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关于汽车车身设计的研究

在汽车新车型设计开发过程中, 汽车车身设计是直接影响设计成功与否的重要因素。本文通过与传统车身设计方法的比较, 系统阐述了利用计算机辅助车身设计仿形方法的设计步骤, 以及它的主要特点和目前应用的现状。同时还根据设计方法发展的规律, 展望了未来汽车车身设计方法发展的方向和特点。

汽车车身发展的历史, 是设计师不断开发新资源和采用新技术并按照美的规律进行造“物”的历史。在这个历史发展的过程中, 设计师不断地协调着材料、结构、工艺、技术与造型美之间的矛盾关系, 使设计出来的汽车既符合功能要求又符合人的审美要求。

从世界上第一辆汽车Daim ler2Benz 问世至今, 汽车车身设计经历了一个世纪的发展过程。从早期的依靠经验类比进行设计到传统的通过制作车身油泥模型进行设计, 车身造型设计正朝着缩短设计周期、提高设计质量、降低开发成本及提高汽车产品的市场竞争力的方向不断发展。            

近年来随着计算机硬件和计算机图形学的发展, 特别是计算机辅助车身设计方法的广泛应用, 为实现车身造型设计、结构强度分析和模具制造一体化工程提供了条件。

1 传统车身造型设计方法

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图1 传统车身设计步骤

传统的车身设计方法主要是基于手工设计完成的, 它分为初步设计和技术设计两个阶段, 如图1 所示这种车身设计方法是通过实物、模型、图纸和样板来传递信息。整个设计过程首先从制作1∶5油泥模型和全尺寸的立体模型开始, 然后设计人员根据油泥模型手工绘制所有的车身图纸和模具加工图纸。设计过程遵循由外及内, 由模型到图纸的顺序。油泥模型上任何细微的改变都将直接导致主模型和大量图纸的修改, 由此产生的修改设计极其繁琐和艰辛。显而易见, 传统的车身设计方法将造成汽车开发周期长、设计累计误差大、开发成本高和产品的通用化及系列化程度低等问题。

2 车身CAD/CAM 设计方法——仿形法

科学的发展、技术的进步诞生了一批用于现代化设计的先进工具, 例如计算机、数控机床等, 从而使得设计观念和方法得到了彻底的更新。车身设计方法的改变也正是随着高新技术的发展而得以实现的。20 世纪80 年代以来, 计算机软硬件技术取得了突破性的进步, 高速图形工作站和

功能强大的CAD 系统的出现, 使得国外各大汽车公司纷纷引进了CAD/CAM 等先进的设计方法来进行车身设计,车身设计由此翻开了崭新的一页。

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图2 计算机辅助车身设计

步骤(仿形法)

车身CAD/ CAM 设计方法的一个主要工作是利用计算机辅助几何设计(CA GD) 方法来进行车身几何造型设计, 即在计算机上建立一个雕塑车身的模型, 可以从它的表面任意处得到所有的曲线和曲面信息来进行设计和分析, 这个模型就将被作为一个主模型来取代传统车身设计中的立体模型。

运用计算机辅助车身设计的步骤如图2 所示。从图中可以看到, 车身CAD/CAM 方法保留了传统设计中美工雕塑人员常规使用的方法, 即用手工方法绘制效果图、雕塑缩比油泥模型, 然后利用三坐标测量技术对车身油泥模型的表面测量近千个数据点, 根据这些数据, 设计师在计算机中建立一个逼近于真实模型的数学模型。然后根据要求对模型进行相关的修改, 进行结构分析和设计。**将计算机建立的车身模型直接用于车身覆盖件模具的设计和加工。这种设计方法通常称为仿形法。它使得结构设计、有限元分析和模具加工共享统一的车身设计数据库和图库, 确保数据和图形的传递准确无误, 而且设计、工艺和检验人员使用同一数据资源, 既方便又准确。由于采用这种设计方法不仅效率高, 缩短了设计和制造的周期, 而且提高了设计精度, 因而在车身设计中应用越来越广泛和深入。

3 仿形法设计的特点及应用

运用仿形法进行车身设计是对传统设计方法的重大变革, 是一种以分析、判断和优选为核心的现代设计方法。它的特点主要体现在:

(1) 以计算机中的三维实体模型代替传统设计中的主模型, 从而把大量人力从绘图、取样板、制表面、做模型等繁琐的劳动中解放出来。

(2) 提高了汽车产品规划时的可信度, 使设计、工艺、模具设计和制造人员更好地协同工作。在传统车身设计中,各设计部门的职能是相互独立的。例如车身造型部门只是负责车身造型的美观而无需关注这种造型是否能够满足车身功能要求和实际加工的要求。在绘图部门中只是将主模

型绘制成车身图纸而不必考虑各种工艺要求。与此相比, 当采用仿形法进行设计时, 各设计部门的工作是相互协调的。他们在计算机中共享着同一个车身模型, 相互协作使得设计的车身模型能满足各个方面的要求。同时在设计、分析和制造过程中减少了数据传递的误差, 提高了设计的质量, 使得车身设计并行工程成为可能。

(3) 仿形法设计充分发挥了计算机运算速度快和精度高的特点, 极大地提高了汽车车身设计的效率, 缩短了开发的周期。目前用于车身设计的各种CAD/CAM 系统都能够根据三维实体模型自动生成二维的车身图纸和用于数控加工的代码。同时当三维模型发生任意微小的改变时, 系统都会自动地修改与之相关的图纸和数控代码。由此可见, 在整个车身设计的过程中, 所有的模块都是相互关联、相互影响的。车身设计人员可以充分发挥他们的设计思想, 不断地完善和改进三维车身模型, 至于其他繁琐的绘图和修改工作都将由计算机自动完成。

(4) 采用计算机辅助设计的方法还能够对车身造型进行优化设计。当采用传统的设计方法进行优化设计时, 不但要花费大量的人力和物力进行主模型的制作, 而且不能充分发挥主模型的作用。如果该主模型未被正式采用, 它就将被设计人员抛弃, 而不能重复使用。仿形法设计则是利用了CAD/CAM 软件提供的强大的实体造型功能, 能够构造出更逼近于现实、更形象直观的车身三维模型。设计人员经过对各种造型的类比, 从中挑选出一种集多项优点于一“身”的*为理想的设计方案。而其余的车身模型也被保存在一个车身数据库中, 以便于将来对车身进行各种改型设计。同时该数据库还实现了车身零件的通用化和序列化。各大汽车公司采用这种方法后不仅减少了车身设计的成本, 而且使得汽车产品在激烈竞争的汽车市场中具有更强的竞争能力。

自80 年代初以来, 国内外各大汽车制造厂家纷纷采用了计算机辅助车身设计, 它的特点得到了充分体现。仿形法设计在其发展和推广的短短十多年时间内, 使得车身设计方法发生了根本性的变革, 解放了生产力并且由此带来了巨大的经济效益。

美国福特汽车公司从1967 年就开始开发车身设计CAD 系统PDGS, 目前80% 以上的设计由CAD 完成。设计人员用PDGS 设计车身的草图; 然后从数据库中提取该车身的轴距、轮距、长度和高度等数据, 并传递给计算机辅助工业设计(CA ID) 软件系统A ries, 以便进行该车身内部和外部的实体设计。与此同时, 工程分析人员从数据库中提取由PDGS 系统生成的与该车身有关的数据, 并在PDGS 系统中进行前处理, 然后传送给CA E 软件进行工程分析, 继而再运用PDGS 进行后处理。**把该车身的数据送到CAM 软件系统中进行CA PP 和NC 处理。使得模具和许多部件直接由CAD 系统输出的数据进行加工, 从而降低了生产成本, 提高了产品的竞争能力。

美国通用汽车公司在1988 年投资数千万美元实行了以三维CAD 系统U G 为核心的CAD/CAM/CAE/CM 的4C集成化工程, 达到信息流畅通。采用了4C 集成化环境后, 公司的轿车和M PV 的开发试制时间由五年缩短到两年。我国各大汽车企业近几年来纷纷引进了U G、I2DEA S、CA T IA、Euclid、AL IA S 等先进的CAD/CAM 软件进行汽车车身开发和设计, 并取得了较好的成果。

4 展望

事物的发展总是呈螺旋状上升的。一种设计方法终将被更先进更完善的方法所代替。任何一项技术的发展都有一个“生命周期”, 都将经历开始、加速、转变和饱和的S 形发展曲线。近年来车身设计仿形方法得到了广泛的推广, 它的应用和水平已经接近极限, 进入一个饱和的稳定发展阶段。在渐渐显露一些不足的同时, 也孕育和潜伏着车身设计的新飞跃。展望未来, 不难发现未来车身设计将会有两大特点:

(1) 在将来的设计中会逐步摆脱前期手工制作1∶5缩比油泥模型的过程。仿形法设计由于存在手工模型的制作误差和三坐标仪测量的误差, 使得精度难以提高, 劳动强度也较大。这已经成为仿形法设计的一个主要缺点。可以预测, 随着扫描技术和矢量化技术的发展, 在未来的车身设计中可将车身的总布置图由三维扫描仪直接输入工作站中,经过矢量处理后得到原始的数据点, 于是就能运用CAD/CAM 系统进行实体造型了。通过这种方法能把模型误差降低到*小值。目前这方面的研究工作正在逐步深入开展。

(2) 未来的汽车车身设计方法将会使得车身的形式和功能在更高层次上有机结合和统一。随着虚拟现实技术的成熟和完善, 在今后的仿形法车身设计中将会广泛地融入虚拟设计的过程。虚拟现实技术是一个先进的计算机用户接口, 它强调将用户和计算机视为一体, 通过多媒体的方法

将信息进行可视化, 展现在用户面前。用户通过专用的设备“进入”虚拟的环境中, 以各种习惯的方式与计算机进行人机交互。可以设想在将来的汽车设计中, 设计人员能够构造这样一种虚拟设计环境: 人坐在汽车中, 带上头部跟踪显示器, 一边移动或改变位置来操纵汽车, 通过简单的接口控制从各个角度来显示和移动车身部件, 从而真正实现了车身三维真实设计。采用虚拟设计方法后, 设计师不再局限于固定的油泥模型, 而能充分发挥人的创造性来设计汽车车身,突破了传统的功能决定形式的束缚, 使得设计中渗入了更多实用性、更多艺术性和更多综合的因素。

综上所述, 计算机辅助设计及制造方法是汽车工业现代车身设计的必然趋势。是否采用这项方法不仅标志着车身设计的水平, 也标志着产品竞争能力的强弱。我国在这方面的研究工作刚刚起步, 通过不断的探索和研究正在向实用阶段过渡。我们相信, 只要遵循科学技术发展的规律, 现代汽车车身设计方法必将迎来蓬勃发展的21 世纪。

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