基于三維草圖的車身氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)

江 濤 谷正氣 楊 易 何憶斌

湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙，410082

0 引言

傳統(tǒng)的汽車造型設(shè)計(jì)流程是一種局部修形優(yōu)化的方法，即先由工業(yè)設(shè)計(jì)師提出美學(xué)造型方案，再由空氣動(dòng)力學(xué)工程師對(duì)方案進(jìn)行仿真和局部?jī)?yōu)化以確定最終外形［1］。由于兩者在思維方式和技術(shù)手段上不同，要設(shè)計(jì)出既具有美觀外表、良好人機(jī)布局又具有較小氣動(dòng)阻力的車身造型是有難度的，需要經(jīng)歷造型師和空氣動(dòng)力學(xué)工程師之間反復(fù)的修改和協(xié)調(diào)。針對(duì)這種情況，汽車工程界提出一種新的路線：采用氣動(dòng)理想形體作為初始造型的正向設(shè)計(jì)方法［2］，即以事先獲取的具有優(yōu)良?xì)鈩?dòng)特性的“理想基本形體”為出發(fā)點(diǎn)，通過對(duì)其進(jìn)行局部幾何修整及加裝少量氣動(dòng)部件，發(fā)展成同時(shí)滿足藝術(shù)效果、人機(jī)工程學(xué)、工藝、安全法規(guī)等方面要求的車身造型。

然而目前這種新路線還缺乏較好的可行性，理想形體一般為輪廓簡(jiǎn)單、光滑封閉的曲面體，直接進(jìn)行美學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)用化修改是有難度的，也不利于設(shè)計(jì)過程中造型方案的效果評(píng)估。本文參考該路線的思想并結(jié)合工業(yè)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，提出一種改進(jìn)路線：以優(yōu)良?xì)鈩?dòng)理想形體為基準(zhǔn)，在抽取出的特征線上投影美學(xué)元素圖案以生成可用于美學(xué)評(píng)價(jià)和細(xì)節(jié)完善的車身三維草圖，然后在定型草圖方案上直接構(gòu)建可供美學(xué)渲染、工程仿真和數(shù)控加工的CAD模型。作為實(shí)踐，以一輛新概念運(yùn)動(dòng)型轎車的造型設(shè)計(jì)和模型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)為例，證明此技術(shù)路線可以較好地兼顧汽車造型設(shè)計(jì)中對(duì)美學(xué)方案和氣動(dòng)性能的要求。

1 基于三維草圖的車身造型設(shè)計(jì)

1.1 三維草圖的概念

采用理想形體作為初始造型的正向設(shè)計(jì)方法，其設(shè)計(jì)起點(diǎn)是流線性好、具有優(yōu)良?xì)鈩?dòng)特性的理想形體，在形態(tài)上表現(xiàn)為光滑封閉的連續(xù)曲面體。圖1所示為采用升力線理論［2］構(gòu)建的理想形體，而實(shí)際的車身造型方案是具有復(fù)雜輪廓變化的復(fù)合曲面，兩者有很大的差異。要在理想形體曲面上通過直接修改表面以實(shí)現(xiàn)美學(xué)風(fēng)格的融入是不容易的，不符合常規(guī)的工業(yè)設(shè)計(jì)習(xí)慣，也不利于造型修改中美學(xué)方案的評(píng)估，所以以往通過理想形體建立出的概念樣車在造型布局上較為簡(jiǎn)潔，缺乏復(fù)雜的形體變化效果。

圖1 基于升力線理論的理想形體

本文仍以理想形體作為設(shè)計(jì)的起點(diǎn)，提出借助其特征線而非曲面來實(shí)現(xiàn)美學(xué)風(fēng)格的融入。相對(duì)于曲面，曲線的設(shè)計(jì)門檻低，更適合概念設(shè)計(jì)階段的調(diào)整。實(shí)際上，在造型開發(fā)的初期，工業(yè)設(shè)計(jì)師一般是通過手繪素描的方式表現(xiàn)創(chuàng)意［3］，這類手繪圖由平面線條組成，不管是在紙張上用鉛筆繪制還是在數(shù)位板上借助Photoshop之類的設(shè)計(jì)軟件，從本質(zhì)上看是一種位于平面空間的二維草圖。它需要設(shè)計(jì)師憑感官和經(jīng)驗(yàn)來把握線條的布局，圖2為手工繪制的轎車二維草圖。從工業(yè)設(shè)計(jì)的角度來看二維草圖是非常適合的，然而手繪出的線條不能直接用精確的數(shù)學(xué)方程加以描述，無法融入工程信息，因此傳統(tǒng)的手繪草圖在理想形體設(shè)計(jì)法中是不能作為起點(diǎn)的。

圖2 車身手繪二維草圖

本文提出的三維草圖實(shí)際上就是一種基于CAD平臺(tái)、位于立體空間的概念草圖，它由三維曲線組成，能夠像二維草圖一樣表達(dá)出車身的造型風(fēng)格，也可以支持三維視角觀察，其草圖曲線可以自由編輯并能融入工程信息。

1.2 三維草圖的數(shù)學(xué)構(gòu)成

三維曲線采用NURBS樣條曲線，即非均勻有理B樣條曲線，適合于目前常用的CAD軟件平臺(tái)。均勻B樣條曲線有較強(qiáng)的自由曲線表達(dá)功能，而要精確地表示如圓弧、拋物線等規(guī)則的曲線卻較為困難；而NURBS曲線可以精確地表達(dá)上述兩種類型的曲線，這對(duì)于既包含自由變化的覆蓋件又具有標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)圓角細(xì)節(jié)的車身是非常適合的。它通過在基函數(shù)里采用節(jié)點(diǎn)的不均勻分割來適應(yīng)特征頂點(diǎn)或型值點(diǎn)嚴(yán)重不均勻的情況［4］。其數(shù)學(xué)方程為

式中，pi為特征多邊形頂點(diǎn)位置矢量；Ni，k（t）為k次B樣條基函數(shù)。

wi為常數(shù)時(shí)，上式為B樣條曲線，當(dāng)wi取不同值時(shí)，可得各種曲線。wi的引入大大增加了曲線設(shè)計(jì)的靈活性。圖3為NURBS曲線的示意圖，圖中的控制點(diǎn)即為特征多邊形頂點(diǎn)，調(diào)節(jié)其坐標(biāo)就可以實(shí)現(xiàn)位置矢量pi的變化，使曲線的形狀發(fā)生相應(yīng)變化。

圖3 NURBS曲線的控制點(diǎn)

圖4 所示為某轎車的三維特征線，它由多段NURBS曲線構(gòu)成，和圖2的平面草圖不同，從美學(xué)上看，它既可以展現(xiàn)出車身的造型輪廓，又可以在三維空間里進(jìn)行精確調(diào)整和修改，因而是一種三維草圖。

圖4 車身側(cè)面的三維草圖

1.3 基于三維草圖的車身造型設(shè)計(jì)方法

三維草圖既可以作為理想形體的特征線，又可以勾畫出美學(xué)元素的輪廓，這樣就為氣動(dòng)造型和美學(xué)造型的結(jié)合提供了一個(gè)平臺(tái)。

按照上述思想，基于三維草圖的車身造型設(shè)計(jì)方法的路線為：首先選擇適合目標(biāo)車型的理想形體作為起點(diǎn)，抽取其三維特征線組作為幾何約束，在約束線內(nèi)投影構(gòu)建各個(gè)局部的美學(xué)元素線，包括進(jìn)氣口、前后燈、散熱柵格、窗線、修飾線等細(xì)節(jié)，以生成細(xì)節(jié)完善、可供美學(xué)評(píng)價(jià)的三維草圖。通過反復(fù)調(diào)整和評(píng)價(jià)篩選將草圖方案定型，然后就可以直接在草圖曲線上生成CAD曲面，進(jìn)而可以開展下一階段的效果圖渲染、CFD（computational fluid dynamics）流體計(jì)算仿真以及模型加工和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)等，完成造型的前期設(shè)計(jì)。圖5所示為該思路的車身造型設(shè)計(jì)方法。

2 設(shè)計(jì)實(shí)踐

現(xiàn)以一新概念運(yùn)動(dòng)型轎車的設(shè)計(jì)作為實(shí)踐來驗(yàn)證本文提出的路線。該款車型的設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：①具有原創(chuàng)的美學(xué)風(fēng)格；②較低的氣動(dòng)阻力系數(shù)，不高于0．25；③滿足常規(guī)運(yùn)動(dòng)型轎車的人機(jī)布置要求，即發(fā)動(dòng)機(jī)中后置、單排雙座乘員空間。

圖5 基于三維草圖的車身造型設(shè)計(jì)方法

按照本文的技術(shù)路線，其環(huán)節(jié)包括：選擇理想形體、抽取其特征線作為三維草圖約束、構(gòu)建各個(gè)局部的美學(xué)線條、評(píng)價(jià)各種方案以確定最終的三維草圖、建立CAD曲面模型、制作渲染效果圖、外流場(chǎng)數(shù)值仿真、加工比例實(shí)物模型、風(fēng)洞測(cè)力實(shí)驗(yàn)，最后進(jìn)行結(jié)果分析。

2.1 選取適合目標(biāo)車型的理想形體

按照設(shè)定目標(biāo)，采用的理想形體應(yīng)該阻力系數(shù)較小，而且能夠滿足預(yù)定的人機(jī)布置要求。作為整個(gè)項(xiàng)目的配套研究，本文預(yù)先構(gòu)建出了一種類車體理想形體，如圖6所示。

圖6 理想形體模型

在湖南大學(xué)風(fēng)工程研究中心的回流式風(fēng)洞進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，圖7所示為位于風(fēng)洞轉(zhuǎn)臺(tái)上的比例模型。經(jīng)過測(cè)力實(shí)驗(yàn)，得出其氣動(dòng)阻力系數(shù)為0．148，能夠滿足氣動(dòng)性能的要求。從人機(jī)布置來看，其頭部空間較小，后半部分空間較大，因此能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)中后置和單排乘坐空間的需要。

圖7 風(fēng)洞轉(zhuǎn)臺(tái)上的理想形體模型

抽取其特征線作為三維草圖的約束，如圖8所示。為了盡可能地保留原始理想形體的幾何特征，抽取出的曲線應(yīng)包括各曲面片的邊界線、軌跡線、掃掠線、脊線等。

圖8 理想形體的三維輪廓特征線

2.2 建立各個(gè)局部的美學(xué)三維草圖

美學(xué)造型一般按照前視圖、側(cè)視圖、后視圖的視角分成三大部分，每一部分可以相對(duì)獨(dú)立地設(shè)計(jì)，這三部分為：①前臉：最能體現(xiàn)整車造型設(shè)計(jì)風(fēng)格的部分，包括前進(jìn)氣口、前裝飾柵格、前燈輪廓等；②側(cè)面：前后輪框、側(cè)進(jìn)氣口、側(cè)裝飾線等；③尾部：尾燈、尾部排氣口、散熱罩。

有些局部是美學(xué)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，需要構(gòu)思多種方案加以評(píng)選對(duì)比，而有些細(xì)節(jié)則只是襯托。前臉柵格、前進(jìn)氣口和前燈的輪廓對(duì)設(shè)計(jì)風(fēng)格的影響很大，視覺沖擊效果明顯，需要嘗試多套方案；而像側(cè)面的裝飾線由于走勢(shì)較為平緩，一般起視覺平衡作用，所以對(duì)起關(guān)鍵作用的細(xì)節(jié)可以構(gòu)思多套方案，逐步修改和比較。

在前臉美學(xué)圖案的設(shè)計(jì)中，本文構(gòu)思并手繪出如圖9所示的四套前臉圖案，這些圖案來自于靈感和概念，或是對(duì)現(xiàn)實(shí)事物的抽象。

圖9 手繪出的前臉圖案

這些圖案都是二維草圖，并不能直接編輯和用于三維空間，可以采用投影的方式將二維草圖立體化。將手繪圖案轉(zhuǎn)換成具有控制節(jié)點(diǎn)、可編輯修改的NURBS樣條曲線，然后向作為約束的三維草圖投影，調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)使其三維化以變成整車三維草圖的一部分。圖10所示為前臉圖案投影和融入約束草圖的過程。

可以嘗試投影不同的前臉圖案到約束草圖以生成多套方案，因?yàn)楣铝⒂谲嚿碇獾那澳槇D案并沒有明顯的可比性，只有把它們?nèi)谌氲酵暾能嚿聿輬D后才便于評(píng)價(jià)和改進(jìn)。按照同樣的思路投影建立側(cè)面和尾部的美學(xué)特征線使草圖進(jìn)一步完善。圖11所示為圖9的四種前臉圖案在融入到完整車身三維草圖后的效果對(duì)比。邀請(qǐng)不同專業(yè)背景的用戶，綜合口語分析［5］和專家意見的評(píng)價(jià)，選擇第一種方案。

圖10 美學(xué)圖案投影

圖11 不同前臉圖案投影到整體草圖后的效果對(duì)比

在前臉定型后可以進(jìn)一步考慮側(cè)面和尾部的修飾，其中側(cè)進(jìn)氣口、側(cè)裝飾線、尾燈是重點(diǎn)考慮的細(xì)節(jié)。最終可以將整車的三維草圖加以定型，如圖12所示。

圖12 定型后的車身三維草圖

2.3 構(gòu)建曲面模型和渲染效果圖

直接以草圖曲線作為參照，調(diào)節(jié)曲率梳、優(yōu)化節(jié)點(diǎn)數(shù)量以提高曲線的品質(zhì)，通過雙軌掃掠、拉伸等NURBS曲面建模［6］方式構(gòu)建的CAD曲面數(shù)模如圖13所示。

圖13 由三維草圖構(gòu)建的CAD曲面

添加輪胎、后視鏡、地面場(chǎng)景等附屬物件，對(duì)車身表面指定相應(yīng)的材質(zhì)參數(shù)并設(shè)定場(chǎng)景燈光。材質(zhì)參數(shù)包括：基本色、高光色和高光強(qiáng)度、折射度和折射率、反射強(qiáng)度等。采用V－RAY渲染器啟動(dòng)全局照明［7］，以模擬真實(shí)的光照效果。反復(fù)調(diào)試各類材質(zhì)參數(shù)和光照參數(shù)，可以生成圖14所示的渲染效果圖，其效果已經(jīng)接近于真實(shí)照片的水平，可以用于造型方案的最終評(píng)審。

圖14 渲染效果圖

從人機(jī)布置和功能實(shí)現(xiàn)上看，前艙布置有進(jìn)氣口和前大燈，前輪后方即為乘員艙，乘員艙后方、后輪所處的艙室即為發(fā)動(dòng)機(jī)艙，在側(cè)窗下方均設(shè)置有條狀的側(cè)面進(jìn)氣口。

3 氣動(dòng)特性驗(yàn)證

對(duì)CAD模型進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)驗(yàn)證，包括CFD仿真和比例模型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)兩個(gè)階段。

3.1 CFD仿真

以NURBS模型作為仿真對(duì)象，按照汽車CFD仿真的流程［8］，建立計(jì)算域，汽車模型前部留3倍車長(zhǎng)，上部留4倍車高，后部留6倍車長(zhǎng)，兩側(cè)均留5倍車寬。采用OCTREE方法在整個(gè)計(jì)算流域生成非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格，在車身表面拉伸出三棱柱網(wǎng)格以模擬車身表面的附面層。在車身附近流場(chǎng)變化復(fù)雜的區(qū)域使用密度盒加密，以提高計(jì)算精度。

設(shè)置邊界條件，設(shè)定入口流速為30m／s，出口為靜壓力出口，計(jì)算域側(cè)表面及上表面為滑移壁面，車身表面為非滑移壁面，地面為移動(dòng)壁面，因?yàn)槠囋趯?shí)際行駛時(shí)，地面是不存在附面層的。采用RNGk－ε湍流模型進(jìn)行計(jì)算模擬，研究表明，該理論模型在汽車氣動(dòng)性能仿真方面比較理想［9－10］。

經(jīng)后處理計(jì)算出的阻力系數(shù)為0．241。車身壓力云圖及外流線圖見圖15。在車尾后部建立垂直于來流方向的切面，其表面速度矢量如圖16所示。

3.2 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將圖13所示的CAD模型采用數(shù)控機(jī)床加工成1∶4的等比樹脂模型。仍在湖南大學(xué)風(fēng)工程研究中心的回流式風(fēng)洞進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，如圖17所示。經(jīng)測(cè)量和計(jì)算處理，其阻力系數(shù)為0．246。

圖15 車身壓力云圖及流線圖

圖16 尾部切面速度矢量圖

圖17 位于風(fēng)洞轉(zhuǎn)臺(tái)上的比例模型

3.3 結(jié)果分析

從阻力系數(shù)來看，仿真結(jié)果為0．241，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為0．246，仿真結(jié)果相對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差為2．03%，均在0．25以下，與常規(guī)的運(yùn)動(dòng)型轎車相比阻力系數(shù)較小。

從圖15所示的壓力分布可以得出：該車前臉和側(cè)窗下方處氣動(dòng)壓力較大，結(jié)合圖14所示的造型效果圖可知，這兩處壓力較大的局部正是正面進(jìn)氣口和側(cè)面進(jìn)氣口所處的位置，因此該車具有較好的進(jìn)氣效果。

從圖15所示的流線圖可以得出：流經(jīng)前艙、乘員艙頂部和尾艙上方的氣流流線層次分明，具有較好的流線性。而在尾部有流向后方的尾渦生成，結(jié)合圖16所示的尾部切面速度矢量圖可見，有一對(duì)分布車身兩側(cè)、呈左右對(duì)稱的渦漩，這是由流經(jīng)車身頂部和底部的氣流上下相匯而引起的。

從整體上看，該車的氣動(dòng)性能達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，也符合運(yùn)動(dòng)型轎車對(duì)進(jìn)氣設(shè)計(jì)的要求。

4 結(jié)論

（1）提出三維草圖的概念，它基于CAD軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)，既能夠表達(dá)曲面造型的工程幾何特征，又能夠描述美學(xué)元素。

（2）通過引入三維草圖，改進(jìn)了以理想形體為起點(diǎn)的車身氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)方法。即以優(yōu)良?xì)鈩?dòng)理想形體的特征線而不是曲面作為基準(zhǔn)，通過在三維草圖約束上投影美學(xué)元素圖案以生成可供美學(xué)評(píng)價(jià)的車身三維草圖，然后在定型草圖方案上直接構(gòu)建可供美學(xué)渲染、數(shù)值仿真和數(shù)控加工的CAD模型。

（3）以新概念運(yùn)動(dòng)型轎車的設(shè)計(jì)流程為例，以理想形體為起點(diǎn)，經(jīng)過三維草圖設(shè)計(jì)、構(gòu)建曲面片體、渲染效果展示、CFD仿真、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)等環(huán)節(jié)，實(shí)踐證明基于三維草圖的造型設(shè)計(jì)方法具有較好的可行性，能夠兼顧氣動(dòng)性能和美學(xué)風(fēng)格的要求。

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