計算機虛擬仿真技術在汽車設計中的應用

摘 要：隨著科學技術的不斷發展，計算機技術與工業設計的結合日益密切，逐漸朝著智能化、精細化、高端化的方向發展。虛擬仿真技術通過計算機打造三維空間實現與現實真實體驗，將其應用于汽車設計中，可以極大地提升產品設計的精度，降低設計成本和周期，為汽車設計領域帶來便利。汽車作為當前人們生活中不可或缺的工業產品，不斷提高汽車的舒適性、安全性和智能化水平成為當前汽車設計的重要目標。因此，需要詳細闡述計算機虛擬仿真的概念及特征的基礎，分析其對汽車設計帶來的積極意義，具體探討虛擬仿真技術在汽車設計中應用，為汽車設計帶來的新的手段和方法。

關鍵詞：虛擬仿真 汽車設計 應用

隨著計算機技術的不斷發展，計算機輔助設計越來越被應用到汽車設計之中。近年來，國內外汽車行業的發展受技術和市場的影響越來越大，以計算機虛擬仿真技術為代表的眾多高新技術為汽車設計帶來新的機遇。計算機虛擬仿真技術一經出現，便迅速地利用到工業設計中，利用計算機打造虛擬三維立體空間，設計者可以在虛擬的空間中感受到近乎真實的觸覺、視覺及聽覺體驗。而將計算機虛擬仿真技術應用到汽車設計之中，它可以無障礙、無阻滯地實現對三維立體空間的事物的觀察和操作，生動地模擬出實際的工業生產場景[1]，不斷優化汽車設計的空間。在降低汽車設計成本的同時，進一步優化設計理念和方法。

1 計算機虛擬仿真概念及特征

1.1 概念

計算機虛擬仿真技術依賴于網絡技術和通信技術的發展，是以控制理論、相似原理、數模與計算技術、信息技術、系統技術及其應用領域相關專業技術為基礎，以計算機和多種專用物理效應設備為工具，借助系統模型，對實際的或設想的系統進行動態試驗研究的一門新興綜合性學科[2]，本質上是多個學科和領域的集合。但不能簡單地將計算機虛擬仿真技術理解為計算機學科的一部分，計算機技術只是促成了計算機世界和虛擬世界的結合，而虛擬技術則實現著工程科學和人文學科的結合。因此，虛擬仿真技術具有明顯的優勢，第一，經濟性。直接的實驗或實踐耗費巨大，而虛擬仿真將真實的實驗數字化體現，且可以重復使用修改。第二，隔離性。大型實驗和設計影響因素較多，增加了不確定性，而虛擬仿真技術可以隔離這些不確定因素，保障實驗的絕對化。第三，安全性。虛擬仿真技術可規避部分實驗中的危險。第四，快捷性。虛擬仿真技術可以快速地實現實驗及設計的修改完善，提高工作效率。

1.2 特征

1.2.1 沉浸感

虛擬仿真技術首先為設計者提供了一個近乎真實的三維視覺場景，隨著技術的不斷提高，這種模擬仿真場景將更加逼真。在這種亦真亦幻的場景中，加上觸感和聲感傳感器的作用，可以讓設計者在接近真實的環境中進行設計和修改。而從汽車體驗的視角來看，駕駛體驗也是汽車設計中需要考慮的因素之一，汽車駕駛時對速度、空間的感官體驗最為明顯，而且駕駛視角、盲區這些因素也是必須考慮設計點之一。在虛擬仿真設計環境中，設計者可以達到“所見即所得”的設計過程，在沉浸式的體驗中查找問題，彌補不足，進一步提升設計效率。

1.2.2 交互性

虛擬仿真技術其實弱化了現實和虛擬之間的界限，為二者構建了便捷的連接體驗，借助大量的科學器件，讓用戶在虛擬的環境中獲得真實的感受，也可以將用戶在現實環境中的體驗在虛擬中“重現”出來。尤其重要的是，虛擬仿真技術可以實現對用戶的“量身定做”即根據用戶的需求進行合理匹配，比如現實中用戶借助傳感器進行運動，在虛擬仿真中給予反饋。不同于這幾年興起的3D、4D電源，虛擬仿真技術更注重用戶在虛擬環境中的交互。對于汽車設計來講，虛擬仿真技術可以提升用戶在駕駛之中的黏合度，提升駕駛體驗。在設計的早期及時發現潛伏的問題，進行調整修正、實現優化，具有節省資金、可重復性、無風險性等優點[3]。

1.2.3 智能化

就技術源頭而言，目前市場上出現的眾多高新技術幾乎都涉及幾種關鍵技術，比如計算機技術、人工智能技術等。虛擬仿真技術本質上還是以計算機控制技術為基礎，依靠通信技術實現人機交互，人工智能技術則進一步提升了二者之間的聯系和感知。虛擬仿真技術在為人們提供良好的交互式體驗的同時，還可以根據人的需求，身體的變化，在分析模擬的基礎上，提高用戶的體驗。在汽車設計之中，依靠虛擬仿真技術智能化特點，可以進一步簡化設計流程，提升駕駛體驗，保障設計安全具有重要的作用。

2 計算機虛擬仿真技術對汽車設計的價值及必要性

計算機虛擬仿真技術對汽車設計領域的影響是廣泛的，具體而言，虛擬仿真技術實現了設計理念的更新和方法的創新，在節約成本的同時提高了設計效率。

2.1 計算機虛擬仿真技術對汽車設計的價值

2.1.1 變革設計理念

在傳統的汽車設計過程中，汽車設計師僅僅負責汽車的設計和生產，而對于銷售方面則交由專業人員進行，生產和銷售是分開進行的。而虛擬仿真技術的出現則變革了之前的設計理念，虛擬仿真技術在汽車設計中不僅僅是對汽車外形的設計，還體現在汽車全流程設計，這就需要汽車設計師在設計時需要站在更高的角度和全面的視角來對車輛進行設計，還需要根據用戶的體驗進行實時優化，借助虛擬仿真技術設計師可以實現與經營和銷售團隊的實時互動交流，更好地實現車輛的設計優化。

2.1.2 創新設計方法

在傳統的汽車設計中，多依賴二維平面圖進行設計，雖然借助計算機輔助設計二維圖已經優化到極致，但平面圖紙無法實現所見即所得的效果。在虛擬仿真技術的應用下，可以使汽車設計更加的立體化和三維化，可以使設計師在不同角度進行立體式查看，實現設計方案的任意翻轉、放大、縮小，可以準確發現模型中存在的問題，并且可以同步對其進行縮放操作[4]。

2.2 計算機虛擬仿真技術對汽車設計的必要性

將計算機虛擬仿真技術應用到汽車設計中有較強的必要性。第一，車輛外形設計的需要在傳統的汽車設計中，由于多以二維圖的形式開展設計，在車身空氣動力學方面存在不足，在成本和方法的影響下，無法完全開展風動檢測和實驗，車身的風阻設計存在不足，影響車輛的整體性能和操作。第二，車輛操作性提升的需要。當下，消費者對車輛的操作性要求越來越高，傳統的汽車設計無法模擬真實的駕駛體驗，且檢測效果不能實時更新在設計上。第三，裝配科學化的需要。傳統的汽車裝配受到各種因素的影響，存在影響整車質量的弊端，急需新的技術方法支持。

3 虛擬仿真技術在汽車設計中的應用路徑

3.1 車身造型空氣動力學特性檢測

在汽車外形的設計進程中，車身是否符合空氣動力學的要求，直接決定著車輛的造型，比如在駕駛汽車的過程中，不同車輛的外在造型對空氣的阻力系數是不一樣的，這些關鍵性的指標數據對汽車的穩定性、可操作性及車輛的能耗都產生直接影響。對于車輛的風阻系數影響的關鍵因素中，車身造型是關鍵的一環。因此，在進行汽車設計時，車輛的外觀設計一定要符合風阻的要求，因此需要對車輛的空氣動力學指標進行實驗。在傳統的實驗過程中，主要利用風洞進行風阻實驗，其具體的過程是將車輛按比例縮小，后將模型放入風洞中進行風動檢測，然后查看模型表面的氣流變化，以驗證相關指標數據，但是風動實驗也存在一定的問題，比如在模型的制作過程中，難免會存在一定的誤差，這導致在實際實驗中的數據與車輛實物存在一定的誤差；而為了減少誤差的產生，就需要一比一地制作出車輛模式，但是大尺度的車輛風動測試往往流程較為復雜，且模型制作和風動的過程造價較高，加重了汽車制造商的負擔；而且車輛外形設計不是一成不變的需要不斷地修改完善，這就代表著每一次的修改就需要進行風動測試，這些流程和花費絕非一般的車輛制造商所承擔。再者，這些設計方法東輝存在一定的制作誤差，在消耗大量的資金的同時，最終無法達到設計本意的效果。這些存在的問題就需要設計師采用新的設計方法來彌補，而計算機虛擬仿真技術則更好彌補以上存在的問題。

在汽車設計中采用虛擬仿真技術，可以利用其建立虛擬的風洞模型，將汽車設計的各項數據模型在虛擬風洞中進行呈現，在虛擬的風洞中，實驗著可以測試不同速度、路面、天氣情況下，車輛整體及各部分在行駛的空氣流體路徑和動態展示效果。在虛擬仿真技術的加持下，這些抽象的概念都可以用真實的圖像展示出來，在其中可以實時展示車輛設計數據的變化。這種模式下，可以省去車輛模型制作的過程，降低成本的同時，也減少了不必要的數據誤差，便利汽車設計師及時調整設計方案，縮短設計周期。在消費者的角度來看，在虛擬仿真的基礎上，他們可以真實觸摸或感知車輛在行駛過程中的各項數據表現，更直觀地感受車輛的性能。在虛擬的環境中消費者可以一比一地感受車輛的空氣動力學數據，對車輛有更加直觀地感受。同時，汽車車身的CAD數字模型還可隨時更改而實時更新[5]。

3.2 車身造型和內外飾的評價與審查

在新車的研發過程中，為了真實地反映車輛的外形和細節，往往需要將車輛按照一比一的比例制造出來，全比例的樣車制作和設計預期的顏色噴涂，才直觀地感受車輛的魅力。除了外形之外，車輛內部裝飾也是車輛設計的重點之一，只有恰如其分的內飾設計才能最終確定車輛的線條。除此之外，還需要對車輛模型比例進行分析，以確定其是否符合大眾的審美習慣。最后，汽車研發的決策者對全尺寸的車輛模型進行審查，以最終決定是否正式生產該汽車。再生產之前，需要考慮的因素較多，比如，門把手的設計是否符合要求、車門是否符合設計要求、駕駛員和乘客的視野是否有受阻現象，汽車儀表盤是否與方向盤有沖突及是否存在遮擋現象、座椅高低及調節是否符合人體工學要求等，這些重重因素都是整車質量評價的指標數據。在大部分情況下，這些指標的評價和檢測都是通過一比一車輛的模型來實現的，而在全尺寸樣車的制作中，需要花費大量的人力、財力、物力，而一旦需要對其中某一項進行修改，也就代表著全尺寸樣車的修改，不但耗時耗力而且影響著車輛的研發進度，有可能錯過最佳的車輛銷售期，加重企業負擔。此外，即使不考慮前期成本，傳統的研發流程，容易受到各種因素的影響，檢測效果被大打折扣，要求設計者繼續更新設計方法。

在采用計算機虛擬仿真技術以后，可以借助數據模型實現對車輛內飾的三維立體展示，以虛擬的方式展示出來，讓設計人員在虛擬的環境中實現內飾的可視化展示。設計人員可以近距離感受到車體內部結構、材質和色彩的搭配。例如，設計人員可以記住VR眼鏡和相應的感應器，進行相關的數據修改。在這一過程中，設計人員可以開展中控臺使用、視野檢測、車輛駕駛等方面的實地模擬。虛擬仿真技術的優勢在于設計人員可以以消費者的視角來審視汽車設計的科學性和設計質量，以便獲得更好的設計方案。在虛擬仿真技術的加持下，還可以避免出現設計缺陷，使車輛在外觀和內飾方面達到高度的統一。這樣就可以實現車輛研發流程的簡化、優化，縮短研發周期，便利企業更好地適應市場的競爭。降低研發成本的過程中，實現車輛性價比的最佳平衡。

3.3 汽車裝配模擬

汽車設計的過程汽車裝配也是重要的一步。良好的汽車裝配布局可以提高車輛的工藝水平，也可以進一步提高生產效率和良品率，有助于增加車輛的市場占有率。汽車裝配考驗著車輛生產管理水平，在汽車裝配中采用計算機虛擬仿真技術可以實現裝配工具和工藝流程的及時優化。在生產的過程中，及時地判斷裝配質量的變化，并以此進行合理化調整，不斷提高車輛裝配的工程質量。在汽車的質量評價中，車體質量舉足輕重，在車體的制造中，裝配水平發揮著重要的作用，這就要求裝配的每一個環節必須嚴絲合縫，傳統的裝配總是存在一定的誤差，炳輝影響車體的質量，這就要求設計人員綜合考量各種因素，并找尋有效的改進方法。

設計人員借助計算機虛擬仿真技術模擬裝配技術的改進和優化，提高車輛的質量。在降低車輛成本的過程中將誤差減少在最低的范圍內。在汽車裝配過程中采用計算機虛擬仿真技術具有以下幾點優勢：第一，排除安全隱患。利用虛擬仿真技術，裝配人員可以根據設計方案仿真模擬裝配過程，在其中及時發現存在的問題，并在系統中及時修正優化，為后期的實地裝配減少不必要的損失。第二，降低成本，在汽車裝配中使用虛擬仿真技術，可以模擬優化裝配方案，實現邊模擬邊優化的操作，最大限度地節約成本。第三，達成精細化裝配模擬和檢測。車輛設計從圖紙到成品涉及的零件可以用海量來形容，這些不同的零件需要有較強的融合度和貼合性，這直接影響著車輛的使用，而在虛擬仿真技術的采用下，可以將每一個細微的零件進行模擬展示和細節展示，讓設計者和裝配組更加直觀地了解，更好地實現車輛的精細化管理[6]。

4 結語

綜上所述，計算機虛擬仿真技術集合了多種技術，實現了跨學科的技術突破，其具有沉浸、交互、智能的特點。將其利用在汽車設計中，可以有效地創新設計方法，變革設計理念，在汽車設計的精細化和標準化方面起到了積極的作用。在具體的應用過程中，虛擬仿真技術可以應用在汽車空氣力學、車輛外形和內飾、裝配等方面，簡化設計流程、提高設計效率，促成整車質量的提升，從而提升車企的整體效率。

參考文獻：

[1]黃坤.虛擬現實技術在工業設計中的應用[J].赤峰學院學報（自然科學版），2017，33（11）：38-39.

[2]陳盈盈.基于仿真理論及虛擬化技術的虛擬覆蓋網絡模型研究[D].上海：上海交通大學，2008.

[3]郭永慶.虛擬現實技術在汽車設計中的應用[J].科學大眾（科學教育），2018（06）：186.

[4]孟松松，張翔偉，師雪靜，等.淺析虛擬現實技術在工業設計中的創新與應用[J].輕紡工業與技術，2020，49（06）：34+45.

[5]方小暉.虛擬現實技術在汽車造型設計中的運用[J].南方農機，2017，48（19）：142.

[6]李永耀，李國榮.虛擬現實技術在汽車設計中的應用[J].時代汽車，2021（10）：111-112.