1、车身设计的演变和发展摘 要:今天的车身外部造型设计，在国外专业人员中被称作“流线形设计”。按照造型师们的新理念，汽车外形的连续完整性不应再依靠挺拔的棱角去表现，而是要由各种曲面光滑的连接以及微妙的光学效果与视觉效果显示出来。摘要：现代汽车造型技术是汽车自主开发能力的核心部分,也是提高汽车产品竞争能力的最有力手段之一。随着计算机辅助设计水平的日益提高,传统的手工油泥模型造型方法已不能适应现实发展的需要,因此,利用计算机辅助设计进行反求设计成为现代造型设计的主要途径。 本论文是在阐述了自由曲线、曲面的造型方法的理论基础上,运用软件Pro/E中的强大的造型功能,分别对汽车车身的建模,模型的光顺和评价
2、等方面进行了阐述和探讨,并且给出了车门实例,通过对实例的分析,提出了自己的观点和见解。 在对曲面造型理论研究的同时,着重对工程三视图或复杂曲面三视图反求产品模型进行创新研究。根据参数化特征造型的特点和工作方式,为企业如何利用这些现有产品的资源重建三维形体,从根本上改变传统三视图审视设计图纸的思维与观察方式。将模糊数学理论应用到曲面品质分析,为曲面设计和制造提供有效的评价方法,同时也为曲面造型方法的进一步研究、创新和发展奠定基础。 本论文在曲面模型建立的过程中,采用了曲面分块原则和选择了造型方法;在曲面的光顺中,提出了以能量法为主的曲面处理方法;在模型的分析中,着重从高斯曲率、斜率、高亮度线和拔
3、模检测四个方面进行.【英文摘要】 The modern automobile(especially car) styling art is the most important constituent part of self-independent development ability and has become one of the strongest way of competition among products. With the development of computer assitent designs level, the traditional manual way
4、 can not meet the need of modern styling design. Therefore, using CAD in inverse solution becomes the important way of modem styling design.By expatiating several ways of free curve and surface styling and using Pro/E for automo.人们总习惯以艺术的观点欣赏汽车的外型，而汽车犹如一个个流动的精度建筑物游戈在道路上，优美的车身往往给人留下难以忘怀的印象。事实上汽车的车身造型
5、 是一个时代社会政治、经济和文化等多方面生动的综合反映，也鲜明拆射出这个时代的整个工业水平及完备程况。特别是汽车制造工业水淮的高低。1913年以前，从汽车诞生起，汽车车身千遍一律是木质马车的改型，直到1915年世界上才出现第一辆由美国巴德公司为道奇轿车制造的全钢车身，从此汽车车身跨进金属结构的时代。那时能获的一辆封闭式车身的汽车就是用户的最大心愿。30年代流行箱式大车身，那时车速很低，设计师不需顾虑空气阻力的大小。四、五十年代军车大出风头，为了打赢第二次世界大战, 各式战争用车，如吉普、牵引车、富秋莎炮车纷纷涌向战场。60年代汽车在保持大功率的同时，车身开始讲究安全性。70年代的能源危机使小巧
6、玲戏的轻型轿车狠狠地赚了一笔，把曰本等推上了经济大国的地位。80年代车身设计师要兼顾动力性、排污性及经济性等多方面的要求。随着电子技术的广泛使用，结构紧奏强度高的流线型轿车现已大量行驶在道路上。展望未来，进入21世纪后，各种具有鲜明个性特征、多姿多采风格各异的轿车将会展现在世人面前。当代轿车车身已由传统的车驾式结构向整体无架结构式转化，这是一种缘于飞机的应力薄壳结构，质轻而强度非常高。与车架式车身相比，重量减轻了400KG 以上，而车身内部空间切丝毫未减少，甚至还有扩大。现代车身设计师有了更优质的材料和加工手段可选用，如超轻型高强度薄板钢材、合金铝材和各式塑料件，先进的加工工艺如三维激光加工等
7、。当然现代车身也被要求具有高得多的防撞抗冲击的能力，以及更严的清洁性，舒适性和智能性的要求，并要求给人以更美的艺术感受。总之，汽车车身是设计师的语言和艺术品，也是设计水准的最高检验。车身设计造型涉及诸如空气动力学，人体工程学、制造工艺学、美学、计算机图形学、结构学、材料学等等学科，它是一种技术和劳动密集型相结合的产品，它的制造成本约占汽车总成本的一半，其设计成本比重在整车总设计中已属最大头，所以车身设计成为制约着汽车制造和新车型开发的关键。设计车身时，首先想到的是如何处理各神曲率不同的复杂空间曲面，涉及曲面的建模、编辑、裁剪及平滑连接过渡等问题。过去传统的设计过程一般分为初步设计与准确技术设好
8、两个过程，需经历1:5小油泥模型、等尺寸油泥模型及样车制造等阶段。其中还必须经过多次的模型和实车的风洞阻力试验，工作极其繁琐艰辛，周期长达年甚至更长，同时存在开发成本高、产品通用化系列化程度低和积累误差大等缺点。随着计算机的技术进步和广泛使用，在车身设计中现已大量使用功能强的计算机技术，如曲面造型能力很强的美国计算机UG软件系统，就为车身进行CAD/CAE/CAM 设计提供了极良好的基础。FEM有限元的车身设计 FEM（FINITE ELEMENT MODE）有限元法是一种随计算机技术进步而发展起来的计算方法，对分析复杂的几何形状受力情况和约束情况进行较大简化后再粗略估算，与实际情况有较大差别
9、。FEM在车身设计上的应用，是先将车身剖分成由有限个单元组成的数以千百计的离散组合体，再运用力学原理分析每个单元的受力特性，然后组集成各个单元的特性，从而得到车身的应力场和具能有效的分析计算及模拟车身的实际受力和结构形状的变化，以及被约束的情况等。由于有元法计算精确，计算结果更接近实际，早在50年代就开始应用于飞机的设计，取得了很成功的经验，后来很快推广到汽车车身及零部件的设计中。目前FEM技术无论在理论研究上或实践指导方面都发展到成熟的阶段，它在处理大型等距离微机化及增强前后处理能力方面，以及在优化结构设计智能型有限元自动估算误差功能等都有了较大的进展。在FEM设计过程中，轿车车身可按简化结
10、构建模，如车身可按简化结构建模，如车身上可A、B柱类件均是由若干个零部件围成的承载结构，可简化为梁薄壳结构单元；车顶盖和地板等板状支承结构，可简化为板壳结构单元；它们靠一种称之为弹性件来连结。由于各结构元属细分法取得，则一个车身可简化为成千个单位件和节点所构成，以此建立有限元车身力学模型。FEM的造型设计两种，一般可分为概设计、过程设计及准确设计三个阶段，与之相对应要建立三个FEM模型。概念设计阶段也称简单FEM，其任务是根据车身总体设计思想和预期使用条件，经过粗略有限元模拟以取得对下步设计的指导作用和取得相关数据，它对计算机的条件和计算时间都要求较低，可快带获取计算结果。过程FEM阶段的任务
11、是根据上步设计数据、完成对零部件的设计、修改和取舍。准确FEM的意义在于经过实车试验后数据经反复修改以确定出吻合的准确FEM，并可根据市场反馈意见，进行快速局部修改，并建立对车身动力学如碰撞响应的有限元模型。这里必须强调的是，在车身设计的全过程中，概念设计的作用十分重要，通过概念设计就基本上确定车身的结构形式和参数，直接影响后续设计的正确和周期，减少重复设计，而且概念设计成本约占总设计成本的70%，对整车成本构成的比重较大。导流式车身造型设计 从汽车行驶速度造成的空气阻力来看，汽车的百年发展史，其实质就是汽车如何克服气动阻力的发展过程，车身的造型进步则生动的演绎着这个变化经历。可以毫不夸张地说
12、，在与气动阻力作斗争过程中推动了汽车车身的进步和开发。从最初的箱式车身发展到四十年代的甲壳式车身，就是得到当代空气动力学在飞机机翼设计应用中的启示而开发出来的，其气动阻力系数比箱式车身大幅度的下降了15-20百分点，达到0、45-0、5的水平，把车速一下子解放到60-70km/h。但随着车速进一步提高，发现凸起的甲壳虫车身尾部，在汽车行驶时将会形成较大的旋涡流区，使汽车不适宜作高速行驶，不过在当时这已经是一个很大的飞跃了。随后几十年的技术进步，轿车车身跨越了“船形“车身的时代而演变到后来较低矮的“鱼脊型“车身（图二） 。由于汽车的质心下降，车身的外曲面十分流畅，这使得车身的稳定性大大增强，抗侧
13、风能力亦得提高，尾部旋涡区域明显减小，直到当今的大多数轿车车身仍基本上是沿用这种造型。随着轿车更高性能的要求和行驶速度更进一步提高，四处流逸的空气流在车体底部，钻进不同的形状的机件内，犹如一个个小小的漏斗和风篷，严重的阻碍汽车快速前移，并且气流还会使车体底部产生如飞机翼般的向上举升力，在汽车高速行驶时会较大的降低轮胎对地面的抓地能力，严重影响车辆的转向操纵的控制性能，并使牵引力显著下降，出现象行驶发飘等敝病。通过空气动力学对各种造型的深入研究，以及更大功率更大直的风洞出现和大量汽车模型的实验，一种更理想的楔型车身造型出现在汽车市场，也就是行话称为“ 子弹头“式的汽车。这种形状的车身就象高速行进
14、的利斧把迎面来的气流劈成上下两部分。因为车身有一个微微向下弯曲的尖形头部，外形又十分光滑流畅，使车身下部气流会产生一个负升力，而车身上部沿车体轮廊的层状气流被理顺得分明匀称，而车尾的涡流则大为减少，造成车身表面气体压强分布较均衡，有助于解决气动阻力与气动升力的矛盾。克服了车轮抓地能力减降的弊端，有效的提高了高速气流下的转向阳花操纵稳定性，增大了抗侧风能力及直线行驶的稳定性。为了克服普通鱼脊式轿车在高速行驶时车前端的提升上举力，应用气体导流式原理有助于问题的解决，解决的方案并不复杂：一是保持车体底部的平衡，二是在轿车的前保险杆下方固定一条较宽的裙幅式风板，尽量减少流往车底的气流。在车体的上下气流
15、差的作用下，增大了车头的下沉力，能有效克服轿车行驶转向系的发飘、操纵性能变坏的现象。同理，在车后部为克服因为尾窗的层流及涡流对尾底平流的压力差而形成的车尾举力，人们在尾部添装了狭窄并微上翘曲的扰乱，以平衡压力差，解决了高速行驶时车尾的悬浮现象。实验证明，这种扰流板对降低油耗还有一定的益处。气流造形的开发研究着重点是最优化设计，大体上可分为两方面的技术工作：一是气动造形的局部最优化设计，另一方面是气动造形的整体最优化设计。前者任务是确定车身的基本造形，必须达到车身的制造工艺学、人体工程学、美学及其他相关学科的各方面要求，并在此基础上进行车身的局部修改，增加空气动力附加装置，实现减少气动阻力和提高
16、行驶稳定性的目的。而整体最优化工作的任务则是根据高气动稳定性和低气动阻力的流线型要求，最终完成实用化车型的整体布置。由于兼顾局部和整体的最优化设计，使车身美感和科学性达到和谐统一，从而追求车身造型的完美性和最优化。定制车身是发展趋势 绚丽多姿、异采纷呈、个性鲜明的车身，是二十一世纪车身发展的趋势，这既符号人类对美学、对个性的追求。既然人类服装由统一的大批量生产朝按个人身材、爱好的量体裁衣过渡；住房由千篇一律的结构和外形向按住户的要求、选择形式各异的造型进行建筑，那么滚滚的汽车更可以朝“我心中想要的式样 “制造，这才真正标志着百年的汽车技术趋于成熟，体现了汽车产品的最终目的。展望未来，定制汽车车
17、身是时代的特征和潮流，顾客不但可以自己选择车身的图案和造形，并以此进行定制生产，体现鲜明的个性和多样性。甚至将来的发展，会使汽车的性能都要服从于车身的造型，把传统的“造型服从于性能“ 的原则翻了个身。目前市场上悄然兴起的车身改制业务，不就生动地体现人类对个性、对美学的执着追求吗？1999年问世的凯迪拉克EVOQ依沃克概念轿车，令人耳目一新为之振奋，这种别具一格的车身造型突破了轿车传统的曲面和圆滑风格，外表几何图形线条异常突出，交叉的平面干脆利落，轮廓线尖削凸起，体现出若隐若现的钻石般品质和雕刻型视觉，映射出现代型战机的形影，满足了现代青年人对品质、速度、艺术和高科技的追求。现代著名的汽车制造商已开始把车身定制业务当作增加市场份额和与对手的基本来考虑，在经营方向和制造工艺技术上作出可积极的准备。当前车身定制业务开展有较车车身的部分定制、全部定制及定制服务三种形式。所谓定制服务是指根据车主的特殊要求，如照明设计服务、改变车身外表图案和颜色，更换车内座椅和车内的布置装饰，以及为音乐爱好者设计艺术动听的音乐等等，以满足不同车主各式各样的个性鲜明的多种要求。
