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山东师范大学硕士学位论文 计算机辅助汽车外观概念设计的研究与实践 摘要 计算机辅助设计是从2 0 世纪6 0 年代发展起来的一项技术，并已经广泛地应用到工业 设计中。随着计算机技术的迅速提升，计算机辅助设计也正在工业设计中扮演着越来越重 要的角色，同时也使的这项技术成为当前无论是工业设计，还是概念设计，或者计算机领 域的一个热点问题。 随着市场竞争的日趋激烈，社会的消费观念不断发生变化，产品的功能已不再是消费 者决定购买的主要因素。产品的创新性、环保性、宜人性、外观造型等因素愈来愈受到重 视，在竞争中占据突出地位。在这种情况下，许多企业都意识到产品设计将成为抢占市场 的决定性因素，因而试图通过产品的创新新来获得核心竞争力。 对于汽车行业来说，外观设计更是生命，创新设计实为灵魂。早在计算机发明之前十 多年，2 0 世纪3 0 年代，第一批概念设计的产品“梦中之车”、。形象之车”、“展示之车” 也就是后来的概念车，就亮相于车展。计算机辅助设计更受汽车设计行业的青睐，早在 2 0 世纪7 0 年代便进入了国外汽车设计领域，而国内汽车界也在2 0 世纪9 0 年代中期引入 了该技术_ 到目前为止，在汽车设计行业，尚未有一种系统化的方法引导汽车设计者有条理的进 行创新设计。大多数设计实例，实质上还要靠人脑独立创造进化计算技术的兴起，为我 们探索一种支持进化的概念创新设计途径提供了很好的支持。在此基础上产生的进化设计 已成为最重要的创新设计技术之一 本文主要研究汽车外观概念设计的计算机辅助设计环境问题，目的是通过研究适用于 创新设计的进化设计方法，和方便汽车构件设计复用的构件化设计方法，为汽车外观概念 设计人员的创新思路的开拓提供有利的环境。主要工作为： 1 把进化设计引入到汽车外观概念设计的c a d 环境中。 模拟生物进化方式，把遗传算法应用到汽车外观概念设计的计算机辅助环境中，采用 树形编码方式和点交叉的遗传操作，通过借用进化计算对汽车车身构件进行进化设计，以 便让计算机的设计启迪设计人员创新，努力为汽车设计人员搭建一个能激发出设计灵感的 c a d 环境。 2 把软件复用思想引入到汽车外观概念设计的c a d 环境中。 在今天经济和信息都迅速发展的社会，时代要求汽车设计需要缩短周期、提高效率； 为此，本文提出汽车外观概念设计的模块化，并对构件库进行二级划分、以锄l 方式存储 信息节省存储空间及以图片预览节省重塑构件时间，大大方便了对现有设计资源的充分利 用和快速检索。 3 把微粒群( p s o ) 算法引入到汽车车身构件装配的c a d 环境中。 山东师范大学硕士学位论文 在概念设计的角度上，按自底向上方式的汽车装配，其实质也是汽车外观设计；况且， 若设计人员面对众多的汽车车身构件，若全部用人工装配，其难度和效率是可想而知的， 所以，本文借鉴了进化计算中微粒群算法，对汽车车身构件库里的构件的智能化装配进行 了初步探索。 关键词：计算机辅助设计；创新设计；汽车构件；进化设计；复用；微粒群算法 分类号：t p 3 9 1 7 2 n 山东帅范大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fc o m p u t e ra i d e dt ot h ea u t o m o b i l e o u t l i n ec o n c e p t u a ld e s i g n a b s t r a c t c o m p u t e ra i d e dd e s i g nh a sb e e nd e v e l o p e da sa k i n do f t e c h n o l o g yb yt h e1 9 6 0 s ，w h i c hi s a l r e a d yw i d e l y u s e di ni n d u s t r i a l d e s i g n s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e r t e c h n o l o g y , c o m p u t e ra i d e dd e s i g ni sa l s op l a y i n ga ni n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l ei ni n d u s t r i a l d e s i g n s ，m e a n w h i l e , i tc a u s e st h et e c h n o l o g yt ob e c o m eah o t s p o ti ni n d u s t r i a ld e s i g na n d c o n c e p t u a ld e s i g no ri nt h ef i l e do f c o m p u t e r i k c 卸地o f t h ee v c rs h a r p n e s so f t h em a r k e tc o m p e t i t i o n , t h ee x p e n d i t u r ei d e ah a sc h a n g e d al o t p e o p l en ol o n g e rt r e a tp r o d u c tf u n c t i o na st h em a i nf a c t o ro f w h e t h e r t ob u ys o m e t h i n go r n o t m u c ha t t e n t i o nh a sb 嘲p a i dt ot h ea t t r i b u t e so f c r e a t i v i t y , o u t l i n e ，d e l i g h t f u l n e s sa sw e l l 鲳 e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n , w h i c hs t a n dt h ei m p o r t a n tr o l li nc o m p e t i t i o n f a c i n gt h i sr e a l i t y , m a n y e n t e r p r i s e sb e g i nt or e a l i z et h ei m p o r t a n c eo f p r o d u c td e s i g na n dp a ym o r ea t t e n t i o nt oc r e a t i v e p r o d u c t s c r e a t i v ed e s i g n 啪s a t i s f yt h en o v e la n de v e r - c h a n g i n gm a r k e td e m a n d sa n dh e l pt o i n a k et h ep r o d u c tn l o r ec o m p e t i t i v ee f f e c t i v e l y i na u t o m o b i l ei n d u s t r y , o u n i ：n gd e s i g ni si t sl i f ea n dc r e a t i v ed e s i g ni si t ss o u li n d e e d m o r e t h a n1 0y e a r sh a dp a s s e db e f o r et h ea d v e n to ft h ec o m p u t e r , b yt h e1 9 3 0 s ，t h ef i r s tb a t c ho f c o n c e p t u a ld e s i g np r o d u c tc a l l e d d r e a ma 哦i ”“i m a g ec 哪”a n d “s h o wc a r s a n ds oo n , i 己 l a t e rc o n c e p t u a lc a r s , h a da l r e a d yc o m i n go u ta tt h em o t o rs h o w c o m p u t e ra i d e dd e s i g n r e c e i v e ss oh i g h l ye s t i m a t e di na u t o m o b i l ei n d u s t r yt h a ti th a db e e ne a r l ya p p l i e di nt h ef i e l do f a u t o m o b i l ed e s i g ni nt h ea b r o a d , l a t e r , i te n t 盱e di n t e m a ia u t o m o b i l ei n d u s t r yi n1 9 9 0 s b yf a r , n os y s t e m a t i cm e t h o dc a nd i r e c td e s i g n e r st oc a r r yo u tc r e a t i v ed e s i g no r d e r l y i n f a c t , m o s to ft h ei 璐t a n g e $ a r ec r e a t e db yd e s i g n e r s c e r e b r u mi n d e p e n d e n t l y 1 1 地r i s eo ft h e e v o l u t i o nc o m p u t a t i o np r o v i d e s 吣an e wa p p r o a c hf o rc o n c e p t u a lc r e a t i v ed e s i g n ；t h e r e f o r e ，i t h a sb o o o m eo n eo f t b em o s ti m p o r t a n tt e c h n i q u e sf o rc o m p u t a t i o n a la n dc r e a t i v ed e s i g n m u c ha t t e n t i o nh a sb e e np a i dt ot h ec o m p u t e ra i d e de n v i r o n m e n ti nt h ea u t o m o b i l eo u t l i n e c o n c e p t u a ld e s i g ni nt h i sp a p e r s ot h a ti tc a np r o v i d e a l la d v a n t a g c o u se n v i r o n m e n to f c r e a t i o n , w h i c hc a ne x t e n da u t o m o b i l eo u t l i n ec o n c e p t u a ld e s i g n e r s f o rt h e mb ys t u d y i n gae v o l u t i o n m e t h o de s p e c i a l l yf o rc r e a t i v ed e s i g n 1 1 1 em a i nw o r ki s 丛f o u o w s ： 1 b r i n ge v o l u t i o nd e s i g nt ot h ec o m p u t , ra i d e dd e s i g ne n v i r o n m e n ti na u t o m o b i l eo i n l i n e c o n c e p t u a ld e s i g 止 s i m u l a t i n gt h eo r g a n i s m s e v o l u t i o nm e t h o d , a p p l y i n gg e n e t i ca i g o d t h mt ot h ec o m p u t e r a i d e de n v i r o n m e n ti na u t o m o b i l eo n t l i n oc o n c e p t u a ld e s i g na n dp e r f o r m i n gg e n e t i co p e r a t i o nb y 山东师范大学颂士学位论文 t h ec o d e s 、城t l lt r e , es t r u c t u r ea n dp o i n ti n t e r s e c t i n g i tm a k e su s eo fe v o l u t i o nc o m p u t i n gt ot h e i n n o v a t i v ed e s i g ns ot h a ti tc a l lp r o v i d ea c o m p u t e ra i d e dd e s i g ne n v i r o n m e n tf o ra u t od e s i g n e r s , w h i c hm a y i n s p i r et h e i rd e s i g ni n s p i r a t i o n 2 b r i n gt h es o f t w a r er e a l i d e at ot h ec o m p u t e ra i d e dd e s i g ne n v i r o n m e n ti na u t o m o b i l e o u t l i n ec o n c e p t u a ld e s i g n w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n di n f o r m a t i o ni nr e c e n ts o c i e t y , r e d u c i n gt h e a u t od e s i g nc y c l ea n de n h a n c i n gw o r ke f f i c i e n c yb e c o m et h en e e do ft h et i m e s ；t h e r e f o r e ， p r o p o s i n gt h ea u t oo u t l i n ec o n c e p t u a lm o d u l a r i z a t i o nd e s i g n , c l a s s i f y i n gc o m p o n e n tb a s ei n t o t w oc a t e g o r i e s ，g o r i n gd a t ai nt h ef o r m a to fx m ls a v e sg r e a tm e m o r ya n dp r e v i e w i n gp i c t u r e s s a v e sa m o u n to fr e b u i l dc o m p o n e n tt i m ei nt h i sp a p e r , c a u s ee x i s t i n gd e s i g nr c s o u i c ct ob e m a k i n g u s eo f m o r ee f f e c t i v e l ya n dt ob es e a r c h e dm o r e q u i c k l y , 3 b r i n gp a r t i c l es w a r mo p t i m i z e ra l g o r i t h mt ot h ec o m p u t e ra i d e dd e s i g na n v i r o n m e a ti n a u t oc o m p o n e n t sa s s e m b l y a tt h ee d g eo fc o n c e p t u a ld e s i g n , a u t oa s s e m b l yf r o mb o a o mt o t o pi s ak i n do f a u t o - o u t l i n ed e s i g nv i r n l a 】1 y ；m o r e o v e r , f a c i n gm u l t i t u d i n o u sa u t oc o m p o n e n t s ，i t 1 1b ev e r y d i 伍c t d ta n dl o we f f i c i e n c yi ff i n l s 岫g 船t a s ko n l yb y 蛔西8 0t i f f sp a p e rm a l ( ea ni n l t i a j e x p l o r a t i o nt oa u t oc o m p o n e n t sa s s e m b l y , b yb o r r o w i n gt h ep a r t i c l e $ w a r mo p t i m i z e ra l g o r i t h m b e l o n g i n gt oe v o l u t i o na l g o r i t h m k e yw o r d s ：c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ；i n n o v a t i v ed e s i g n ；a u t o m o b i l ec o m p o n e n t ； e v o l u t i o n a r yd e s i g n ；r e u s e ；p a r t i c l es w a r mo p t i m i z e ra l g o r i t h m c l a s s i f i c a t i o n ：t p 3 9 1 7 2 i v 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本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，除了文中特别加以标注和致谢的地 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( 注：如没有其他需要特别声明的，本栏可 空) 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。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谢 意。 学位论文作者签名：缴 导师签字：副磋 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堂控有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权堂控可以将学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：孝是 导师签字： 7 融芴 签字日期：2 0 0 7 年4 月1 8 日签字日期：2 0 0 7 年4 月1 8 日 山东师范大学硕士学位论文 第一章绪论 一般情况下，产品全生命周期的成本在产品设计阶段有9 0 已经被确定【1 1 ；产品设计 的目的是要创新产品，满足市场需要，而概念设计是整个设计过程中最富有创造性的阶段 阿“概念设计”一词是p a h l 和b e i t z l 3 j 于1 9 8 4 年在( e n g i n e e r i n gd e s i g n 一书中提出的； 书中指出，概念设计是“在明确任务之后，经过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用 原理及其组合，确定出基本的求解路径，得出求解方案的设计工作” 对于设计行业，尤其是汽车设计来说，则概念设计更为重要；如果把汽车设计看成是 一座金字塔的话，那么塔尖就是概念汽车设计 4 1 ( 艺术美术角度) ；而“概念设计的本 质在于设计的人性化和创新性”嘲；同时，社会的消费观念也不断发生变化，产品的外观 造型已逐渐取代功能而成为消费者决定购买的最主要因素。 当然，早在多年前，汽车在外观造型设计中就应用了计算机辅助设计( c a d ，以下皆 简称c a d ) ，从而缩短了设计周期，使原来的5 - 6 年，缩短至2 年或更短，“其中车身开发 设计是主要部分，约占整车开发费用和时间的7 0 ，按照传统方式约需5 - 6 年，采用电子 计算机辅助设计( c a d c a m ) ，现在从设计到样车仅需2 年时间或者更短。”嘲；但是， 传统c a d 软件技术主要用在产品的造型方面，在应用中发挥的设计作用不大川，并且， 对于汽车的设计多为整车设计，设计复用度不高，所以不能满足汽车外观造型的创新设计 要求，也不能充分利用已有的设计资源，因而，支持创新设计的汽车外观造型设计系统以 及如何改进设计方式提高c a d 设计效率的研究就成为当前研究的热点问题。 1 1 汽车造型设计的重要性 随着经济全球化进程的加快，世界汽车工业竞争日益加剧，汽车巨头们都在加紧新车 型的设计开发，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 和车身造型的更新上。造型是汽车的外观，是汽车评价中最直观、最负感染力的部分，好 的造型对提高产品竞争力、反映企业文化有着重要意义。 对于我国目前的情况来说，在汽车造型设计方面，与国外有名的汽车制造公司和汽车 设计公司存在很大的差距，在很长一段时间里，我们所谓的设计很大程度上是在模仿人家 成熟的车型，然后做一些适当的修改，成为自己的产品，真正意义上的自主开发是风毛麟 角。虽然中国独立的设计开发公司有几十家，但是真正完全具备了包括高级轿车在内的汽 车整车设计开发能力，并达到国际水平的大公司却屈指可数。汽车设计在中国基本属于新 兴行业，大部分设计公司都是近几年内才成立的。国内的汽车生产企业舍近求远，不惜花 高价去求助国外的设计公司，一个根本的原因就是中国的汽车设计公司没有拿出真正的精 品去展示，也拿不出精品去展示。 对于本土设计开发，合资技术中心泛亚是做的比较好的，原因在于美国通用汽车为其 山东师范大学硕：t 学位论史 提供了全球技术资源共享和富有经验的技术专家，使其在较短的时间内形成了核心竞争 利，提高了研发能力。其自行设计开发的鳗鹏车在不久前举行的北美底律车展上引起了海 外媒体和企业的重视。在2 0 0 3 年我们看到了新的亮点，上海别克君威汽车。虽然这款车发 动机等部件用的还是通用国外供货商的东西，但是外形设计主要是中国人设计的。毕竟上 海通用借助国际平台使中国人坐上了自己设计外形的车，这就是一个比较大的突破。奇瑞 在汽车开发领域的成功就是利用国内外资源的情况下实现快速、低成本的汽车开发，据说 奇瑞5 年规划了3 0 款新型轿车的开发，速度之快为世界之最，这令中国汽车的设计者十分 兴奋。尽管在这一方面取得了一些成绩，但是相对于国外，相对于我国高速增长的汽车产 业，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，这些成绩还显 得微不足道。所以，中国的汽车造型设计还有很长一段路要走，它将在中国的汽车工业中 扮演越来越重要的角色。咧 1 2 概念车对汽车造型设计的重要性 在历届的国际汽车大展之中，各大汽车公司都会发布和推出许多的概念汽车，这些概 念车除去造型优美之外，还更多的融人了大量现代的高新技术及手段，概念汽车的推出成 为汽车公司引以自豪的理念，概念汽车的研究与开发往往都伴随着新技术和新材料的使 用，带有定的前瞻性，预示着个新的发展阶段和开端，因为这个原因，汽车公司对概 念汽车的开发都投人极大的人力和物力，以其显示汽车公司的强大发展势头 2 0 0 4 年3 月份，洛杉矶艺术中心设计学院举办了一个规模很大的国际设计研讨会，通 用汽车的6 0 0 多个设计师中，有一半是这个学院毕业的；为表示对该学院的感激，通用汽 车从底特律的研发中心用大集装车运了十部概念车到会场来，给来宾参观，这些车全部是 概念车。从1 9 世纪3 0 年代第一部概念车到2 0 0 5 年推出的概念车，跨越7 0 年。会议之后，通 用请客的盛大的晚宴就在场外的大帐篷中举行，同时，帐篷中就摆放着那些概念车。与会 者有种奇特的感觉，好像在一个汽车设计的时间隧道中吃晚餐、喝红酒。 概念车是汽车设计中的一个很特殊的现象，一多半概念车是不准备量产的。3 0 年代刚 剐出现概念车的时候，名称还没有定下，因此有各种不同的叫法，比如“梦中之车”( d r e a m c a r s ) ，“形象之车”( i m a g ec a n ) ，“展示之车”( s h o wc a r s ) ，诸如此类。反正告诉你， 这车是不准备生产的。当然，后来大家都习惯叫“概念车”( c o n c e p tc a r s ) ， 比较接近原 旨。 其实，概念车的一个很重要的目的，是探索未来汽车发展方向。5 0 、6 蛑代福特汽车 概念车部门在乔治沃克( g e o r g e w a l 】【e r ) 领导下设计的概念车x - 1 0 0 为后来福特名噪一时 的“雷鸟”( t h u n d c r b k d ) 畅销车打开了方向，另外一款他负责设计的概念车“林肯未来” ( l i n c o l n f u t u r a ) 虽然没有影响到量产的车，却成为漫画和电视剧“蝙蝠侠中的那辆无所不 能的侠车。最令人目瞪口呆的概念车算是1 9 6 1 年福特公司的“福特吉隆”( f o r do y r o ) ， 那个造型好像是科学幻想电影中的宇宙交通艇一样，那年的北美汽车大展上，这辆车的展 2 山东i l l 范大学颤十学位论文 台简直从早到晚水泄不通。概念车既给设计探索一个可能，又给汽车厂家树立了一个独特 的未来式的形象。这就是几乎所有的汽车公司都有概念车的设计部门，也在每年推出概念 车展示的原因。 概念车影响量产车造型设计的例子还有不少，如宝马z 4 来源于宝马橛念车c s ! ，而 2 0 0 2 年在纽约汽车大展第一次露面的克莱斯勒( p a c i f i c a ) 干脆直接成了量产车；另外， 通用的a u t o n o m y ( 2 0 0 2 年亮相，液氢概念车) 与h y - w i r e ( 2 0 0 2 年亮相，h y d r o g e n 与 b y w i r e 的合成词，意为氢燃料驱动一线传操控，通用公司预计，到2 0 1 0 年会有大量燃料电 池汽车上路行驶) ，英国m g 罗孚公司( m gr o v e r ) 收购了夸威尔( q v a l e ) 后的概念车 m g x 8 0 ( 豪华商性能跑车，法兰克福车展2 0 0 2 1 ) 与量产的m gx p o w e rs v ( 2 0 0 3 1 1 1 上市，高性能跑车) ，被通用收购了的德国车厂奥宝雷诺的r e n a u l t e l l y d s e ( 概念车) 与 r e n a u l t s c e n i c ( 家庭型轿车，1 9 9 6 年底) ，德国大众公司的v w m a g e l l a n ( 越野概念车， 2 0 0 2 年亮相) 与t o u a r e g ( 大众途锐，2 0 0 2 年秋上市) 等等。这些都是从概念车到量产车 的好例子。可见，概念车引领着汽车设计的未来。 9 1 【l 川 1 3 计算机辅助设计的发展与运用 一般汽车设计大致可分为两类：一类是通过设计者己有经验进行开发设计；另一类是 根据已有成型产品进行仿制。汽车工业市场的蓬勃发展和产品细分使得产品倾向于多功 能、多样化设计，消费者的需求也促使产品的生命周期越来越短。在这种趋势下，前一类 设计模式在某些方面，尤其是单纯靠人工开发，已不适应企业新产品开发的速度要求；而 后一类设计模式又更加依赖机器的帮助，尤其是计算机的辅助，于是计算机辅助设计开始 应用于汽车设计叫 国内，计算机辅助设计( c a d ) 系统在9 0 年代中期引进之后，在工业界渐渐推广开来。 它在提高新产品的开发速度、降低成本等各方面都具有重要意义计算机辅助设计( a 心) 系统结合三坐标测量系统构成了逆向工程系统的主要部分。通过三坐标测量系统对汽车零 部件实物或油泥模型进行扫描，形成扫描点云，然后对点云进行优化，进而生成接近实物 的三维光顺造型 在c a d 软件发展初期，c a d 的含义仅仅是图板的替代晶，意指c o m p u t e ra i d e dd r a w i n g d r a f t i n g ，而非现在我们经常讨论的c a d ( c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ) 的全部内容。c a d 技术 以二维绘图为主要目标的算法一直持续到7 0 年代末期，以后作为c a d 技术的一个分支而相 对单独、平稳地发展早期应用较为广泛的是c a d a m 软件，近十年来占据绘图市场主导 地位的是a u t o d e s k 公司的a u t o c a d 软件 在今天中国的c a d 用户特别是初期c a d 用户中，二维绘图仍然占有相当大的比重 3 山东师范大学碗十学位论文 1 3 1 第一次c a d 技术革命曲面造型系统 6 0 年代出现的三维c a d 系统只是极为简单的线框式系统。这种初期的线框造型系统只 能表达基本的几何信息，不能有效表达几何数据阋的拓扑关系。由于缺乏形体的表面信息， c a m 及c a e 均无法实现。进入7 0 年代，正值飞机和汽车工业的蓬勃发展时期。此间飞机 及汽车制造中遇到了大量的自由曲面问题，当时只能采用多截面视图，特征纬线的方式来 近似表达所设计的自由曲面。由于三视图方法表达的不完整性，经常发生设计完成后，制 作出来的样品与设计者所想象的有很大差异甚至完全不同的情况。设计者对自己设计的曲 而形状能否满足要求也无法保证，所以还经常按比例制作油泥模型，作为设计评审或方案 比较的依据。既慢且繁的制作过程大大拖延产了产品的研发时间，要求更新设计手段的呼 声越来越高。 此时法国人提出了贝赛尔算法，使得人们在用计算机处理曲线及曲面问题时变得可以 操作，同时也使得法国的达索飞机制造公司的开发者们，能在二维绘图系统c a d a m 的基 础上，开发出以表面模型为特点的自由曲面建模方法，推出了三维曲面造型系统c a t i a 。 它的出现，标志着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三视图模式中解放出来，首 次实现以计算机完整描述产品零件的主要信息，同时也使得c a m 技术的开发有了现实的基 础。曲面造型系统c a t i a 为人类带来了第一次c a d 技术革命，改变了以往只能借助油泥模 型来近似准确表达曲面的落后的工作方式。 曲而造型系统带来的技术革新，使汽车开发手段比旧的模式有了质的飞跃，新车型开 发速度也大幅度提高，许多车型的开发周期由原来的6 年缩短到只需约3 年c a d 技术给使 用者带来了巨大的好处及颇丰的收益，汽车工业开始大量采用c a d 技术 1 3 2 第二次c a d 技术革命体造型技术 8 0 年代初，c a d 系统价格依然令一般企业望而却步，这使得c a d 技术无法拥有更广阔 的市场7 0 年代末到8 0 年代初，由于计算机技术的大跨步前进，c a e ，c a m 技术也开始 有了较大发展。s d r c 公司在当时星球大战计划的背景下，由美国宇航局支持及合作，开 发出了许多专用分析模块用以降低巨大的太空实验费用，同时在c a d 技术方而也进行了许 多开拓；u g 则着重在曲面技术的基础上发展c a m 技术，用以满足麦道飞机零部件的加工 需求；c v 和c a im a 则将主要精力都放在c a d 市场份额的争夺上。 有了表面模型，c a m 的问题可以基本解决。但由于表面模型技术只能表达形体的表面 信息，难以准确表达零件的其它特性，如质量、重心、惯性矩等，对c a e 十分不利，最大 的问题在于分析的前处理特别困难。基于对于c 删c a e 一体化技术发展的探索，s d r c 公 司于1 9 7 9 年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型c a d c a e 软件，id e a s 。 由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一c a d 、c a e 、c a m 的模型表达，给设计带来了惊人的方便性它代表着未来c a d 技术的发展方向。基于这样 4 山东i i l j 范大学硕士学位论义 的共识，各软件纷纷仿效。可以说，实体造型技术的普及应用标志c a d 发展史上的第二次 技术革命。 但是实体造型技术既带来了算法的改进和未来发展的希望，也带来了数据计算量的极 度膨胀。在当时的硬件条件下实体造型的计算及显示速度很慢，在实际应用中做设计显 得比较勉强。由于以实体模型为前提的c a d 本来就属于较高层次技术，普及面较窄，反映 还不强烈；另外，在算法和系统效率的矛盾面前，许多赞成实体造型技术的公司并没有下 大力量去开发它，而是转去攻克相对容易实现的表面模型技术各公司的技术取向再度分 道扬镳。实体造型技术也就此没能迅速在整个行业全面推广开。推动了此次技术革命的 s d r c 公司，失去了一次大的发展机会。在以后的l o 年里，随着硬件性能的提高，实体造 型技术又逐渐为众多c a d 系统所采用。 在这段矛盾碰撞、技术起伏跌宕时期，c v 公司最先在曲面算法上取得突破，计算速 度提高较大。由于c v 提出了集成各种软件，为企业提供全方位解决方案的思路，并采取 了将软件的运行平台向价格较低的小型机转移等有利措施，一跃成为c a d 领域的领导者 1 3 3 第三次c a d 技术革命一参数化技术 正当c v 公司业绩蒸蒸日上以及实体造型技术逐渐普及之时，c a i ) 技术的研究又有了 重大进展，一种比无约束自由造型更新颖、更好的算法参数化实体造型方法。从算法 上来说，这是一种很好的设想。它主要的特点是：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、 尺寸驱动设计修改。 8 0 年代末，计算机技术迅猛发展，硬件成本大幅度下降，c a d 技术的硬件平台成本从 二十几万美元一下子降到只需几万美元一个更加广阔的c a d 市场完全展开，很多中小型 企业也开始有能力使用c a d 技术。由于他们设计的工作量并不大，零件形状也不复杂，更 重要的是他们无钱投资大型高档软件，因此他们很自然地把目光投向了中低档的p r o e 软 件。进入9 0 年代，参数化技术变得比较成熟起来，充分体现出其在许多通用件、零部件设 计上存在的简便易行的优势。可以认为，参数化技术的应用主导了c a d 发展史上的第三次 技术革命。 1 3 4 第四次c a d 技术革命变量化技术 参数化技术的成功应用，使得它在9 0 年前后几乎成为c a d 业界的标准，许多软件厂商 纷纷起步追赶。但是技术理论上的认可并非意味着实践上的可行性由于c a t i a 、c v 、 u g 、e u c l m 都在原来的非参数化模型基础上开发或集成了许多其它应用，包括c a m ， p i p i n g 和c a e 接口等，在c a d 方面也傲了许多应用模块开发重新开发一套完全参数化 的造型系统困难很大，因为这样做意味着必须将软件全部重新改写，何况他们在参数化技 术上并没有完全解决好所有问题。因此他们采用的参数化系统基本上都是在原有模型技术 的基础上进行局部、小块的修补9 0 年以前的s d r c 公司已经摸索了几年参数化技术，当 5 山东师范大学硕士学位论文 时也面临同样的抉择：要么它同样采用逐步修补方式，继续将其i d e a s 软件参数化下去， 这样做风险小但必然导致产品的综合竞争力不高。积累数年对参数化技术的研究经验以及 对工程设计过程的深刻理解，s d r c 的开发人员发现了参数化技术尚有许多不足之处。首 先，全尺寸约束这一硬性规定就干扰和制约着设计者创造力及想象力的发挥。 全尺寸约束，即设计者在设计初期及全过程中，必须将形状和尺寸联合起来考虑，并 且通过尺寸约束来控制形状，通过尺寸的改变来驱动形状的改变，切以尺寸( 即所谓的参 数) 为出发点。一旦所设计的零件形状过于复杂时，面对满屏幕的尺寸，如何改变这些尺 寸以达到所需要的形状就很不直观：再者，如在设计中关键形休的拓扑关系发生改变，失 去了某些约束的几何特征也会造成系统数据混乱事实上，全约束是对设计者的种硬性规 定沿着这个思路，在对现有各种造型技术进行了充分地分析和比较以后，s d r c 的开发 人员以参数化技术为蓝本，提出了一种比参数化技术更为先进的实体造型技术变量化 技术，作为今后的发展方向。 在i - d e a s m a s t e r s e r i e s ( 以下简称i - d e a s m s ) 软件系列中，变量化的理念是按如下步 骤，一步一步实现的：i d e a s m s l 用主模型技术统一数据表达，变量化构画草图；i - d e a s m s 2 变量化截面整形；i - d e a s ms 3 变量化方程；i - d 队s ms 4 变量化扫掠( 曲面) ；i d e a s m s 5 变量化三维特征，v c x ；i - d e a s ms 6 变量化装配，p m i 等。变量化技术既保持了参数 化技术的原有的优点，同时又克服了它的许多不利之处。它的成功应用，为c a d 技术的发 展提供了更大的空间和机遇。变量化技术驱动了c a d 发展的第四次技术革命。 c a d 技术基础理论的每次重大进展，无一不带动了c p d ) c 砧c a e 整体技术的提高以 及制造手段的更新。技术发展，永无止境，越来越多的人认识到c a d 是一种巨大的生产力。 c a d 技术一直处于不断的发展与探索之中，造就了今天c a d 技术的兴旺与繁荣，也促进了 工业的高速发展。【1 2 j 0 3 1 40 a d 对汽车造型设计的重要性 伴随着汽车工业一百多年来的风雨历程，汽车设计技术和设计方法也经历了一次又一 次的创新和变革，特别是本世纪6 0 年代后期发展起来的计算机辅助设计( c a d ) 和计算机辅 助制造( c a m ) 技术给汽车设计方法带来了质的飞跃，被誉为电力发明以来促进生产力最 具潜力的手段。目前它们已成为国外汽车工业开发新产品、组织规模生产、提高竞争实力 的重要工具。这两项技术在缩短产品开发周期，提高产品性能，降低产品成本方面起到了 决定性的作用。已有统计资料表明，应用计算机辅助技术，可以提高效率几倍到几十倍， 它们促进了科技的发展，给企业带来了巨大的经济效益和社会效益。例如，美国g m 公司 ( g e n e r a lm o t o r j l 臣用汽车) ，在汽车设计中应用c a d c a m 技术，使一个全新车型的设计 周期由5 年缩短为3 6 个月1 1 4 l 【”】。当今，c a d 技术已成为衡量个汽车制造公司设计水平的 重要标志之一。 6 山东师范人学颤i 学位论文 1 4 1 国内外c a d 的状况 2 0 世纪8 0 年代初期发展起来的国外造型软件，比较适合傲形状已基本定型后的产品 详细设计，而对产品的创新设计与协同设计则无能为力i l q 。进入2 1 世纪，随着网络化的 发展，制造业企业需要的不是在某一个产品细节上有一个工具做得更好，而是一个完整的 解决方案，所以日前国际知名的c a d 厂商都开始宣传自己要做一个协同设计( c p c 。 c o l l a b o r a t i v ep r o d u c tc o m m c r c c ) 1 7 1 。 法国达索系统公司( d a s s a u l ts y s t e m s ) 主持开发、美国m m 公司服务销售、波音飞机等 大型制造企业应用参与的高端数字化产品设计制造c a x 系统c a = n a 它最早源于航空 航天领域的尖端应用，开创了三维线架、曲面和实体特征等多项技术先河，而且在2 0 0 2 年后，推出了v 5 版，实现了从u n i x 向p c w i n d o w s 平台的成功移植。p s i 另外，像u g ( 全称u n i g r a p h i e s ) 、p r o i ( 全称p r o e n g i n e e r ) 、a u t o c a d ，这些 三维c a d 技术的著名软件，也纷纷针对网络协同与简化操作方式作了大量完善与改进。 总体上，目前国内外的三维实体设计软件都提供了鼠标拖放式操作、智能动手柄、智能推 捉、三维球和属性表等强大、灵活的三维空间操作工具，使设计构形如同“搭积木”、“捏 橡皮泥”和“雕塑创作”一样直观、简单、易行但是这些软件在支持创新设计时还没有 形成一个体系或一套行之有效的方法，设计的创新本质上还是从脑到手，全靠人来完成， 只是操作起来方便了许多但是，对直接激发设计人员灵感的创新设计的支持都不大 1 9 9 1 年秋，美国的克莱斯勒、福特和通用三大汽车公司联合开发出了c a r s ( c o m p u 蕊z c da p p l i c a t i o na n dr e f e r e n c es y s t e m ) 系统，并在此基础上于1 9 9 2 年又联合开 发出了a s ( g e o m e t r i ca n a l y s i so fs e c t i o n s ) 系统利用g a s c a r s 系统汽车设计者们能快 速的实现结构设计、疲劳强度计算、质量大小的控制、碰撞能量的控制、防腐蚀保护、材 料选择等一系列的功能。b g 自2 0 0 0 年起，通用公司的车辆开发工程部开始建立本公司全部 零件的c a d c a m 数据库和编制软件，可以使不同的零部件在c a d 屏幕上组合在一起形成 一个诸如悬架或传动系这样的全新系统