基于三維草圖的車身氣動造型設計

江 濤 谷正氣 楊 易 何憶斌

湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙，410082

0 引言

傳統的汽車造型設計流程是一種局部修形優化的方法，即先由工業設計師提出美學造型方案，再由空氣動力學工程師對方案進行仿真和局部優化以確定最終外形［1］。由于兩者在思維方式和技術手段上不同，要設計出既具有美觀外表、良好人機布局又具有較小氣動阻力的車身造型是有難度的，需要經歷造型師和空氣動力學工程師之間反復的修改和協調。針對這種情況，汽車工程界提出一種新的路線：采用氣動理想形體作為初始造型的正向設計方法［2］，即以事先獲取的具有優良氣動特性的“理想基本形體”為出發點，通過對其進行局部幾何修整及加裝少量氣動部件，發展成同時滿足藝術效果、人機工程學、工藝、安全法規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單、光滑封閉的曲面體，直接進行美學設計和實用化修改是有難度的，也不利于設計過程中造型方案的效果評估。本文參考該路線的思想并結合工業設計的特點，提出一種改進路線：以優良氣動理想形體為基準，在抽取出的特征線上投影美學元素圖案以生成可用于美學評價和細節完善的車身三維草圖，然后在定型草圖方案上直接構建可供美學渲染、工程仿真和數控加工的CAD模型。作為實踐，以一輛新概念運動型轎車的造型設計和模型風洞實驗為例，證明此技術路線可以較好地兼顧汽車造型設計中對美學方案和氣動性能的要求。

1 基于三維草圖的車身造型設計

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計方法，其設計起點是流線性好、具有優良氣動特性的理想形體，在形態上表現為光滑封閉的連續曲面體。圖1所示為采用升力線理論［2］構建的理想形體，而實際的車身造型方案是具有復雜輪廓變化的復合曲面，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現美學風格的融入是不容易的，不符合常規的工業設計習慣，也不利于造型修改中美學方案的評估，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潔，缺乏復雜的形體變化效果。

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計的起點，提出借助其特征線而非曲面來實現美學風格的融入。相對于曲面，曲線的設計門檻低，更適合概念設計階段的調整。實際上，在造型開發的初期，工業設計師一般是通過手繪素描的方式表現創意［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位板上借助Photoshop之類的設計軟件，從本質上看是一種位于平面空間的二維草圖。它需要設計師憑感官和經驗來把握線條的布局，圖2為手工繪制的轎車二維草圖。從工業設計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學方程加以描述，無法融入工程信息，因此傳統的手繪草圖在理想形體設計法中是不能作為起點的。

圖2 車身手繪二維草圖

本文提出的三維草圖實際上就是一種基于CAD平臺、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出車身的造型風格，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 三維草圖的數學構成

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。均勻B樣條曲線有較強的自由曲線表達功能，而要精確地表示如圓弧、拋物線等規則的曲線卻較為困難；而NURBS曲線可以精確地表達上述兩種類型的曲線，這對于既包含自由變化的覆蓋件又具有標準導圓角細節的車身是非常適合的。它通過在基函數里采用節點的不均勻分割來適應特征頂點或型值點嚴重不均勻的情況［4］。其數學方程為

式中，pi為特征多邊形頂點位置矢量；Ni，k（t）為k次B樣條基函數。

wi為常數時，上式為B樣條曲線，當wi取不同值時，可得各種曲線。wi的引入大大增加了曲線設計的靈活性。圖3為NURBS曲線的示意圖，圖中的控制點即為特征多邊形頂點，調節其坐標就可以實現位置矢量pi的變化，使曲線的形狀發生相應變化。

圖3 NURBS曲線的控制點

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

圖4 車身側面的三維草圖

1.3 基于三維草圖的車身造型設計方法

三維草圖既可以作為理想形體的特征線，又可以勾畫出美學元素的輪廓，這樣就為氣動造型和美學造型的結合提供了一個平臺。

按照上述思想，基于三維草圖的車身造型設計方法的路線為：首先選擇適合目標車型的理想形體作為起點，抽取其三維特征線組作為幾何約束，在約束線內投影構建各個局部的美學元素線，包括進氣口、前后燈、散熱柵格、窗線、修飾線等細節，以生成細節完善、可供美學評價的三維草圖。通過反復調整和評價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，進而可以開展下一階段的效果圖渲染、CFD（computational fluid dynamics）流體計算仿真以及模型加工和風洞實驗等，完成造型的前期設計。圖5所示為該思路的車身造型設計方法。

2 設計實踐

現以一新概念運動型轎車的設計作為實踐來驗證本文提出的路線。該款車型的設計目標如下：①具有原創的美學風格；②較低的氣動阻力系數，不高于0．25；③滿足常規運動型轎車的人機布置要求，即發動機中后置、單排雙座乘員空間。

圖5 基于三維草圖的車身造型設計方法

按照本文的技術路線，其環節包括：選擇理想形體、抽取其特征線作為三維草圖約束、構建各個局部的美學線條、評價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、外流場數值仿真、加工比例實物模型、風洞測力實驗，最后進行結果分析。

2.1 選取適合目標車型的理想形體

按照設定目標，采用的理想形體應該阻力系數較小，而且能夠滿足預定的人機布置要求。作為整個項目的配套研究，本文預先構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

在湖南大學風工程研究中心的回流式風洞進行風洞實驗，圖7所示為位于風洞轉臺上的比例模型。經過測力實驗，得出其氣動阻力系數為0．148，能夠滿足氣動性能的要求。從人機布置來看，其頭部空間較小，后半部分空間較大，因此能夠滿足發動機中后置和單排乘坐空間的需要。

圖7 風洞轉臺上的理想形體模型

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 建立各個局部的美學三維草圖

美學造型一般按照前視圖、側視圖、后視圖的視角分成三大部分，每一部分可以相對獨立地設計，這三部分為：①前臉：最能體現整車造型設計風格的部分，包括前進氣口、前裝飾柵格、前燈輪廓等；②側面：前后輪框、側進氣口、側裝飾線等；③尾部：尾燈、尾部排氣口、散熱罩。

有些局部是美學設計的關鍵，需要構思多種方案加以評選對比，而有些細節則只是襯托。前臉柵格、前進氣口和前燈的輪廓對設計風格的影響很大，視覺沖擊效果明顯，需要嘗試多套方案；而像側面的裝飾線由于走勢較為平緩，一般起視覺平衡作用，所以對起關鍵作用的細節可以構思多套方案，逐步修改和比較。

在前臉美學圖案的設計中，本文構思并手繪出如圖9所示的四套前臉圖案，這些圖案來自于靈感和概念，或是對現實事物的抽象。

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。將手繪圖案轉換成具有控制節點、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，調節節點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，因為孤立于車身之外的前臉圖案并沒有明顯的可比性，只有把它們融入到完整的車身草圖后才便于評價和改進。按照同樣的思路投影建立側面和尾部的美學特征線使草圖進一步完善。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比。邀請不同專業背景的用戶，綜合口語分析［5］和專家意見的評價，選擇第一種方案。

圖10 美學圖案投影

圖11 不同前臉圖案投影到整體草圖后的效果對比

在前臉定型后可以進一步考慮側面和尾部的修飾，其中側進氣口、側裝飾線、尾燈是重點考慮的細節。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 構建曲面模型和渲染效果圖

直接以草圖曲線作為參照，調節曲率梳、優化節點數量以提高曲線的品質，通過雙軌掃掠、拉伸等NURBS曲面建模［6］方式構建的CAD曲面數模如圖13所示。

圖13 由三維草圖構建的CAD曲面

添加輪胎、后視鏡、地面場景等附屬物件，對車身表面指定相應的材質參數并設定場景燈光。材質參數包括：基本色、高光色和高光強度、折射度和折射率、反射強度等。采用V－RAY渲染器啟動全局照明［7］，以模擬真實的光照效果。反復調試各類材質參數和光照參數，可以生成圖14所示的渲染效果圖，其效果已經接近于真實照片的水平，可以用于造型方案的最終評審。

圖14 渲染效果圖

從人機布置和功能實現上看，前艙布置有進氣口和前大燈，前輪后方即為乘員艙，乘員艙后方、后輪所處的艙室即為發動機艙，在側窗下方均設置有條狀的側面進氣口。

3 氣動特性驗證

對CAD模型進行空氣動力學驗證，包括CFD仿真和比例模型風洞實驗兩個階段。

3.1 CFD仿真

以NURBS模型作為仿真對象，按照汽車CFD仿真的流程［8］，建立計算域，汽車模型前部留3倍車長，上部留4倍車高，后部留6倍車長，兩側均留5倍車寬。采用OCTREE方法在整個計算流域生成非結構化的四面體網格，在車身表面拉伸出三棱柱網格以模擬車身表面的附面層。在車身附近流場變化復雜的區域使用密度盒加密，以提高計算精度。

設置邊界條件，設定入口流速為30m／s，出口為靜壓力出口，計算域側表面及上表面為滑移壁面，車身表面為非滑移壁面，地面為移動壁面，因為汽車在實際行駛時，地面是不存在附面層的。采用RNGk－ε湍流模型進行計算模擬，研究表明，該理論模型在汽車氣動性能仿真方面比較理想［9－10］。

經后處理計算出的阻力系數為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 風洞實驗驗證

將圖13所示的CAD模型采用數控機床加工成1∶4的等比樹脂模型。仍在湖南大學風工程研究中心的回流式風洞進行風洞實驗，如圖17所示。經測量和計算處理，其阻力系數為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 位于風洞轉臺上的比例模型

3.3 結果分析

從阻力系數來看，仿真結果為0．241，實驗結果為0．246，仿真結果相對于實驗結果的誤差為2．03%，均在0．25以下，與常規的運動型轎車相比阻力系數較小。

從圖15所示的壓力分布可以得出：該車前臉和側窗下方處氣動壓力較大，結合圖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氣口和側面進氣口所處的位置，因此該車具有較好的進氣效果。

從圖15所示的流線圖可以得出：流經前艙、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，結合圖16所示的尾部切面速度矢量圖可見，有一對分布車身兩側、呈左右對稱的渦漩，這是由流經車身頂部和底部的氣流上下相匯而引起的。

從整體上看，該車的氣動性能達到了預期目標，也符合運動型轎車對進氣設計的要求。

4 結論

（1）提出三維草圖的概念，它基于CAD軟件平臺設計，既能夠表達曲面造型的工程幾何特征，又能夠描述美學元素。

（2）通過引入三維草圖，改進了以理想形體為起點的車身氣動造型設計方法。即以優良氣動理想形體的特征線而不是曲面作為基準，通過在三維草圖約束上投影美學元素圖案以生成可供美學評價的車身三維草圖，然后在定型草圖方案上直接構建可供美學渲染、數值仿真和數控加工的CAD模型。

（3）以新概念運動型轎車的設計流程為例，以理想形體為起點，經過三維草圖設計、構建曲面片體、渲染效果展示、CFD仿真、風洞實驗等環節，實踐證明基于三維草圖的造型設計方法具有較好的可行性，能夠兼顧氣動性能和美學風格的要求。

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