念设计和工程设计(或称技术设计)两个阶段进行。 一、 概念设计概念设计是对未来投产汽车的总
17、体概念进行概括性描述，属于设计的前期工作。这个阶段是从产品创意开始到构思草图，完成既实用又美观的造型设计，并制作模型和试制概念样车等的全过程。在这个阶段需多部门合作同时开展工作，即需要吸收高级管理人员、设计工程师、制造与工艺工程师、财务人员、市场销售人员及生产计划工作人员参加，所以概念设计又称为“同时工程”。概念设计内容包括论证产品的开发目的，进行使用调查，指出开发的必要性与可行性；进行市场预测、产品水平先进性分析、目标成本测算。为了在产品制造出来之前先给人们一个形体概念，往往需绘制概念草图、初步布置图和美术效果图，作为补充还要制作缩比模型等。概念设计是产品设计的纲，决定着产品的设计方向和优劣
18、。它是工程设计的雏形，在随后的设计中允许对车身的数据形态进行修改。在概念设计阶段，要对现有同类型车型的空气动力性能进行试验分析，定出目标。因此，在这个阶段要从大量的平面效果图中筛选好的方案，再制作数个缩比模型进行风洞试验，以优化设计方案。在概念设计阶段，要对车型、工艺等进行分析并作出抉择，同时对车身变形种类作出规划，另外还应该关注车身结构的可靠性与维修的方便性。,二、 技术设计现代汽车车身设计流程简介如图2-11所示。传统的车身设计方法主要是基于手工完成的，车身造型设计是通过实物、模型、图样和样板来传递信息的整个设计过程从制作l:5油泥模型和全尺寸主模型开始，然后由油泥模型手工绘制所有车身图样
19、和模具加工图样。这种设计方法存在的问题在上面已详细叙述。随着科学技术的进步，车身设计在技术设计阶段已发生了质的变化，出现了电子计算机辅助车身设计、数字化车身设计等方法，大大提高了车身设计的效率和质量。, , ,1.电子计算机辅助车身设计电子计算机辅助车身设计流程如图2-12所示。该设计方法的主要特点是利用电子计算机进行信息处理和信息传递，将车身外形的转移从模拟量的传递改变为数值量的传递，利用计算机辅助几何设计方法辅以制作缩比油泥模型，再用三坐标澜量仪对油泥模型进行成百上千次的数据测量，在计算机上建立一个雕塑车身的数据模型。这个模型可代替传统车身设计中的立体模型，用它进行结构分析和设计。最后将计
20、算机建立的车身模型直接用于车身覆盖件模具设计和加工，使得结构设计、有限元分析和模具加工共享统一的车身设计数据库，确保数据和图形的传递准确无误。此外，设计、工艺和检验人员使用同一数据资源，既方便又准确。关于设计方法可参看唐永革等编著的汽车车身计算机辅助设计中的有关内容。,2数字化车身设计数字化车身设计的核心是数字化建模。数字化建模技术就是根据已有的草图或想象，利用交互式将物体的形状在计算机上建立起数学模型。利用该数学模型可在车身产品还未生产出来之前，就可以对车身进行测量，并进行空气动力学测试、应力分析、模拟加工和演示等。它是对车身进行分析计算的基础。 （1）数字化车身建模的基本原理构造汽车车身数
21、学模型的基本理论依据是计算机几何学，所使用的工具是计算机及其软件。在计算机上应用贝齐尔方法、均匀B样条方法或非均匀有理B样条方法(NURBS)等数学知识，将车身表面的自由曲线、曲面或其他形体转化为数学模型，亦即用数学方程来表达车身表面的曲线、曲面或形体。有关B样条与贝齐尔中用到的曲线、曲面拟合方面的数学知识详见唐永革等编著的汽车车身计算机辅助设计中的有关内容。,（2）数字化车身设计的主要步骤 1) 确定车身总布置，并利用扫描技术和矢量化技术，将车身总布置图(图2-2)由三维扫描仪直接输入计算机工作站，经过矢量处理后得到原始数据点。 2) 根据已有的总布置尺寸和图形，在计算机屏幕上用线条和色彩覆
22、盖总布置图，再借助于Alias等软件构造出三维数学模型，进而绘制出立体效果图。 3) 通过三维图像的屏幕投影，从任意角度去观看造型的形体，并对三维数学模型进行修改，从而建立起车身外表面的数学模型。 4) 利用CAD技术、数控技术、激光技术和材料集成起来的从设计到实体模型加工一体化的系统技术，用CAS数据加工出1:1的油泥模型，用作进行外观评价和性能参数调试分析。 5) 根据车身表面的数学模型进行车身结构及内饰、仪表板等内部部件的设计，建立模具加工文件，并利用CAE技术从事车身强度、刚度、碰撞和空气动力学方面的计算和模拟。从上述过程可知，数字化车身设计摆脱了前期手工制作1:5缩比油泥模型的过程和
23、三坐标测量的误差，因而设计周期缩短、精度高且减轻了设计的劳动强度，还能充分发挥人的创造性。,3虚拟现实技术的车身设计与逆向工程设计 (1) 虚拟现实技术虚拟现实技术(VR，Virtual Reality)是一门综合技术，它以计算机技术为主，综合利用计算机三维图形技术、模拟技术、传感技术、人机界面技术、显示技术和伺服技术等，形成一个逼真的三维视觉、听觉及感觉的感观世界。该技术具有沉浸感、交互性、构想性和实时性四大特点。它是联系人脑中现实世界和计算机中虚拟世界的桥梁，而且交流是双向的。该技术使人沉浸在如真实环境一样的虚拟环境中，可通过自己的动作改变感受的内容，同时可人为地为实现一定目标用途构想出某
24、种环境，使人在某种环境中进行体验。该技术用于设计方面时，只要设计人员修改了某些设计指标，便会立即观察到这些改变带来的后果。虚拟现实技术是高度发展的计算机技术，它不仅包括图形学、图像处理、模式识别、网络技术、并行处理技术、人工智能等高性能计算拄术，而且涉及数学、物理、通信，甚至涉及气象、地理、美学、心理学和社会学等相关领域。,虚拟现实技术用于设计，表面上看与传统的CAD技术十分相似，两者都是以计算机系统作为设计的辅助方式，但两者有很大的区别，主要表现在： 1) 虚拟现实技术具有交互和实时的特征，可使设计者呈主动状态，能身临其境；图形真实感强，有远、近、纵、深的感觉。所有这些特征，传统的CAD都没
25、有。另外，利用虚拟现实技术可实现多产品和新老产品同时开发和资源共享。 2) 利用虚拟现实技术进行车身设计，可取代一些模型制作环节，造型方案确定后的建模数据可直接用于车身结构设计、冲压模具设计等后续环节，还可设计出汽车车身的各种零部件，甚至可装配出整辆虚拟样车。该样车放置在“虚拟汽车试验场”便可进行各种性能试验及碰撞试验，并可进行改进设计，这样就可节约大量的资金和时间。 3) 虚拟现实技术的实现需要大量设备支持，这些设备包括计算机平台，显示装置及交互式附件等。,用于车身设计，虚拟现实技术的实施步骤由建模和演示两个阶段组成。 1) 建模阶段 进行汽车总布置和车身总布置草图绘制，如图2-13所示。
26、绘制车身效果图。 利用计算机辅助造型(CAS)建模，在仔细研究曲面特征、方案的基础上，用手工或用CAD软件制作三视图，井将其导入建模软件中且准确地置于坐标中，然后进行主模型的构建。 建立环境模型，即以虚拟的世界建立与现实世界一样的环境。 给所建立的模型赋于材质。 2) 演示阶段是将已有的设计模型同虚拟的环境以及其他结构设计软件、结构分析软件、空气动力学软件、虚拟装配软件等联系在一起。在完成模型和环境导入后，再对光线、材质进行调节，并处理好阴影、反光等技术问题。最后根据不同的展示进行其他部件设定，如输入设备有空间鼠标、WANDA、跟踪器、数据手套等，显示屏幕有平面墙、曲面墙、多面体等。根据不同的
27、展示，选择不同的配合部件。完成上述有关内容后，虚拟现实模型即可提交展示或评审。,(2) 逆向工程逆向工程(Reverse Engineering)也称为反求工程、反向工程等。逆向工程起源于精密测量和质量检验，它是设计下游向设计上游反馈信息的回路。产品的逆向工程是根据零件(或原型)生成图样，再制造产品。它是一种以先进产品设备的实物、样件、模型、软件(包括图样、程序、技术文件等)或影像(图像、照片等)作为研究对象，应用现代设计方法学、生产工程学、材料学和有关专业知识进行系统分析和研究、探索掌握其关键技术，进而开发出同类的更为先进的产品的技术，是针对消化、吸收先进技术采取的一系列分析方法和应用技术的
28、结合。广义的逆向工程包括形状(几何)逆向、工艺逆向和材料逆向等诸多方面，是一个复杂的系统工程。通常所说的逆向工程即指对几何形状的逆向，称为实物逆向工程，是将实物转变为CAD模型相关的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称。这种从实物样件获取产品数学模型并制造得到新产品的相关技术，已经成为CADCAM系统中的一个研究及应用热点，并发展成为一个相对独立的领域。在技术引进中，要想从国外获得产品的图样、技术文档、制造工艺等全部资料几乎是不可能的，但可在复制的基础上进行改进和创新。这是我国在市场竞争日趋激烈的情况下，提升我国汽车制造业水平的重要途径之一。,逆向工程是以原有产品、设备的实物为模型
29、，进行数据采集、数据处理，建立CAD模型，对原型产品进行分析修改、完善和再设计等创新设计的过程。所得到新的模型经过NC加工，快速地制造出模具，最后得到更为先进的产品。车身CAD中逆向工程技术的应用，主要是对车身零部件曲面的造型与车身实体零件模型的逆向重构，用于结构分析和零件制造。 车身逆向工程的一般步骤： 1) 确定产品的主要特征及性能指标，开展调查研究，理清设计的整体思路。 2) 利用非接触式的光学三坐标测量仪对被测车身、车身零件或模型进行测量，获得被测件的点云数据。 3) 对测得的点云数据进行处理。包括精简点云数据，确定点云数据的车身坐标等。 4) 曲面模型重构处理。此步是车身逆向工程的关
30、键。一般先用阶数较小的44阶曲面进行拟合，如果不能很好地拟合点云数据，可改用A级曲面阶数6 6阶或88阶进行拟合。单个曲面生成后还应对相邻曲面进行匹配处理，以生成曲率连续的曲面组，并利用检查工具检查曲面生成质量，以便进行修剪处理。 5) 整体结构设计。 6) 零件实物模型制作。,2.3.3 车身数字化设计实例,一、轿车车身数字建模设计（设计者：陈鑫、曹敏伟等）二、汽车零部件逆向设计（设计者：王硕、范佳宝等）,第2章 （汽车车身设计方法）复习题 2-1.汽车车身设计的特点有哪些？ 2-2.简述传统车身设计过程的步骤。 2-3.传统车身设计方法的主要缺点是什么？ 2-4.简述数字化车身设计的步骤。 2-5.何谓虚拟现实技术？何谓逆向工程？ 2-6.试说明车身逆向工程的一般步骤。,
