汽車車身的個性化設計方法

張玉，王娟平

（寶雞文理學院，陜西 寶雞 721000）

引言

汽車作為一種現代交通工具，已經與人們的生活息息相關、密不可分。據統計，我國機動車保有量達3.10億輛，其中汽車2.17億輛，汽車已經由必需品轉變為生活品質提升的舒適品，當然高檔車更是發展為奢侈品了。而現在汽車制造業生產汽車大都還是進行規模化批量生產，很難滿足消費者的個性需求；同時，隨著智能制造技術的發展，使得個性化定制汽車自然而然的成為一種可能，更成為一種趨勢。目前來說，汽車廠家的個性化定制主要是從圖案、顏色、形狀方面來考慮，當然性能方面的個性化就涉及到車輛的改裝了；通過這種定制設計與制造，用戶就可獲得與其個人需求高度吻合的汽車，從而達到滿足消費者需求的目的。

長期以來，車身的設計方法主要有兩種，即傳統的正向設計和逆向設計，而個性化定制汽車的設計，兩種設計方法互相交錯，互為補充，同時可用。

1 正向定制化設計

正向個性化定制車身的主要思路如下：1）根據不同客戶的需求設計車身的總布置圖，比如：兩座、五座；三廂、兩廂或者商務；或者更另類的外部造型等等；2）在總布置圖的基礎上，依據客戶要求的外形、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計模塊，三維設計出汽車整體模型；4）用相關的功能分析軟件驗證汽車的功能及風阻，并不斷的返回第二步進行外形的修改；5）繼續與客戶溝通，達到功能與外形的最優組合，確定讓客戶滿意的汽車模型。下圖為車身正向設計流程圖。

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計的首要任務，車身布置是對車身內外形、發動機艙、行李箱、前后圍、地板、車窗、內飾總成和部件、備胎、燃料箱和排氣系統等，在滿足整車布置和客戶對車身造型的要求下進行尺寸控制和布局。其是過程如下：首先確定駕駛員座椅的位置及尺寸，畫出不同調節功能的各個位置，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；確定前后風窗的角度和邊界；確定側門與門框的位置；確定地板及頂蓋的位置；與客戶協商車身造型，再確定動機艙、行李箱、前后圍、內飾總成和部件、備胎、燃料箱和排氣系統在整個車身上的放置位置；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 汽車正向設計流程圖

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計的車型的表現形式，在這個過程中，客戶還可以根據自己的喜好更改車身的顏色、造型等，達到客戶滿意的設計效果為止。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驗

傳統的汽車設計過程中需要制作 1:5或全尺寸油泥模型，通過分析油泥模型、風動試驗改進汽車的設計，這個過程周期長、成本高、效率低。隨著軟件科學的發展，運用計算機軟件進行輔助設計可以縮短設計時間、并且可以對設計的汽車模型進行仿真分析。CATIA、UG、PRO/E等軟件中強大的曲面構建功能可以幫助我們方便、快捷的構造出汽車模型，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）與客戶進行溝通，不斷修改模型，到客戶滿意為止。

2 采用逆向設計

汽車是一個有很多曲面的結構復雜的物體，用車身正向設計方法設計汽車周期長，車身模型和圖紙比較難建立，為了在客戶滿意的前提下，縮短設計時間，在個性化定制車身的設計中可以采用逆向設計。首先是讓客戶在眾多的現有車型中選擇一款與自己的預期最接近的車型，用三維掃描儀獲取汽車的點云數據，然后將處理后的數據模型導入 UG、PRO/E、CATIA等三維軟件，根據客戶需求重新設計模型。下圖為車身逆向設計流程圖。

圖5 逆向設計流程圖

1）點云數據的采集

采集汽車車身點云數據的儀器是光學三維掃描儀。為了獲得高質量的點云數據，必須要做好掃描的前期準備，如：確定測量空間，保證測量車身位于測量空間之內；校準掃描儀，這是保證數據采集精度的第二步；調整測量時的光線、角度、高度，保證測量結果最優。由于汽車車身過大，掃描儀無法一次完成掃描，可以分別測出汽車的各個面，進行拼接。如下圖測出汽車的左前、右、后側的面，然后在軟件中進行去燥、拼接、片體化處理。

圖6 車身不同方位的點云及拼接后的整車云圖

2）點云數據的處理

在測量點云的過程中，由于光線作用、掃描儀的震動、操作者操作水平、溫度、濕度等因素，會導致掃描出的點云數據出現一些誤差，所以必須在重新構建車身曲面之前對點云數據進行處理。先將掃描出的點云數據導入 Geomagic Studio軟件，去除噪聲點、體外孤點，進行封裝；再對初步處理好的點云數據進行拼接與對齊，得到拼接后的整車點云圖，如圖6所示；在整個過程中，為了減少運算量、節省運算時間，將不必要的數據信息進行壓縮。

3）將處理好的點云導入UG、PRO/E、CATIA等三維軟件，進行曲面重構

將處理好的點云導入UG、PRO/E、CATIA等三維軟件，進行點云分析，開始創建特征線。如CATIA中，特征線的創建方法很多，QSR模塊 Insert/Scan Creation/Planar Sections提取部分特征線，依據零件的棱線以及面的曲率變化等等；用Insert /ScanCreation /Free Edges得到點云邊界線，再利用Curve from Scan來得到曲線；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 構建曲面

根據特征線利用netserface或powerfit生成曲面，曲面質量的好壞取決于上面所提取或繪制的曲線。如圖6是提取和根據客戶要求而設計出來的曲線，依據這些特征，連線成面后，就可以得到圖7所示的構建曲面。此時，車身外形的基體基本成型。

對于汽車這一具體產品而言，車身曲面的質量在視覺上的直觀表達是非常光順、沒有褶皺。那么，車身光順性的A面就要求相鄰的兩個曲面的曲率改變小于 0.005、間隙小于0.005mm、切率小于0.16。

4）對模型進行創新性設計

根據客戶要求在原有車型的基礎上進行創新性設計。比如，拉高車身、抬高前蓋等等的個性化設計，從而滿足客戶的個性化需求，實現車身的創新性設計。

3 總結

文中通過正向和逆向兩種設計方法的介紹，系統的給出了汽車車身的設計過程，伴隨著智能制造技術的發展，使得車身的個性化定制已然成為一種趨勢；而且，由于逆向設計時間短、效率高，設計靈活性強，在汽車設計這條路上走得更遠。

同時，伴隨著3D打印技術和工業機器人等在汽車制造業中的應用，可以讓制造最大程度的反應設計的初衷、縮短汽車制造時間，反過來又推動了汽車個性化設計的發展。

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