汽車車身的個(gè)性化設(shè)計(jì)方法

張玉，王娟平

（寶雞文理學(xué)院，陜西 寶雞 721000）

引言

汽車作為一種現(xiàn)代交通工具，已經(jīng)與人們的生活息息相關(guān)、密不可分。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)3.10億輛，其中汽車2.17億輛，汽車已經(jīng)由必需品轉(zhuǎn)變?yōu)樯钇焚|(zhì)提升的舒適品，當(dāng)然高檔車更是發(fā)展為奢侈品了。而現(xiàn)在汽車制造業(yè)生產(chǎn)汽車大都還是進(jìn)行規(guī)?；可a(chǎn)，很難滿足消費(fèi)者的個(gè)性需求；同時(shí)，隨著智能制造技術(shù)的發(fā)展，使得個(gè)性化定制汽車自然而然的成為一種可能，更成為一種趨勢(shì)。目前來(lái)說(shuō)，汽車廠家的個(gè)性化定制主要是從圖案、顏色、形狀方面來(lái)考慮，當(dāng)然性能方面的個(gè)性化就涉及到車輛的改裝了；通過(guò)這種定制設(shè)計(jì)與制造，用戶就可獲得與其個(gè)人需求高度吻合的汽車，從而達(dá)到滿足消費(fèi)者需求的目的。

長(zhǎng)期以來(lái)，車身的設(shè)計(jì)方法主要有兩種，即傳統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)和逆向設(shè)計(jì)，而個(gè)性化定制汽車的設(shè)計(jì)，兩種設(shè)計(jì)方法互相交錯(cuò)，互為補(bǔ)充，同時(shí)可用。

1 正向定制化設(shè)計(jì)

正向個(gè)性化定制車身的主要思路如下：1）根據(jù)不同客戶的需求設(shè)計(jì)車身的總布置圖，比如：兩座、五座；三廂、兩廂或者商務(wù)；或者更另類的外部造型等等；2）在總布置圖的基礎(chǔ)上，依據(jù)客戶要求的外形、顏色繪制彩色效果圖，如：純色、套色等；3）借助多樣化的軟件和設(shè)計(jì)模塊，三維設(shè)計(jì)出汽車整體模型；4）用相關(guān)的功能分析軟件驗(yàn)證汽車的功能及風(fēng)阻，并不斷的返回第二步進(jìn)行外形的修改；5）繼續(xù)與客戶溝通，達(dá)到功能與外形的最優(yōu)組合，確定讓客戶滿意的汽車模型。下圖為車身正向設(shè)計(jì)流程圖。

1）車身總布置方案的確定

汽車車身總布置方案是汽車車身設(shè)計(jì)的首要任務(wù)，車身布置是對(duì)車身內(nèi)外形、發(fā)動(dòng)機(jī)艙、行李箱、前后圍、地板、車窗、內(nèi)飾總成和部件、備胎、燃料箱和排氣系統(tǒng)等，在滿足整車布置和客戶對(duì)車身造型的要求下進(jìn)行尺寸控制和布局。其是過(guò)程如下：首先確定駕駛員座椅的位置及尺寸，畫出不同調(diào)節(jié)功能的各個(gè)位置，并畫出眼橢圓，定出上、下、左、右視野；確定儀表板的位置；用人體模型確定方向盤的位置、角度；畫出操縱手柄和踏板及拉按鈕的位置；確定前后風(fēng)窗的角度和邊界；確定側(cè)門與門框的位置；確定地板及頂蓋的位置；與客戶協(xié)商車身造型，再確定動(dòng)機(jī)艙、行李箱、前后圍、內(nèi)飾總成和部件、備胎、燃料箱和排氣系統(tǒng)在整個(gè)車身上的放置位置；畫出1：5總布置草圖。如圖2所示，為某一汽車的總布置草圖。

圖1 汽車正向設(shè)計(jì)流程圖

圖2 某汽車布置圖

2）繪制車身彩色效果圖

彩色效果圖可以讓客戶直觀的感受到自己參與設(shè)計(jì)的車型的表現(xiàn)形式，在這個(gè)過(guò)程中，客戶還可以根據(jù)自己的喜好更改車身的顏色、造型等，達(dá)到客戶滿意的設(shè)計(jì)效果為止。如圖3所示，為某一車身的彩色效果圖。

圖3 車身彩色效果圖

3）汽車三維模型的建立和實(shí)驗(yàn)

傳統(tǒng)的汽車設(shè)計(jì)過(guò)程中需要制作 1:5或全尺寸油泥模型，通過(guò)分析油泥模型、風(fēng)動(dòng)試驗(yàn)改進(jìn)汽車的設(shè)計(jì)，這個(gè)過(guò)程周期長(zhǎng)、成本高、效率低。隨著軟件科學(xué)的發(fā)展，運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)可以縮短設(shè)計(jì)時(shí)間、并且可以對(duì)設(shè)計(jì)的汽車模型進(jìn)行仿真分析。CATIA、UG、PRO/E等軟件中強(qiáng)大的曲面構(gòu)建功能可以幫助我們方便、快捷的構(gòu)造出汽車模型，例如CATIA中的Generative Shape Design、Freestyle、Quick Surface Reconstruction等模塊。

圖4 用CATIA繪制的汽車模型

4）與客戶進(jìn)行溝通，不斷修改模型，到客戶滿意為止。

2 采用逆向設(shè)計(jì)

汽車是一個(gè)有很多曲面的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物體，用車身正向設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)汽車周期長(zhǎng)，車身模型和圖紙比較難建立，為了在客戶滿意的前提下，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，在個(gè)性化定制車身的設(shè)計(jì)中可以采用逆向設(shè)計(jì)。首先是讓客戶在眾多的現(xiàn)有車型中選擇一款與自己的預(yù)期最接近的車型，用三維掃描儀獲取汽車的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后將處理后的數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入 UG、PRO/E、CATIA等三維軟件，根據(jù)客戶需求重新設(shè)計(jì)模型。下圖為車身逆向設(shè)計(jì)流程圖。

圖5 逆向設(shè)計(jì)流程圖

1）點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集

采集汽車車身點(diǎn)云數(shù)據(jù)的儀器是光學(xué)三維掃描儀。為了獲得高質(zhì)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，必須要做好掃描的前期準(zhǔn)備，如：確定測(cè)量空間，保證測(cè)量車身位于測(cè)量空間之內(nèi)；校準(zhǔn)掃描儀，這是保證數(shù)據(jù)采集精度的第二步；調(diào)整測(cè)量時(shí)的光線、角度、高度，保證測(cè)量結(jié)果最優(yōu)。由于汽車車身過(guò)大，掃描儀無(wú)法一次完成掃描，可以分別測(cè)出汽車的各個(gè)面，進(jìn)行拼接。如下圖測(cè)出汽車的左前、右、后側(cè)的面，然后在軟件中進(jìn)行去燥、拼接、片體化處理。

圖6 車身不同方位的點(diǎn)云及拼接后的整車云圖

2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理

在測(cè)量點(diǎn)云的過(guò)程中，由于光線作用、掃描儀的震動(dòng)、操作者操作水平、溫度、濕度等因素，會(huì)導(dǎo)致掃描出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)出現(xiàn)一些誤差，所以必須在重新構(gòu)建車身曲面之前對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。先將掃描出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入 Geomagic Studio軟件，去除噪聲點(diǎn)、體外孤點(diǎn)，進(jìn)行封裝；再對(duì)初步處理好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接與對(duì)齊，得到拼接后的整車點(diǎn)云圖，如圖6所示；在整個(gè)過(guò)程中，為了減少運(yùn)算量、節(jié)省運(yùn)算時(shí)間，將不必要的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行壓縮。

3）將處理好的點(diǎn)云導(dǎo)入U(xiǎn)G、PRO/E、CATIA等三維軟件，進(jìn)行曲面重構(gòu)

將處理好的點(diǎn)云導(dǎo)入U(xiǎn)G、PRO/E、CATIA等三維軟件，進(jìn)行點(diǎn)云分析，開始創(chuàng)建特征線。如CATIA中，特征線的創(chuàng)建方法很多，QSR模塊 Insert/Scan Creation/Planar Sections提取部分特征線，依據(jù)零件的棱線以及面的曲率變化等等；用Insert /ScanCreation /Free Edges得到點(diǎn)云邊界線，再利用Curve from Scan來(lái)得到曲線；也可以直接用Insert/CurveCration/3D Curve在三角面上畫出曲線。

圖6 特征線

圖7 構(gòu)建曲面

根據(jù)特征線利用netserface或powerfit生成曲面，曲面質(zhì)量的好壞取決于上面所提取或繪制的曲線。如圖6是提取和根據(jù)客戶要求而設(shè)計(jì)出來(lái)的曲線，依據(jù)這些特征，連線成面后，就可以得到圖7所示的構(gòu)建曲面。此時(shí)，車身外形的基體基本成型。

對(duì)于汽車這一具體產(chǎn)品而言，車身曲面的質(zhì)量在視覺上的直觀表達(dá)是非常光順、沒(méi)有褶皺。那么，車身光順性的A面就要求相鄰的兩個(gè)曲面的曲率改變小于 0.005、間隙小于0.005mm、切率小于0.16。

4）對(duì)模型進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)

根據(jù)客戶要求在原有車型的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。比如，拉高車身、抬高前蓋等等的個(gè)性化設(shè)計(jì)，從而滿足客戶的個(gè)性化需求，實(shí)現(xiàn)車身的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。

3 總結(jié)

文中通過(guò)正向和逆向兩種設(shè)計(jì)方法的介紹，系統(tǒng)的給出了汽車車身的設(shè)計(jì)過(guò)程，伴隨著智能制造技術(shù)的發(fā)展，使得車身的個(gè)性化定制已然成為一種趨勢(shì)；而且，由于逆向設(shè)計(jì)時(shí)間短、效率高，設(shè)計(jì)靈活性強(qiáng)，在汽車設(shè)計(jì)這條路上走得更遠(yuǎn)。

同時(shí)，伴隨著3D打印技術(shù)和工業(yè)機(jī)器人等在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用，可以讓制造最大程度的反應(yīng)設(shè)計(jì)的初衷、縮短汽車制造時(shí)間，反過(guò)來(lái)又推動(dòng)了汽車個(gè)性化設(shè)計(jì)的發(fā)展。

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