基于VR/AR技術的汽車虛擬設計與評估研究

Research on Virtual Design and Evaluation of Automobiles Based on VR/AR Technology*

Hu Weiwei，Zuo Yongmei

(Henan Kaifeng College of Science Technologyand Communication，Kaifeng 475ooo，China）

【Abstract】 This article mainly discusss the application and development of VR/AR technology in automotive design，analyzes itscore principlesand software and hardwarearchitectures，andreveals thatthis technology transforms automotivedesign fromdrawingstothree-dimensionalmodelsbyconstructingvirtual environments，shortening the iterationcycle，reducing costs，andsupporting cross-departmentalcollboration.Thispaperexpoundsthepractical applicationsof technologiessuchasvirtual prototypeconstruction，high-precision interactiondesignand multi-physics fieldsimulation，and explores the development trendssuch asreal-timerendering upgrade，distributedcomputing innovation，model fusionandprotocol standardization.Research shows that VR/ARbreaksthrough the limitationsof traditionalengineeringverification.Inthefuture，itisnecessarytooptimizedatacompatibility，enhancevirtual-real interaction，improvethe technical system，and promote the developmentof the intelligent automotive industry.

【Keywords】AR technology；VR technology；virtual designof automobiles；multiphysics field simulation; distributed computing；cross-domain collaboration

0 引言

汽車設計是一項兼顧創新性與實用性的復雜工程。傳統設計流程依賴圖紙和實體模型，不僅迭代速度緩慢，而且成本高昂。隨著數字化技術的發展，VR/AR技術為汽車設計領域帶來了變革性突破。該技術通過構建高仿真虛擬環境，使設計師能夠沉浸式觀察車輛結構，測試人機交互體驗，還可模擬不同場景下的車輛性能。例如，工程師能在虛擬空間中直接調整車門開合角度、中控界面布局，并即時獲取反饋。基于此，本文將深入研究VR/AR技術的核心優化路徑，旨在推動其與汽車設計深度融合，為行業提供更高效、可靠的技術支持。

1VR/AR技術在汽車虛擬設計中的應用

1.1核心原理與發展

虛擬現實VR與增強現實AR是通過技術手段改變人類感知的數字化工具。VR致力于構建一個完全隔絕現實世界的三維虛擬環境，用戶借助頭戴設備與交互工具沉浸其中，其視覺、聽覺甚至觸覺信號均由計算機生成。AR則注重虛實結合，通過攝像頭、傳感器等設備將虛擬元素疊加在真實場景中，用戶在感知現實環境的同時與虛擬信息進行互動。兩者的底層邏輯均圍繞感知替代與交互增強展開，VR以全面的感官輸入實現沉浸體驗，AR則依靠精準定位與場景映射強化現實感知。

VR/AR技術起源于軍工訓練和科研仿真領域，隨著硬件成本降低和計算能力提升，逐步向消費市場拓展。例如，移動端AR利用智能手機的攝像頭與處理器，實現了大眾化應用。伴隨人工智能算法的進步，環境理解與動態建模能力不斷增強，虛實交互的自然性和適應性顯著提升，技術發展呈現出從單一感官刺激向多模態融合過渡的趨勢[]。

1.2硬件設備與傳感技術

VR/AR體驗的實現，依賴于顯示模塊、追蹤系統與交互裝置三大核心硬件。具體技術特性如表1所示。

目前，VR/AR硬件正朝著小型化、無線化方向發展。部分設備已實現無外置傳感器的全自主追蹤，大幅降低了使用門檻，加速了技術從試驗室場景向工業應用場景的拓展。

1.3平臺與軟件工具的技術架構

VR/AR軟件生態主要由開發引擎、內容生產工具與運行平臺三部分構成。開發引擎，如Unity、UnrealEngine，提供基礎渲染、物理模擬與交互邏輯搭建功能，助力開發者高效創建三維場景；內容生產工具，如Blender，專注于模型精細化處理、動作捕捉與特效合成，保障虛擬元素的真實性與表現力。

運行平臺的技術架構需攻克兩大關鍵難題：一是提升實時渲染與數據傳輸效率，可通過分布式計算優化復雜場景加載速度；二是實現多端協同與數據互通，確保工業設計中各部門模型版本的動態同步。以車企虛擬評審系統為例，基于云端架構，全球團隊能夠在同一虛擬空間實時標注設計缺陷并同步修改意見。如今，軟件工具正從功能分散的獨立模塊，向全鏈路集成化平臺轉變，通過標準化接口與模塊化設計，降低技術應用難度，滿足非專業用戶的定制化需求[2]。

2汽車虛擬設計與評估的技術方法

2.1 虛擬原型的構建與評估方法

虛擬原型技術借助數字化建模，將汽車設計從二維圖紙轉化為可交互的三維動態模型，實現設計方案的早期驗證。該技術涵蓋車身結構、動力系統、電子架構等模塊的精準映射。例如，在碰撞安全設計中，虛擬原型可模擬不同材質車身框架在沖擊載荷下的形變特性，快速定位結構薄弱點并優化材料分布。

評估方法圍繞動態邏輯驗證展開，支持分層測試與場景全覆蓋。在子系統層面，通過模塊化仿真檢驗單一功能的可靠性；在整車層面，引入路譜數據與駕駛環境變量（如極端天氣、交通流狀態）測試綜合性能。為避免靜態理想化缺陷，虛擬評估嵌入動態修正機制，依據仿真結果反向調整原型參數（如懸架剛度、電池散熱路徑），形成構建一測試一迭代的閉環優化鏈，如圖1所示。這一技術有效縮短了方案驗證周期，支持跨部門協同優化（設計、工程、生產團隊共享統一數據源），顯著提升汽車開發效率[]。

2.2高精度交互式設計與實時反饋機制

高精度交互式設計旨在虛擬環境中實現人機高效協同，通過實時仿真與可視化反饋，降低復雜工程問題的理解難度。其技術核心在于建立設計動作一模型響應一感知反饋的毫秒級響應鏈路。當設計師調整車身曲面弧度、電池艙布局等參數時，系統借助分布式計算引擎即時更新模型狀態，并在AR/VR界面同步呈現三維空間效果。這種“所見即所得”模式，使工程師無需依賴離線仿真報告，即可直觀判斷設計變更對氣動性能、裝配可行性等隱式參數的影響。

實時反饋機制側重于動態決策修正。以車門開合結構設計為例，調整虛擬模型中鉸鏈位置時，系統不僅顯示開合角度與力學分布，還通過觸覺設備模擬手柄操作阻力，并結合聲效反饋（金屬碰撞聲、摩擦聲）判斷異響風險。該機制將傳統設計一測試一反饋的分散環節整合為連續操作流程，有效減少數據轉換誤差[4]。

2.3 多物理場仿真與虛擬評估技術

多物理場仿真通過耦合力學、熱學、電場、流體等多學科模型，在虛擬環境中復現汽車運行的真實物理行為，為設計方案提供全面驗證依據，如圖2所示。以電動汽車電池系統為例，需同時解決熱管理（充放電生熱）、結構振動（路面激勵傳遞）與電磁兼容性（高壓線纜干擾）問題。多物理場技術借助能量傳遞與邊界條件交互模型，直觀展示各系統間的相互影響（如電池高溫引發密封材料形變，進而導致電磁屏蔽失效）。

虛擬評估技術的突破在于對非顯性失效的預測能力。以制動系統為例，傳統臺架試驗僅關注制動距離與磨損量，而虛擬評估可整合摩擦生熱、材料相變、液壓壓力波動等變量，預測制動片在長周期高溫高壓下的微裂紋擴展路徑。通過構建概率性失效模型（如蒙特卡洛隨機模擬），量化不同工況下的系統可靠性，為設計冗余提供數據支持。

3 VR/AR技術在汽車虛擬設計與評估中的發展趨勢

3.1新興技術對VR/AR的推動作用

VR/AR技術在汽車工程領域的跨越式發展，主要得益于實時渲染引擎與分布式計算架構的協同創新。在實時渲染方面，光線追蹤的GPU硬件加速技術打破了傳統光柵化渲染的物理模擬局限。通過并行化分解光線傳播方程，可實現車輛表面亞毫米級精度的動態環境光遮蔽計算，使虛擬環境下車身漆面氧化漸變、聚合物材質應力裂紋擴展等細節得以逼真呈現。這一技術將傳統CAD模型的靜態幾何驗證，升級為材料疲勞壽命的可視化預判。

分布式計算架構的革新重塑了VR/AR技術生態。邊緣-云端混合計算框架采用動態資源切片技術，將碰撞仿真中的有限元分析任務分解為百萬級微線程，在本地設備與云端超算集群并行處理。例如，AR頭盔在本地完成實時手勢交互的骨骼跟蹤運算，而整車流體力學模擬任務則分發至云端量子計算節點，實現全工況風阻系數的瞬時迭代反饋。這種算力分配模式使工程設計人員在移動端即可獲得超算級分析能力，徹底擺脫工作站的物理限制5]。

3.2跨領域協同與創新應用

汽車VR/AR技術正朝著數理模型融合與跨域協議標準化方向發展。在模型融合層面，跨尺度多體動力學引擎成為關鍵突破點。該引擎運用統一的時空離散化算法，將宏觀整車運動學模型與微觀分子級材料晶格結構數據整合于同一仿真線程。當設計師在虛擬環境中調整懸架剛度時，系統可同步計算對應金屬合金的晶相變化趨勢，并預測多次循環載荷后的塑性形變量，打破了傳統CAE工具中各學科模型的孤立狀態。

協議標準化進程由開放式虛擬交互接口（OVII）主導。該協議統一了從物理實體傳感器到數字孿生模型的數據封裝格式，使供應商的制動系統模型可直接嵌入主機廠虛擬測試臺架。例如，線控轉向系統的冗余控制器代碼通過OVII接口，可在VR環境中直接驅動虛擬轉向柱的扭矩響應曲線生成，避免傳統模型格式轉換帶來的精度損耗，有效降低跨企業技術協同的異構系統適配成本。

4結論

本文系統探討了VR/AR技術在汽車工程中的應用與發展，明確了實時渲染引擎精度提升、邊緣-云端混合計算架構重構以及跨域協議標準化等關鍵技術突破方向。當前，這些技術已有效解決傳統工程驗證中的時空限制與仿真失真問題。未來，汽車行業應加快構建開放型技術生態，針對虛擬驗證中存在的跨學科數據壁壘，深入優化物理場并行求解器的兼容性，強化數字孿生體與物理實體的雙向交互精度，持續完善虛實聯動技術閉環與自進化驗證體系，為智能汽車產業的創新發展與可持續發展奠定堅實基礎。

參考文獻

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[3]包曉剛，談科峰.汽車工業AR技術應用綜述[J].汽車工業研究，2024（1)：8-11.

[4]王澎斌.基于AR-HUD技術的智能網聯汽車路徑導航方法研究[J].汽車測試報告，2024（2)：31-33.

[5]周定武.基于VR/AR技術的高職汽車專業課教學平臺開發與實踐研究[J].創新創業理論研究與實踐，2023，6（17)：162-164.

(編輯林子衿)