（光学工程专业论文）汽车造型设计方法研究与微型轿车的设计开发.pdf

中文摘要 汽车，作为一种便利的交通工具，在人们的生活中扮演了重要的角色。随着 人们物质生活水平的提高，人们对汽车外观造型有了更高的要求。为了适应人们 的需求，在激烈的市场竞争中立于不败之地，各个汽车生产企业在提高产品质量、 降低生产成本的同时，不断采用新的技术。数字化技术的应用为汽车造型设计带 来了革命性的变化。特别是c a ( c a d c a m c a e 等) 技术、虚拟技术的综合 应用更是将汽车新产品开发达到了一个前所未有的高度。 汽车的新产品开发是汽车工业的核心和难点，是增强企业市场竞争力的重要 环节，而新产品开发中的汽车造型设计更是难点中的难点。 本文系统阐述了数字化技术在汽车造型设计中的应用，提出了一些重要关键 技术的实现方法，对汽车造型设计有一定的参考价值。通过分析了传统造型设计 流程的特点，认为其具有设计周期长，工作量大，精度差等不足，满足不了现代 汽车开发的要求，还分析了现在应用的设计软件的局限性，针对这些分析，提出 了数字信息化汽车造型设计方法，进行了数字信息化技术平台的研究。 另外，本文结合微型轿车造型设计开发的具体流程，对数字化造型设计技术 的应用进行了详细的讲解，特别针对a l i a s 及s h o w c a s e 等3 d 软件的使用进行 了深入探讨。a l i a s 和s h o w c a s e 不同于其它三维软件，a l i a s 具有模拟二维和三 维素描设计，三维动态形态建模，照片真实感交互式可视化等特性，而s h o w c a s e 则能够提供高品质的照片真实感交互式可视化。这些3 d 软件可以在设计过程中 的任何阶段快速、方便地对模型形态进行修改并实时看到其渲染效果图。设计者 可以在一个完整流程中创建、修改和再现自己的创意，集中精力在产品造型设计 构思上而不是在设计工具上。 本文的第一部分主要是对传统的汽车造型设计方法和数字信息化造型设计 方法作了说明，具体阐述了数字信息化汽车造型设计方法的设计流程，同时也介 绍了数字信息化技术平台的构成。文章的第二部分以微型轿车的车型设计为案 例，进行方法的分析和说明。 关键词：设计流程，数字化，并行工程，虚拟技术，微型轿车 a bs t r a c t a u t o m o b i l e ，a sas o r to fc o n v e n i e n tt r a n s p o r t a t i o nt o o l s ，p l a y sav e r yi m p o r tr o l ei n h u m a n se v e r y d a yl i f e w i t ht h er i s i n go fp e o p l e sl i v i n gc o n d i t i o nl e v e l ，i tc a l l sf o r m o r e n e e d sa tt h e a p p e a r a n c e a n d s h a p e o faa u t o m o b i l e i no r d e rt om e e t p e o p l e s n e e d sa n db e c o m ec o m p e t e n ti n t h i ss t r o n gm a r k e tc o m p e t i t i o n ，t h ea u t o m a n u f a c t o r yc o m p a n i e su t i l i t i e sn e wt e c h n o l o g yc o n t i n u o u s l ya sw e l la se n h a n c e st h e q u a l i t yo fp r o d u c t sa n dd e c r e a s e sp r o d u c t i o nc o s t s i ti sar e v o l u t i o nt ou t i l i t yd i g i t a l t e c h n o l o g yi na u t od e s i g n ，e s p e c i a l l yt h ei n t e g r a t i o na p p l i c a t i o no ft h r e e d i m e n s i o n a l c a x ( c a d c a m c a e ，e t c ) t e c h ，v rt e c h , w h i c hl c a dt h er & do fa u t o m o b i l et or e a c h a no u t s t a n d i n gh i g hl e v e l t h ed e v e l o p m e n to fn e wa u t o m o b i l ep r o d u c t si st h ec o r ea n dd i f i c u l tp o i n to f a u t o m o b i l e i n d u s t r y a n dt h e i m p o r t a n t l i n ki n s t r e n g t h e n i n g t h em a r k e t c o m p e t i t i v e n e s so fe n t e r p r i s e s ，w h i l et h ea u t o m o b i l ep l a s t i cd e s i g ni nn e wp r o d u c t d e v e l o p m e n ti st h eb o t t l e n e c ka m o n gt h ed i f i c u l t i e s t h i sp a p e re x p l a i n st h ea p p l i c a t i o no fd i g i 【t a lt e c hi nn e wa u t o m o b i l er & d ，c o m eu p w i t ht h em e t h o d so fs o m ei m p o r t a n ta n dk e yt e c ha n dt a k e sav i g o r o u sr e f e r e n c ei n a u t o m o b i l er & b t h et e c h n o l o g yo fa u t od e s i g ni sav e r yi m p o r t a n tc o m p o n e n to f i n d e p e n d e n t d e v e l o pc a p a b i l i t y o fc a r d e s i g n b a s e d o nt h e a n a l y s i s o ft he d i s a d v a n t a g et ot h et r a d i t i o n a lp r o c e s so fc a rb o d yd e s i g n ，t h ep a p e rp r o v i d eac a r d e s i g nm e t h o db a s e do nd i g i t a li n f o r m a t i o n a l i z et e c h n o l o g y t h ep l a n e to ft h ed i g i t a l t e c h n o l o g yw a ss t u d i e da n dd e v e l o p e d i na d d i t i o n ，t h i sp a p e re x p l a i n st h ea p p l i c a t i o no fd i g i t a la u t o m o b i l ep l a s t i cd e s i g n t e c h n o l o g y i n d e t a i l e d ，w i t h t h el i n ko f p a r t i c u l a rp r o c e s s o fm i n i c a rr & d s e c t i o n ，e s p e c i a l l ya i m i n ga tt h eu s eo f3 da p p l i c a t i o na l i a sa n ds h o w c a s e a l i a sa n d s h o w c a s ew e r ed i f f e r e n tf r o mm o s t3 da p p l i c a t i o n s ，a l i a s su n i q u e c a p a b i l i t i e s a d d r e s si n2 do r3 ds k e t c h i n g ，d y n a m i cs h a p em o d e l i n g ，p h o t o r e a l ，i n t e r a c t i v e v i s u a l i z a t i o n ，e t c a n ds h o w c a s ec a l lp r o v i d ep h o t o r e a l t h e s e3 da p p l i c a t i o n sc a n p r o v i d ey o uw i t hr e a l t i m ef e e d b a c ka n dd e s i g nc o m m u n i c a t i o nc a p a b i l i t i e sw i t h o u t t h et i m ea n de x p e n s eo fp h y s i c a lp r o t o t y p e s f o rt h e s ec a p a b i l i t i e s ，d e s i g n e rc a l l c o n c e n t r a t eo i lp r o d u c to fm o d e l i n gd e s i g nb u tt o o l s i nt h ef i r s tp a r to ft h i sp a p e r , w et a l ka b o u tt h et r a d i t i o n a lm e t h o da n dd i g i t a l i n f o r m a t i o n a l i z et e c h n o l o g y , a n dm a i n l yd i s c u s st h ep r o c e s sb a s e do i lt h ed i 【g i t a l i n f o r m a t i o n a l i z et e c h n o l o g y m e a n w h i l e ，i nt h i sp a r t ，w ed i s c u s st h ep l a n e to ft h e d i g i t a lt e c h n o l o g y i nt h es e c o n dp a r t ，w eg i v eam i n i c a rd e s i g ne x a m p l e k e y w o r d s ：f l o wo fd e s i g n ，d i g i t a l i z a t i o n ，c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ，v r ，m i n i c i i i 此页若属实，请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别规以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅： 学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 ( 保密的论文在蟹密后应遵守此规定) 研究生签导师签名鼍当舞叠堑耋日期日弓矿乡， 注：请将此声明装订在学位论文的目录前。 武汉理r 大学硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 当前，随着经济全球化进程的曰益加快，世界汽车工业飞速发展，不可避免 的，激烈的市场竞争也随之产生。面对这一严峻的市场状况，全球的汽车生产厂 商都在加紧新车型的设计开发，以此获得更大的市场占有率。由于发动机、底盘 设计制造技术基本成熟，新车型便主要体现在电子设备和造型的更新上。根据调 查，在现今款新车型的开发项目中，4 0 的设计师和工程师是在从事与汽车造 型相关的开发。造型是汽车的外形与内饰，是汽车评价中最直观、最负感染力的 部分，一款好的造型对反映企业文化、提高产品市场竞争力有着重要意义。因此， 在如今的汽车开发中，汽车造型设计已经成为汽车整车产品中最活跃的因素。 对于我国目前的情况来说，从上世纪八十年代开始，随着国外知名品牌的逐 渐进入，中国汽车工业进入了个飞速发展的阶段，汽车产品与人民日常生活的 联系也越来越密切，人们对汽车的发展也就越关注，因此对其各个方面的要求也 就越来越高。自从汽车从奢侈品转变为日常用品后，中国的汽车生产企业也注意 到了汽车造型对于他们产品的重要性。进入二十一世纪，为了提高企业产品在市 场上的竞争力，调动用户购买汽车的积极性，国内的汽车生产企业注意到用户对 汽车外观的审美要求，意识到了汽车造型对销售的重大促进作用，因此各个汽车 生产企业对汽车造型设计工作给予了更多的投入，中国的汽车造型设计也因此进 入了一个高度关注的重要时期。 但是汽车造型设计在中国毕竟属于新兴行业，与国外知名的汽车制造公司和 汽车设计公司存在很大的差距。从上世纪八十年代开始，中国的汽车造型设计发 展可以分为三个阶段：一、完全依靠引进国外汽车生产企业成熟车型：二、引进 或模仿国外成熟车型，进行一定修改成为自己的产品；三、完全自主开发设计。 这三个阶段并不是依次出现，而是同时并存发展着。目前在中国汽车工业中，从 事汽车造型设计的实体主要分为四种：一、合资技术中心，以上海大众、一汽大 众、上海通用泛亚为主要代表；二、中国民族自主品牌，主要有奇瑞、吉利、华 晨等，在这类中又细分为两种，一种是完全依靠本土技术自主设计，另一种是 采用外包形式，即购买国外设计公司产品的知识产权；三、中国独立的设计开发 公司，在中国目前有几十家这种设计开发公司，以同济同捷、汉风为主要代表， 这些公司主要采用“空降兵形式，即为一些品牌充当临时设计中心，为其开发 设计新车型；四、各高校学院，国内一些具有汽车造型设计研究能力的大学院校， 武汉理。t = 大学硕十学位论文 与企业合作，为一些企业攻关汽车造型设计项目，主要有同济大学、武汉理工大 学、重庆工学院等。 相对于我国快速增长的汽车消费，相对于1 3 亿中国人不同的消费需求，中 国的汽车造型设计还有很长一段路要走。特别是与国外目前先进的汽车造型设计 方法相对比，我国目前的汽车造型设计方法存在着落后、效率低、不正规等问题， 因此，本文主要是基于作者在国外汽车生产企业设计中心实际设计过程中所遇问 题和前人在设计流程中总结的经验，对汽车造型设计方法加以综合整理和研究， 并且尝试提出创新汽车造型设计方法及流程规划。 1 2 汽车造型设计方法的发展趋势 1 2 1 传统汽车造型设计方法 目前，国内所采用的大部分汽车造型设计方法虽然较以前相比，使用了一些 计算机辅助技术，但是其开发程序依旧属于传统的汽车造型设计方法，无论在整 体上还是各个细节程序上，仍然要求设计人员和工程人员付出繁重的体力劳动， 摆脱不了设计制造周期长，设计制造精度低，互换协调性差，开发产品质量低的 问题，远远不能适应中国现代汽车业的发展。 ( 1 ) 在创意开发设计阶段，传统的设计方法只能依靠创意设计师的个人灵 感，通过手绘大量的效果图方案来确定初期造型方案。 ( 2 ) 对于初期方案的评审确定，传统的方法是通过搭建框架，依靠效果图制 作整车实体油泥模型，以便观察车体的真实形态，然后对模型作出修改，从而确 定造型方案。以上过程在国内目前依旧还是通过手工打造，对于车身侧面一些较 大的面，只能先制作模板来获取，通常光1 ：4 模型制作就必须耗费一个月左右 的时间，而1 ：1 的整车模型则需要更长的时间和更多的人力物力，而且一旦出 现大幅度的修改，耗费的时间就相当长。 ( 3 ) 隔栅、车灯等附件的设计只能停留在二维效果图的设计，而保险杆、防 擦条等车身附件必须纯手工在油泥模型上表达，更多的是在后期的计算机结构设 计中确定，这样往往会导致与整车造型不相协调。 1 2 2 数字信息化汽车造型设计方法的发展趋势 汽车工业的进步，很大程度上得力于计算机科技的突飞猛进，将计算机、计 算机软件应用于汽车产品的开发、设计、分析与制造，已成为近代汽车工业提升 一竞争力的主要方法。当前，汽车开发已经进入了数字信息化设计阶段，计算机辅 助技术广泛深入应用于汽车开发设计、分析、制造等阶段，这些计算机辅助技术 2 武汉理：r 人学硕士学位论文 我们统称为c a x 技术，也称为计算机辅助机械工程( m c a e ) 技术。c a x 技术 涉及的内容非常广泛，主要包括计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ； c a d ) 计算机辅助造型( c o m p u t e ra i d e ds h a p ec a s ) 、计算机辅助制造 ( c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n g ；c a m ) 、计算机辅助工艺规划( c o m p u t e r a i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ；c a p p ) 、计算机辅助工程( c o m p u t e ra i d e d e n g i n e e r i m ；c a e ) 以及计算机辅助创新( c o m p u t e r a i d e di nn o v a t i o n ；c a i ) 等1 1 j 。汽车工业的发展正是由于c a x 技术的不断加入，而使其达到了t ( t i m e ) 、 q ( q u a l i y t ) 、c ( c o s t ) 、s ( s e v r i c e ) 、e ( e n v i r o n m e n t ) 、f ( f l e x i b i l i t y ) 等 方面的要求【2 】。 数字信息化技术的应用同样也为汽车造型设计提供了更加快捷的方式。随着 数字信息化技术的不断发展，在汽车开发设计中，一种全新的汽车造型设计方法 应运而生数字信息化汽车造型设计方法，包括c a d 、c a e 、c a s 等一批计 算机辅助技术不断应用在我们汽车造型设计中。目前，国外包括德国大众 v o l k s w a g e n 、美国通用g m 、德国奔驰m e r c e d e s b e n z 等一批大型汽车生产企 业的造型开发过程已经全面进入了数字信息化阶段，然而他们所追求的数字化阶 段并不是简简单单的在造型设计流程中单一使用c a x 技术，他们不断加大各流 程间的互动协调，即使其整个造型设计开发过程形成一个数字化信息网，通过各 部门、各设计人员之间的不断互换信息，加快了设计进程，从而缩短了设计周期， 也因为更多的协调，所以设计制造的精度质量也大大提高。所以汽车造型设计方 法在随着不断的发展，已经不是单单只满足某一过程的数字化，而是将整个过程 数字信息网络化，这就是本文所提出的数字信息化汽车造型设计方法。 1 3 本文研究的背景和意义 汽车产业是我国国民经济的支柱产业，虽然最近几年中国的汽车工业飞速发 展，但是依旧掩盖不了中国的汽车工业在汽车造型设计方面的落后状况。 中国汽车造型设计方法比较落后，主要原因有以下两个方面： ( 1 ) 计算机辅助技术使用率不高。 ( 2 ) 流程互动协调性差【j j 。 汽车开发设计数字信息化发展已经是必然趋势，数字信息化设计在汽车造型 设计的现在和未来将占据重要的位置，寻求一种高效、高速的汽车造型设计方法 对改变中国目前汽车造型设计落后的状况至关重要。 本文将根据作者多年的三维c a d 建模经验，以及在合资汽车企业造型中心 与国外造型设计部门的合作经验，系统的对汽车造型设计方法进行深入研究。本 文的意义在于本项目的研究是作者从理论出发，结合实际汽车企业造型开发所提 武汉理工大学硕士学位论文 出来源于实践的创新点，文中提到的新方法、新技术有助于提高我国汽车产品造 型设计整体水平，对促进我国汽车工业发展具有积极的作用。 1 4 本文主要内容和章节安排 本文研究的主要内容和章节安排如下： ( 1 ) 第一章介绍了汽车造型设计方法的发展背景及趋势，阐述了数字信息化 汽车造型设计方法的特点和技术手段；最后介绍了本文的研究背景和意义。 ( 2 ) 第二章主要分析了数字信息化汽车造型设计方法的特点和技术手段，通 过详细介绍数字信息化汽车造型设计方法中所引进的各种先进技术手段，从而验 证了数字信息化汽车造型设计方法的先进性。 ( 3 第三章分析了汽车造型设计流程，通过对传统设计流程的研究，提出了 基于数字信息化汽车造型设计方法的汽车设计流程。 ( 4 ) 第四章介绍了数字信息化汽车造型设计技术平台的具体构建，并以 a l i a ss t u d i ot o o l s 软件这个核心软件入手，重点介绍了这个软件对汽车造型设计 流程的连接作用。 ( 5 ) 第五章通过某款微型轿车设计开发项目的实施，将本文提到的部分方 法、理论进行具体的实践。 ( 6 ) 第六章对本论文进行总结，得出结论并进行展望。 1 5 本章小结 本章首先对汽车造型设计方法的发展背景进行了概括介绍，指出了汽车造型 在汽车工业发展中的重要性。继而提出了适应发展特点的造型设计方法，重点阐 述了数字信息化造型设计方法的趋势和特点，从而引出了本论文的研究目的以及 学术要求；最后总结了本论文研究的主要内容和框架结构。 4 武汉理1 ：大学硕士学位论文 第2 章数字信息化汽车造型设计方法的特点和技术 手段 2 1 数字信息化汽车造型设计方法的特点 一辆新车的造型设计开发过程包括：产品规划与定性、概念创意设计、效果 图设计、油泥模型制作、三维数据构建、样车试制直至下一个阶段。依靠传统的 造型设计方法，只有靠个人的灵感创意设计，用人力搭建油泥模型、逆向扫描获 得三维数据。由于采用简化数学模型、落后的计算方法，因此计算分析不精确， 设计参数和性能并非最佳，设计质量差；开发阶段是顺序依次进行，任何一个阶 段没完成或者出现问题，下一阶段只好等待延期。新产品要经过多次反复修改设 计方案和试制才能定型，一次设计成功率低；一款新车的开发周期相当长，不能 适应市场竞争对加快产品更新的需求。而实践证明，在汽车造型设计过程中采用 数字信息化汽车造型设计方法可以解决传统方法中所存在的弊病，大大缩减开发 设计周期，更重要的是将设计一次成功率及设计质量大幅度提高。 数字信息化汽车造型设计方法的特点正如上面所提到的，首先，大量的计算 机辅助技术的使用，对造型设计开发的各个流程起到了减少人力投入，提高了设 计精度，减少工作实践的作用，随着更多先进技术的加入，汽车造型设计开发的 一些流程也在变化，比如由于虚拟技术的出现，一些汽车生产企业已经取缔了油 泥模型这个耗时较长的流程；其次，数字信息化汽车造型设计方法更体现的是一 种互换协调作用，数字化信息网络的构建，使到各部门、各流程的设计人员和工 程人员能够互动协调，在开发过程中所遇到的问题能够统一整体协调，这样大大 提高了产品的质量。另外，数字信息化汽车造型设计方法能够加大其与后期开发 流程的协调，使整个新车开发流程进入一个并行工程，大幅度缩短开发的周期， 同时也降低了开发成本。 2 2 数字信息化汽车造型设计方法的技术手段 近年来，在发达工业国家中，随着计算机软硬件平台的巨大发展，特别是 c a x ( c a d 、c a e 、c a s 、c a m ) 技术的广泛应用，使得新的设计开发方法手 段与传统的设计手段相比，发生了根本性的变化，形成了以数字化设计、制造为 核心的新产品开发模式。 随着汽车产品开发整体的发展，汽车造型设计也不断进步，数字信息化汽车 造型设计方法主要包括了c a x 技术、c n c 加工技术、v r 虚拟技术等一批计算 5 武汉理l 大学硕十学位论文 机技术，同时也包含了快速成型、协同设计与并行工程等先进的方法。其中c a x 是数字信息化设计的核心，是实现计算机辅助设计的主要工具。 2 2 1c a x 技术 计算机辅助技术我们统称为c a x 技术，也称为计算机辅助机械工程 ( m c a e ) 技术。c a x 技术涉及的内容非常广泛，主要包括计算机辅助设计 ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ；c a d ) 计算机辅助造型( c o m p u t e ra i d e ds h a p e c a s ) 、计算机辅助制造( c o m p u t e r a i d e dm a n u f a c t u r i n g ；c a m ) 、计算机辅助 工艺规划( c o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ；c a p p ) 、计算机辅助工程 ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i m ；c a e ) 以及计算机辅助创新( c o m p u t e ra i d e d i nn o v a t i o n ；c a i ) 等。 汽车造型设计数字化定义是信息化的前提，而与汽车造型设计最为密切的 c a ) ( 技术主要有c a s c a d 技术。汽车造型设计是汽车开发设计中极为关键的 一步，造型设计包括产品外形、布局、草图和概念设计，提供产品的数字模型。 然而现在，造型部门所提供的数字模型往往不止满足作为渲染效果图或静态展 示，更多情况下，造型部门所提供的数字模型必须能够进行快速成型及c n c 数 控加工。因此，造型设计过程中，c a s c a d 技术的比重也越来越大，利用 c a s c a d 技术可以对传统的设计流程进行改造优化，可以完成传统设计中的效 果图、胶带图、3 d 模型等工作，更重要的是可以通过3 d 数据加工模型【4 】。 c a s ，c a d 技术的核心当然是软件的使用，利用其强大的3 d 建模功能产生 精确、符合创意设计师本来设计意图的3 d 模型是其中的重要一环，同时，所建 立的模型又必须达到后续加工的要求。目前虽然行业中具有种类很多的三维软 件，但是大部分都是为工程及结构设计开发的，比如u g 、p r o e 、c a t i a 等， 而r h i n o 、3 d m a x 等一批软件所构建的数据又无法达到后期加工的要求，a l i a s s t u d i o 软件目前能够达到数字信息化造型设计的要求，它已经成为了国外汽车造 型行业的标准软件。 2 2 2v r 虚拟现实技术 v r 虚拟现实技术并不是一个新事物。在上个世纪9 0 年代初期就诞生，国 外的汽车厂商就开始将其导入到汽车设计中。虚拟现实技术( v i r t u a lr e a l i t y ) 属于多学科交叉技术，涉及众多的学科和专业技术知识，它是随着科学技术的发 展，特别是计算机辅助c a x 技术的发展，开始广泛的应用与企业的生产与制造 之中。从国外多年的实践经验看，v r 的重要功能体现在汽车造型设计、产品技 术开发、市场销售，以及产品计划、技术表面处理等方面。目前，g m 、f o r d 、 6 武汉理1 人学碗l 学位论文 黧黧michaelm a u e r 霎p o r s c h e 阈 各大世界知名汽车公司都对虚拟现实技术进行 、习隳笋丽曛：j 酬 了应用，均取得了令人满意的效果，并从使用 l 诅q 鼠l 砰圈 中获益，“虚拟设计流程在保时捷是一种非常有l ；豳曩- 巴 效率的方法，并且超越了我经历的以往任何一筻互圈 种业界的方法。” (首i 譬圈_ | _ 席设计师) 高度评价虚拟设计。由于虚拟现实量，翠翼疆i - i 技术在新产品开发过程中的应用，使产品设计_ 融一 - 二里墨跚 蠢茹 匿盈嗌篁蔷 融圈喇馥橱 慨念改漤i l 定义 i t 盘讦f 【l i 系州州牡 娃巾 图2 2 v r 技术在汽车开发流程中的涉及区域 目| j i ，最受汽车企业所青睐的应当数r t t 软件，目前该公司是业界增长是 快速的可视化产品公司，其产品应用a u d i 、v o l v o 、s e a t 、v o l k s w a g e n 、b m w 、 p o r s c h e 、m e r c e d e s b e n z 等国外知名汽车生产企业，其强大的功能和高质量的 画面是备太汽车公司选择它的主要原因。对于汽车造型设计而言，r t t 能够快 输的从c a d 和a i i a s 软件导出数据，从而通过调配材质和灯光，使造型设计方 案达到高质量的可视化效果。另外，它能够输出高质量照片级效果图，同时通过 编辑也能输出高质量动画，a u d i 、v o l k s w a g e n 、p o r s c h e 公司目前上市新车的 广告短片均是使用r t t 软件制作的。但是对于造型部门而言，其最为重要的功 能在于其强大的实时渲染功能，对于前期造型初步方案的确定、原有车型部分改 武汉理1 人学顾l 学位论立 型、车灯及隔栅等附件的方案评审而言， r t t 的演示功能具有制作周期短，展示 效果逼真等优点1 6 1 。在开发过程阶段， r 丌能够通过简单的切换让评审人员直 观的看到备套设计方案( 比如多套轮毂 设计方案、车身颜色、内饰材质等) ，从 而获得对比而敲定最终方案，如图2 3 所示。另外，r t t 还能够使设计人员在 设计阶段通过虚拟获得与原有车型或竟 幽2 3 利用v r 技术进行细节可视化选择 争车型之白】的详细对比。图2 4 为汽车造型设计开发中的v r 技术应用流程 造型定义 蚕 图2 4 汽车造型设计开发中的m r 技术应用流程 同时a u t o d e s k 公司推出的s h o w c a s e 也在汽车行业中占有一定比例。 虽然通过国内外汽车公司的实际使用经验得出，虚拟现实技术不能完全替代 实体模型的存在意义，但是虚拟展示与实体模型这两个流程相互祢补对方所存在 的缺点，它们相互结合存在，能够为汽车造型设计起到更大的作用。 2 23 c n c 加工与快速成型 传统的汽车造型设计方法，主要是依靠手工将2 d 效果图转换为3 d 数据， 即使到了今天虽然有了计算机辅助技术的加入很多情况下依然是手工制作实 体油泥模型，通过逆向扫描获得3 d 数据。但是这种方法依旧摆脱不了手工制作 的环节，所以设计周期长，而且由于手工制作实体油泥模型需要耗费了大量时间， 常常将时间和精力耗费在模型制作上，无法进行多次反复的修改，这样大大降低 了造型设计的质量，同时对于保险杆、车灯及轮毂等一些细微的附件也无法进行 方案评审前的实体展示。然而，数字信息化造型设计方法解决了传统造型设计方 法中存在的这一重大弊病造型设计方案快速加工技术的发展i ，】。 ! 武汉理1 人。硕 j 学位论文 薰；|磬j25 2 6c n c 的机械加工都是用手工操作普通机床作业譬_凹_ i _ i 的，加工时用手摇动机械刀具切削金属，靠鼍e ：_ d 一暑 眼睛用卡尺等工具测量产品的精度的，如图z _ 】 ， 及图所示。然而数控加工利用 ”龋1 1 誓号竺黑。! 一 ! 燃网 工广泛应用于汽车造型设计的模型加量暑昌芋姿零警量甚霜，p ：疆 工。在数字信息化汽车造型开发过程中，曩固曩重睁吧= = ! ：瑚疆 造型设计人员可以利用计算机辅助造型璺霉o _ 吧”f = 霸- ”乙重 蒸罴嚣3 1 蒌谶j 实物通过数据扫描，由逆向程技术生显e = = = 墨邑量n 成数学模型加以改造。虽然现在计算机墨譬墨孽疆霾匪霸舅l 置聋i 技术可以仿真显示造型效果，但实际过- = = ：i ：= ：= = ；： | | | 黼2 7 鬃黜 图效果图结束后借助三维建模软件构建一个簟i i 圈j l _ 简单的数学模型，通过数控铣床铣出一个油泥! r 髫强_ | 曩 模型，再经过少量的精刮处理得到一个早期的啊_ k 、f 、，l 实体油泥模型( 如图所示) ，这样节省了翼匿滥1 大量的时间设计师可以在这个模型的基础上岬 武汉理i 。人颂十学忾论文 的修改，由于车身坐标轴的确定，模型制作人员仍然可以重新使用数控铣床对模 型进行局部修改，这样大大加大了模型修改的速度与精度，如图28 所示。另外， 对于些车身附件，只能够直接由三维建模软件设计，造型部门往 t 很难将其与 车身岛l 合进行整体评审，这样大大降低了整车造型设计的质量。比方说轮毂，很 多情况下一款新车需要开发多套方案的轮毂，使用c n c 数控加丁：，造型部门 能够加工出设计的轮毂方案，从而在整车卜选择合适方案。 酗28 模型制作人员使片j 数控铣床对模型进行局部修改 也就是说，在汽车造型设计中使用c n c 数控加工技术可以大大提高设计 开发的数度，减少设计开发周期，同时也提高了造型设计的质量，将很多过去只 能够停留在计算机和图纸上的设计通过实体展示出来。 ( 2 ) 快速成型 快速成型与直接数字化制造( r a p i dp r o t o t y p i n g m a n u f a c t u d n g ) 是近年 来新兴的一种制造技术，与传统的材料“变形成型”和“去除成型”等加工法不 同，r p 技术是一种集计算机辅助设计、精密机械、c n c 数控、激光和材料科学 为一体的新型技术，可以自动、精确地将设计思想转化为具有一定功能的原型或 直接制造零件，模具，有效缩短了产品的研究开发周期。在数字信息化造型设计 方法中，r p 技术的重要意义可与c n c 数控加工技术相比。 r p 技术采用累加的新成型原理，直接由c a d 数据制成三维实体模型。与 c n c 数控加工相比，它不需要传统的刀具、机床、夹具，便可以快速而精密地 制造出任意复杂形状的零件模型。对于汽车造型设计部门而占，在复杂的小部件 制作上一般考虑快速成型，比如车灯、网状隔栅，这些部件倘若采用c n c 数控 加工，由于刀具的限制很多细节无法加工。但是大块的部件依然采用c n c 数 控加工，比如轮毂、尾翼等【。 r p 模型更具快速成型工艺的不同可以分别制作出用于设计评估的概念模 型，用于验证装配和性能测试的功能性模型还能直接制造出a b s 、p c 材料的 武汉理i 人学硕十学位论文 塑料，“品。对于造型部门而占，报多情况下。部件设计出来不仪需要考虑造型的 美观，州时垂符合装配要求以及性能要求。例如隔栅，隔栅设计出来后，造型部 fj 将其快速成型，方面可以评审其外观，可以将其安装在整车上使其装配达 到要求h 一方面，试验部门可以使用其计算新隔栅方案的进气量测试其是否 能够到达发动机的要求。 目自0 快速成型技术已经出现了几十种工艺，目前应用于汽车造型设计的快速 成型工艺有下面几种： ( 1 ) s l ( s t e r e o l i t h o g r a p h y ) 光固化成型工艺 s l 工艺是以液态光敏树脂为原料，将计算机控制下的紫外激光按预定零件 各分层截面的轮廓为轨迹对原材料逐点扫描从而产生光聚合反应，逐步堆积成 型。 s l 工艺的特点是精度和光洁度高，但是材料比较脆，运行成本较高，后处 理复杂，对操作人员要求较高。适合验证装配设计过程用。 ( 2 ) f d m ( f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ) 熔融沉积成型工艺 熔融沉积成型工艺又称熔融挤压工艺。 该工艺是利用垫塑性材料的热熔性、粘结 性，在计算机控制下层层堆积成型。 熔融沉积成型工艺的工艺特点是直接 采用工程材料a b s 、p c 等材料进行制作， 适合设计的不同阶段，可直接制造最终产 品。但是这种工艺所成型的产品表面光洁度 较差。图29 为f d m 快速成型机。 懑 国29f d m 快速成型机 ( 3 ) l o m ( l a m i n a t e do b j e c tm a n u f a c t u n n g ) 分层实体制造工艺 分层实体制造工艺又称叠层实体制造。该工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄 膜等，片材表面先涂覆上一层热熔胶加工时，用c 0 2 激光器( 或刀) 在计算 机控制下切割片材然后将得到的片材粘接在一起成型。 分层实体制造工艺特点在于可以制作尺寸较大和强度较高的原型件。 ( 4 ) t d p ( t h r e ed i m e n s i o n a lp r i n t i n g ) m a “m 哑r 轴曲 三维打印成型工艺 ：“。v c ，- = ；3 二“”： t d p 工艺是以某种喷头作成型源，工作m 、r 。叫 时，除喷头能作x - y 平面运动外，工作台还。 - 。 能作正方向的垂直运动：喷头喷出粉术材料和， o 粘接剂，有选择地进行粘接，因此可成型三维一一 实体。图2 1 0 为z c o r p 公司的3 d 快速成幽2 1 0 嚣翥辩3 d 快 武汉理r 大学硕七学位论文 型打印机。 t d p 工艺的特点是速度快( 是其它工艺的6 倍) ，成本低( 是其它工艺的 1 6 ) ，也是唯一能够打印彩色零件。同时它体积小，对工作环境的要求也是最低， 比较适合汽车造型部门使用。但是它的缺点是精度和表面光洁度较低，而且它受 设备体积的影响，一般只能够j n i , , i , 部件。 以上几种成型工艺，s l 工艺由于其成型精度高，主要用于汽车的较精密零 件和装饰件原型的制造；l o m 工艺主要用于汽车大型原型的制造；f d m 工艺 由于不使用激光器件且设备价格低，原型件精度较高，因此这种工艺在汽车造型 设计中的使用率最高，更重要的是，f d m 是唯一运用工程材料快速成型的，a b s 、 a b s i 等一批材料能够满足汽车造型设计过程中的功能【1 。 并行工程将是未来汽车开发的主流方式，而快速成型技术是并行工程中进行 复杂原型和模具制作的有效手段，并且提供了新的开发模式。快速成型技术自身 是一种正在发展和完善的高新技术，同时，它也将是推动汽车造型设计数字信息 化的一个重要技术。 2 3 本章小结 本章首先介绍了数字信息化汽车造型设计方法的特点，接下来通过详细分析 数字信息化汽车造型设计方法中所引进的各种先进技术手段，从而验证了数字信 息化汽车造型设计方法的先进性。 1 2 武汉理j ：大学硕十学位论文 第3 章基于数字信息化汽车造型设计方法的汽车设 计流程 汽车设计开发过程中，质量、成本、周期一直是企业成功的关键，也是参与 市场竞争的最有价值筹码。随着汽车工业的发展，汽车设计制造业的设计制造流 程直在不断地变化、更新、发展，目的就是缩短周期，降低成本，提高产品的 质量以及设计一次成功率，为企业品牌在市场竞争中的有利地位打下基础。 汽车造型设计这个步骤至关重要，是直接影响接下来的整个流程和产品最终 市场销量的关键一步。本文提出了一种适应现在与未来市场竞争的新型数字信息 化汽车造型设计方法，这种方法结合了国外汽车生产企业造型设计部门的发展经 验，是汽车造型设计的发展趋势，同时对中国汽车工业的造型设计发展具有积极 的作用【1 2 1 。 3 1 汽车造型设计流程分析 3 1 1 汽车造型设计流程概述 根据汽车造型设计的发展经验，汽车造型设计流程总体内容可以归纳为市场 分析与市场定位，c o n c e p t 概念阶段、设计阶段、设计深化阶段，如图3 1 所示。 ( 1 ) 市场分析与市场定位 造型设计的前期需要对所开发车型做市场调研，以便对有针对性地规划造型 定位，这个调研包含价位、目标客户群、竞争车型、流行元素等方面。在产品规 划过程中，设计师了解到即将进行的造型的风格定位与功能定位有助于设计师更 好的把握方向，也能使得新造型尽可能被目标客户群接受。 与此同时，造型部门重点分析同级别竞争车型，对它们的造型设计进行系统 剖析，确定自身新车型在造型上的设计针对性。 ( 2 ) c o n c e p t 概念阶段 通过上阶段充足的准备工作，造型部门确定产品的风格和设计方向，与此同 时与其它部门协调，获得新开发车型的具体约束，主要是与底盘开发部门协调， 获得底盘数据尺寸。总体上，这个阶段主要是针对设计的可行性进行探讨，同时 为下阶段开始设计工作进行前期准备。 ( 3 ) 设计阶段 从上面的流程图我们可以清楚了解，在设计阶段主要是是由三个部门完成 的，外形设计部门、内饰设计部门、色彩设计部门。 武汉理i 人学硕 学位论文 圈31 传统汽车造型设计流程图 外形设计： 造型设计师通过创意草图、效果图、小比例油泥模型设计多套前期造型方案， 经过前期评审选择一套方案进行1 ：1 油泥模型制作，并在这个油泥模型上进行 推敲修改，蛀终确定外形设计方案。 内饰设计： 内饰设计部门根据外形设计风格，进行内部格局布置及方案设计。 色彩设计： 针对目标市场研究产品的色彩及样式，为新车型的外形和内饰确定色彩方 ， 武汉理i 人学颈 j 学位论空 案同时与外形、内饰设计部门联合设计各种细节：外形车身上的标志、车 窗卜的贴花等；内饰座椅及中控板的面料选择等。 而外形设计部门的工作是这个阶段