（车辆工程专业论文）燃料电池车车身计算机辅助设计.pdf

摘要 汽车工业代表着一个国家制造业发展的水平。世界经济大国的经济发展 无一不与汽车工业有着极为密切的关系。汽车工业的前一、二名即曾经是全 球企业的冠、皿军，似乎能很好地说明这一点。抛开遥远的欧美不谈，我们 只需将眼光放在亚洲邻国，日本和韩国都是主要在汽车和电子这两大工业取 得飞速发展后，带动了整个国民经济的腾飞。| 影响汽车产业发展的两个最主 要的因素是能源和交通问题。化石燃料总有枯竭的一天，及早使燃料电池车 成为切实关系到我们生活的事物，而不再是停留在实验室阶段的产物是我们 目前紧迫的任务。燃料电池车是真正的绿色车辆，是可使我们摆脱环保与能 源这两个桎梏的上佳选择。 新的车辆动力系统的使用必然要对原有的车辆的各个系统进行改进。本 文从这个角度对燃料电池车车身进行设计：对原有车辆车身的继承，利用现 有的资源；同时根据燃料电池车自己的特点重新对整车的布置结构进行设 计，设计新的车身结构。作为制造业的中坚，汽车工业一直是c a d c a m c a e 系统应用的先锋。c a d 技术f j q 应用，有效地推动了汽车制造业的前进。本文 使用u g 对车身及其部件进行z 建模。 本文首先介绍了国际国内燃料电池车发展现状，本文的目的及意义。我 们要发挥后发优势，实现社会生产力的跨越式发展要求，要站在同行的同一 起跑线上，开发2 l 世纪的燃料电池车，这将是中国汽车发展的希望所在。 而c a d 技术则是降低开发成本的主要手段，世界汽车大厂的设计都是以 c a d 的应用占主导地位。其次，本文介绍了c a d 技术n u r b s 自由曲线曲 面造型的原理。然后，本文介绍了本次设计对车身各个部件进行没计所采取 的思路，从目标参数的确定、材料的选择、轮辋电机的特点、车身设计时考 虑的空气动力学特性、人体工程学的应用几个方面进行了综述，最后得到了 造型设计的目标结果。最后，介绍了当今世界三维造型软件及其发展现状； 并详细介绍了得到设计结果所使用的设计方法和技巧。 本文结尾展望了汽车造型的发展规律及趋势，以及燃料电池车的前景。 关键词：燃料电池车、车身设计、c a d 、u g 。 a b s t r a c t t h ea u t o m o b i1 ei n d u s t r yr e p r e s e n t st h e1 e v e lo fan a t i o n s m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yd e v e l o p m e n t t h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n t so ft h e e c o n o m i cg i a n to ft h ew o r l dh a v eg r e a tr e l a t i o n s h i pw i t ha u t o m o b i l e i n d u s t r y t h eb e s tt w oc o m p a n yo fa u t o m o b i l ei n d u s t r yi sa l s ot h eb e s t o ft h ew o r l db u m n e s se n t e r p r i s e s ：i tc a ne x p l a i nn i c e l yt h i sp o i n t l a y i n ga s i d ef a r a w a ye u r o p ea n da m e r i c a j u s tp a ya t t e n t i o nt oour n e i g h b o rc o u n t r yo fa s i a ，j a p a nw i t hk o r e ai so b t a i n e df a s t d e v e l o p m e n tm a i n l ya ta u t o m o b il ea n de l e c t r o n i c st h e s et w og r e a t e s t i n d u s t r i e s ，s oa r o u s e dw h o l en a t i o n a le c o n o m y t w of a c t o r so fm o s t t h a ta f f e c tt h ea u t o m o b il ei n d u s t r yd e v e l o p m e n taret h ee n e r g ya n d t h et r a n s p o r t a t i o np r o b l e m f u s s i lf u e lw i l ld r yu ps o m e d a y ，e a r l y m a k i n gf u e le e l lv e h i c l eb e c o m i n gas o l i dr e l a t i n gt oo u rl i v i n g ，b u t i san o to u t c o m et os t a ya r o u n dt h es t a g ei nl a b o r a t o r ya n ym o r ei s ourc u r r e n tu r g e n tm i s s i o n t h ef u e l c e l lv e h i c l ei sar e a lg r e e n v e h i c l e ，i ti sag o o dc h o i c et om a k eu sg e ta w a yf r o mt w ob i gp r o b l e m t h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n dt h ee n e r g y t h eu s a g eo ft h en e wp o w e rs y s t e mw a n t st oi m p r o v eo nt h ee a c h s y s t e mo ft h eo r i g i h a lv e h i c l eb ya 1 1m e a n s t h i st e x tc a r r yt h r o u g h t h ed e s i g nt ot h ef u e l e e l lv e h i c l eb o d yf r o mt h i sa n g l e ：i n h e r i t o r i g i h a l l yp o s s e s s e dt ot h ev e h i c l ec a r r i a g e ，m a k eu s eo ft h ec u r r e n t r e s o u r c e s ：r e a r r a n g et ow h o l ecara f r e s ha c c o r d i n gt of u e lc e l1 v e h i c l e so w ne h a r a c t e r i s t i c sa tt h es a m gt i m e ，d e s i g n i n gt h enew v e h i c l e sc o n s t r u c t i o i l ；t h em a i nf o r c eo ft h em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y t h ea u t o m o b i l ei n d u s t r yh a sb e e na p p l i e dv a n g u a r di nc a d c a m c a e s y s t e m t e c h n i c a la p p li c a t i o njnc a dp u s h e dt h ed e v e l o p m e n t so ft h e v e h i c l em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r ya v a i l a b l y t h i st e x tuseu gt os e tu p t h em 0 1 do fv e h i c l e sb o d ya n di t sp a r t s f i r s t l y t h i st e x ti n t r o d u c e st h ei n t e r n a t i o n a la n dl o c a l sf u e l c e l lv e h i c l e sp r e s e n tc o n d i t i o n ，t h ep u r p o s ea n dm e a n i n go ft h et e x t w eh a v et h ea d v a n t a g eo fd e v e l o p i n g r e a li z et h es p a nt y p ed e v e l o p m e n t o ft h es o c i a lp r o d u c t i v i t y 。w em u s ts t a n da tt h es a m e1 i n ew i t hour o p p o n e n t o e v e l o p2 1c e n t u r i e s f u e lc e l lv e h i c l e t h i sw i l lb e t h e h o p e o ft h ec h i n e s ea u t o m o b i1 ei n d u s t r y a n dt h et e c h n i q u eo fc a di s t h em a i nm e a n st ol o w e rt h ec o s to fd e v e l o p m e n t 。a n dt h ed e s i g no f t h eb i ga u t o m o b i l ef a c t o r yi nt h ew o r di sa 1 1t oo c c u p yt h e p r e d o m i n a n tp u s i t i o nw i t ht h ec a da p p l i c a t i o n s e c o n d l y ，t h i st e x t i n t r o d u c e ss o m et h e o r i e sa b o u t n u r b sc u r v e t h e n ，t h i st e x ti n t r o d u c e s v t h i s t i m et od e s i g nt h eb o d ya n dp a r t s ，c o n s i d e r i n ga b o u tt oc o n f o r m t h et a r g e tp a r a m e t e r s ，t oc h o o s et h em a t e r i a lo ft h ev e h i c l e ， e l e c t r i c a lw h e e l sc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ea e r o d v n a m i c a l l y c h a r a c t e r i s t i c ，h u m a nb o d ye n g i n e e r i n ga n ds oo n a n dt h e ng e t st h e r e s u l to ft h eb o d y ss h a p e f i h a l l y t h et e x ti n t r o d u c e st h es o f t w a r e s o ft h enoww o r l da n di t sd e v e l o p m e n tp r e s e n tc o n d i t i o n ：a n dt h em e t h o d a n d t h et e c h n i q u eu s i n gt og e tt h er e s u l ti n d e t a i l i nt h ee n d ，t h i st e x to u t l o o kd e v e l o p m e n tr e g u l a t i o na n dt r e n d s o ft h ev e h i c l es h a p e a n dt h ef o r e g r o u n do ft h ef u e l c e l lv e h i c l e k e y w o r d ：f u e lc e l lv e h i c l e ，b o d yd e s i g n ，c a d ，u g v 武汉理工大学硕士论文 第1 章绪论 1 1 本论文的意义及国际国内现状 2 0 世纪9 0 年代后期，世界石油市场动荡不安，这给人们寻找汽车新能 源增添了更多的危机感和紧迫感。加之世界环境形势的日益严峻，对汽车排 放的限制将愈来愈严。为此，人们把眼光转向了技术上更为有发展前途的燃 料电池汽车。燃料电池工作时，不排放对环境有害的物质，只有水和少量的 二氧化碳，使汽车可以真正实现零排放；再就是燃料来源丰富，氢在许多化 合物中广泛存在，这就从根本上消除了石油短缺之忧。燃料电池技术不仅可 以从根本上应对人类面临的环保和能源两大挑战，而且也将引起一场真正意 义上的汽车技术革命。采用燃料电池作为汽车的动力源，不单单汽车结构会 发生变化，主机厂的核心发动机、变速箱与原有的横向配套体系也随之 改变，汽车产业的固有格局将被打破，化学工业在汽车制造中将扮演重要角 色。由于燃料电池上的智能化，光纤传输和数字化的要求，电子产品将广泛 应用，对硬件和软件的需求增加，科技含量更高。知识密集度更高。基于这种 认识，世界上汽车大国都不惜投入巨资研发燃料电池汽车，以图垄断或控制 燃料电池汽车的关键核心技术，绝不受制于人。 发展燃料电池车是治理城市大气污染的有效途径。燃料电池动力汽车的 工作原理是利用氢j 和氧j 的化学反应产生电能、用电力驱动车辆行使， 与以往依靠汽油( 或柴油) 作动力的车辆相比、具有能量效率高、排放污染 小等诸多优点、是人们期待的2 1 世纪的汽车动力源。我国大中城市大气环 境的主要污染源来自汽车己得到环境监测上的证实。据世界银行不久前公布 的信息，全世界空气污染最严重的1 0 个城市太原、米兰、北京、乌鲁木齐、 墨西哥城、兰州、重庆、济南、石家庄、德黑兰。中国占7 个。而燃料电池 车的最大优点是清洁、无污染，所排出的唯一废弃物是水分。在全球环境保 护问题备受关注的今天，燃料电池车作为“清洁车”越来越受到人们的重视。 世界各大汽车厂商都认为，近期内真正有可能取代传统汽车的清洁交通工 具，也许只有燃料电池车。为此，他们纷纷敦促本国政府制定相应的产业政 策。目前，美国、欧洲和日本的汽车厂家都在加紧开发燃料电池技术，预计 3 - 4 年后，燃料电池车将达到批量生产阶段，并投放市场。燃料电池车在2 1 世纪初实现商业化已不再是梦想。 自1 9 9 7 年1 0 月以来，世界上已至少有6 个国家的9 家车商正式宣称， 武汉理工大学硕士论文 他们开发的燃料电池车由实验室试验进入半商业化生产，并将于2 0 0 3 年前 后大规模进入市场。其中，戴姆勒一克莱斯勒公司和福特公司的呼声最高， 媒体披露这两家公司仅在燃料电池关键技术方面就分别拥有近百项专利。此 外日本丰田汽车公司也不示弱，声称在氢储合金技术上领先了欧美。丰田还 同通用汽车公司在开发燃料电池车上结成了战略联盟。而通用则有强大的宣 传：将自己的燃料电池车进行全球巡演。 “九五”期间，科技部组织了“燃料电池技术”攻关项目，中国科学院大 连化学物理研究所在质子交换膜燃料电池技术研究上获得了长足的进展。申 报了3 l 项发明专利，形成了具有自主知识产权的质子交换膜燃料电池技术 体系，已跨入国际先进行列。该所研制的千瓦级燃料电池动力源，成功进行 了应用实验。该所与中科院北京电工研究所、东风汽车研究院联合研制的 3 0 k w ( 5 k w 6 燃料电池系统) 燃料电池中巴演示车，最大时速达到6 0 公里。 “十五”国家科技部8 6 3 “电动汽车重大专项”又将“燃料电池发动机及氢源成 套技术”列为重点，投入巨额资金( 其中燃料电池发动机1 3 亿元，氢源o 4 5 亿元，燃料电池汽车1 2 5 亿元，动力蓄电池及其管理系统1 2 亿元) ，以研究 和开发自主知识产权的“燃料电池发动机及氢源成套技术”，目的是为我国 汽车产业在新世纪切入国际先进水平、实现跨越式发展提供关键的核心技术 支撑，为在我国实现燃料电池电动汽车的产业化并在国际竞争中占有一席之 地做出贡献。 1 2 本论文的目的 设计适合我国自己国情的燃料电池车。不能受制于人，抢占燃料电池车 的市场。目前情况，各个发达国家必然以生态危机，保护环境为借口，全力 打击我们的民族汽车工业，以达到压制我国的目的。我们自己也是必然要提 高排放标准，为我们的子孙后代着想，也必须全力发展我国自己的燃料电池 车。随着市场经济的建立，我国汽车工业又面临加入w t o 的逼近和国外大 型跨国公司大举进攻的严峻形势，同时也面临国内排放法规日趋严厉的挑 战。目前欧洲己实施欧i i i 排放法规，并开发满足欧i v 、欧v 排放标准的发 动机，而我国发动机还在争取稳定欧i ，力争3 4 年后达到欧i i 。因此，我 国的车用发动机包括8 0 年代引进的发动机，在5 1 0 年内都将被淘汰， 这不能不说是我国汽车业的严峻现实。如仍按过去的思路，照抄测绘或再引 进，把当前国外先进的生产线拿来，也只能是达到欧i i 、欧i i i 的水平，中国 武汉理工大学硕士论文 的汽车也就可能永远跟在别入后面跑了，这不是我们要做的，这也是不应该 做的，因此应按中央提出的以信息化带动工业化，发挥后发优势，实现社会 生产力的跨越式发展要求，要站在同行的同一起跑线上，开发2 1 世纪的燃 料电池车，这将是中国汽车发展的希望所在。 1 3 本文采用的设计方法及意义 在传统的车身造型设计中，浑然一体的车身外表面要经过美工雕塑人 员、工程设计人员及技术工人通力合作，经过一整套复杂的设计程序才能完 成。不仅劳动强度大，物资消耗多，且精度差，设计可信度低。近年来，随 着计算机技术的飞速发展，设计任务日益复杂化，大量技术新产品不断涌现， 使传统的设计工具与设计方法无法满足当今设计的要求。汽车行业为了产品 竞争力节约能源，满足用户对汽车舒适性和外形多样性的更高要求，发达 国家各大汽车企业竞相采用计算机辅助设计( c a d 一一c o m p u t e ra i d e d d e s i g n ) 并取得了重大的经济效益，缩短了汽车换型和新产品投放市场的周 期。 c a d 是指以计算机作为主要技术手段，来生成和运用各种数字信息、 与图形信息，以进行工业设计的各类创造性活动。它是以计算机技术为支柱 的信息、时代的产物。工业设计是- - f 7 综合性的交叉、边缘学科，涉及到诸 多学科领域，由此决定了c a d 技术也涉及到了c a d 技术、人工智能技术、 多媒体技术、虚拟现实技术、模糊技术、人机工程学等信息技术领域。 2 0 世纪8 0 年代初，随着计算机图形学的发展，三维设计软件逐步走向 实用，c a d 技术开始走进工业设计领域。特别是在一些工业发达国家，c a d 在工业设计领域迅速发展起来，美国率先研制成功c a d 软件系统，并进入 实用化、商品化阶段，广泛应用于汽车、飞机、船舶和机电产品造型设计中。 进入9 0 年代后，由于复杂光照技术的应用，三维造型软件产生的图形的真 实感已达到近乎“真假难分”的效果，为计算机辅助工业造型设计奠定了基 础。 计算机进入汽车造型设计领域，开始取代了造型师的大量工作。在传统 的设计过程中，设计表达占据了设计师的大部分时间和精力用以完成汽车造 型效果图、车身工程制图以及模型，用图纸和模型实物来表现造型师的创意 构思。由于每一种方案都要制作缩小比例模型和全尺寸模型，因此存在着修 改困难、设计周期长、成本费用高等一系列问题。现在，在造型设计过程中 武汉理工大学硕士论文 引入计算机，由计算机接管了这部分工作，使造型设计师更多地致力于概念 设计、创意构思以及方案选择评价等方面的工作。创意构思成为一种新车型 造型设计过程中的主要组成部分。许多大汽车公司不断推出新的概念车就是 为了表现自己在刨意构思和技术进步方面的突破。当一种新车型的构思成熟 后，就交由计算机去修饰、扩展、完善这个构思，使造型师的创意构思迅速 反映出来。设计者只要在计算机终端前明确对车身的要求，在造型风格、美 学特点及良好的空气动力学性能方面体现新产品开发的意向，调用专用或通 用的造型软件，反复修改原设计，直到满足设计要求。这样，大大提高了设 计效率，缩短了设计周期，提高了产品设计质量。计算机的使用更易于发挥 造型师的创造性和智慧，加速汽车产品的更新换代，c a d 必将使汽车造型设 计进入到一个新阶段。国外大汽车公司及设计公司已建立了相当规模的成套 的硬件、软件系统，运用三维c a d c a m 技术替代了“主图板、主模型”为 主的传统设计方式；近年来开始应用c a s 技术( 使用a l i a s 软件或者其他 软件) ，从概念草图生成、二维渲染到三维表面生成、修改、三维渲染、检 测等都在计算机上完成，从而将逐步替代费时费力的油泥模型制作。传统方 法只有在做出油泥模型后才能评价，而c a s 可随时评价三维电子模型，而且 模型师、结构设计师、模具设计师可以早期介入造型工作；传统方法修改方 案很费时，c a s 修改方案很容易，适于做出多方案优选，并且大大减少了模 型制作工作量。当然，“替代油泥模型”并不是不要物理模型。为了验证设 计效果以及为决策层最后定型的需要，可将三维电子模型数控加工出1 ：l 的车身塑料内、外模型来。 与传统的手工造型方法相比，计算机辅助汽车造型的高效率是令人刮目 相看的。本论文所采用的设计软件是e d s 公司的u g 软件。论文主要是根据 已有的燃料电池车理论成果，再从技术条件、造型美学、空气动力学、人机 工程学、材料及工艺、环境保护等方面综合考虑，进行燃料电池车的形态建 模设计，总结出燃料电池车形态设计的各部分的结构特征。应该注意到，上 述因素有的是互相制约、互相影响的，如空气动力学和人机工程学，论文就 是通过在众多因素中寻优，使燃料电池车在造型优美的同时实现低风阻、小 型化及轻量化，以满足现代都市的需要。燃料电池车的设计包含车身及内饰 设计，涉及到形状、色彩及质感。最后，通过u g 软件生成设计的方案图。 论文在综合分析己有的汽车理论成果的基础上，结合有关工业设计理论 进行燃料电池车的形态设计，使燃料电池车的设计实现技术和艺术有机统 一，因此论文有一定的理论意义。鉴于国内燃料电池车目前几乎全部采用改 武汉理工大学硕士论文 装设计，进行燃料电池车形态设计的研究具有一定的开拓性意义。 论文所引用的部分理论成果，有的是前人从实验所得，有的经国内外证 实可行，用这些理论指导下的燃料电池车的形态设计在实际上也是可行的。 燃料电池车最终是要实现商品化，因此论文也具有一定的实际意义。 武汉理工大学硕士论文 第2 章自由曲线曲面造型原理 七十年代初，计算机辅助设计技术c a d 开始逐步广泛地运用于工业设 计制造领域。三维c a d 系统的出现标志着计算机辅助设计技术从单纯的模 仿工程图纸的三视图模式中解放出来，实现了计算机对产品零件主要信息的 描述，同时也促进了c a e 、c a m 技术的发展和实现。随着b e z i e r 、b 样条、 n u r b s 等描述自由曲线曲面的数学方法的引入，c a d 的曲面造型功能c a s ( c o m p u t e ra i d e ds t y l i n g ) 使复杂曲面计算机数学模型的建立成为现实，车 身设计开发手段比旧的模式有了质的飞跃。 就车身而言，无论是c a d c a m 集成、并行工程还是虚拟现实设计与制 造，他们都必须以车身三箍数字模型为核心，车身三健数字模型的数据是它 们进行车身各种设计、分析、制造所需信息的数据之源。人们使用几何造型 方法通过计算机对车身外形进行描述、修改和控制。c a d 自由造型技术的基 础就是曲线与曲面的构造方法。当前c a d c a m 中曲面造型的主流方法是 n u r b s 方法。n u r b s 曲线曲面造型方法具有下述优点： 既为标准解析形状( 即初等曲线曲面) 也为自由型曲面的精确表示与设 计提供了一个公共的数学形式。因此，一个统一的数据库就能存储这两类形 状信息。 o 由操纵控制顶点及权因子为各种形状设计提供了充分的灵活性。权因 子的引入成为几何连续样条曲线曲面中形状参数的替代物。 o 计算稳定且速度相当的快。 n u r b s 有明显的几何解释，使得它对有良好的几何知识尤其是画法 几何知识的设计员特别有用。 on u r b s 有强有力的几何配套技术( 包括插入节点细分消去、升阶、 分裂等) ，能用于设计、分析与处理等各个环节。 n u r b s 在比例、旋转、平移、剪切以及平行和透视投影变换下是不 变的。 n u r b s 是非有理b 样条形式以及有理与非有理贝齐尔形式的合适的 推广。 掌握n u r b s 曲线曲面的有关原理，对构造和光顺有关造型的线、面时 可以起到事半功倍的效果。当我们在处理设计时相关的线、面时，我们可以 做到知其然而且知其所以然，大大加快设计速度，并且在一定意义上减轻了 设计的劳动强度。 武汉理工大学硕士论文 2 1n u r b s 曲线定义和性质 2 1 1 有理分式表示 一条k 次n u r b s 曲线可以表示为一分段有理多项式矢函数： z o o ，v ，b ，0 ) p 0 ) = 也- 二 z o o , b , 。0 ) 这给出了n u r b s 曲线的数学定义，也是有理的由来。其中嘶，i = 0 ，l ， n 称为权或权因子( w e i g h t s ) ，分别与控制顶点v i ，i = 0 ，l ，n 相联系。首末 权因子( 0 0 ，。 o ，其余之0 ，以防止分母为零、保留凸包性质及曲线不致因权 因子而退化为一点。b i k ( u ) 是由节点矢量 u 2 u o ，u 1 ，u n + k + l 】 按德布尔考克斯递推公式决定的k 次规范b 样条基函数。 2 1 2 有理基函数表示 上述用分式表示n u r b s 曲线方程可改写为如下等价形式 这里r 。0 ) ，i = 0 ，1 ，n 称为k 次有理基函数。它具有如下的性质： 局部支撑性质月0 ) 2 0 ，u e u i ，u i + k + 1 】； 规范性r 。0 ) = 1 ； 可微性。如果分母不为零，再节点区间内是无限次连续可微的，再节 点处是k - r 次连续可微的，这里r 是该节点的重复度。 若u i _ 0 ，贝0 尺。0 ) = 0 。 若所有权因子 j = l ，j = o ，1 ，n 则r 啦0 ) = b ， 0 ) ，此时的n u r b s ) 0 一 小一艮 耻 吕一 鼬 型啦 眦掣驷 。 卜 氓 山 武汉理工大学硕士论文 便成为非有理b 样条。 由上述有理基函数的性质，很容易得出以下的n u r b s 曲线的几何性质： 局部性质。k 次n u r b s 曲线上参数为l i u i ，t l i + | 】c 【i l k ，u 。+ l 】的一点p ( u ) 至多与k + 1 个控制项点v i 及相应的权因子6 0j ，j = i k ，i k + l ，i ，有关而与 其它控制顶点及权因子无关；另一方面，若移动k 次n u r b s 曲线的一个控 制顶点v i 或改变所联系的权因子将仅仅影响定义在区间 u i , u i + k + l 】c u k ，u n + l 】 上那部分曲线的形状，对n u r b s 曲线的其他部分不发生影响。 凸包性质。定义在非零节点区间 u i ，u + l 】c 【u k ，u n + l 】上的那一曲线段位于 定义它的k + 1 个控制点v i _ k v i - k + l ，v i 的凸包内。整条n u r b s 曲线位 于所有定义各曲线段的控制顶点的凸包的并集内。所有权因子大于零保证凸 包性质成立。 几何性质不变。 如果某个权因子m ，等于零，那么相应的控制顶点对曲线根本没有影 响。 非有理与有理贝齐尔曲线和非有理b 样条曲线是n u r b s 的特殊情况。 2 2n u r b s 曲面定义和- 生质 由双参数变量分段有理多项式定义的n u r b s 曲面是： h e o i , jv ，b 柚( “) b 。，( v ) s ( 珥v ) = 。b ”( “) b 。( v ) t 0j = 0 ，4 , 1 7 【o ，1 】 ( 式2 3 ) 式中k ，是矩形域上特征控制网格顶点，q ，是相应控制点的权因子， b ，( “) 和b 。( v ) 是p 阶和q 阶b 样条基函数，它们是在节点矢量 u k ，“卅。l j 和矿 v o ，h ，+ 1 上定义的。若令： h 、 珊l jb t p ( “) b y q ( v ) r i j “v ) = i 卫坚二一 种。，b 。，( “) b 。( v ) x = 0y = 0 则可以得到n u r b s 曲面的分段有理基函数表达方式： s ( 坼v ) = r “( m v ) ，u , v 【o ，1 】 i = 0 j = 0 通常设定权因子。，。，1 0 。，( 1 ) ，。 0 ，( j ) 0 武汉理工大学硕士论文 ( i = l ，m 一1 ：j = l ，n - 1 ) ，这样可以保证n u r b s 曲面的有理基函数为非负。 双变量有理基函数r i k “u ，v ) 具有与双变量非有理b 样条基函数 r i ，k ( u ) r j f ( v ) 相类似的函数图形与解析性质： 局部支撑性质：r i ，k 抓u ，v ) = o ，当u 仨【h i ，h i + k + l 】或v 仨【v j ，u j + k + l 】： 规范性：尺，0 ，v ) - - 1 ； ， ， 0 可微性：在每个子矩形域内所有偏导数存在，在重复度为r 的u 节点 处沿u 向是k - r 次连续可微的，在重复度为r 的v 节点处沿v 向是l - r 次可微 的： ri,k3(u，v)是双变量b样条基函数的推广。即当所有o“=l，,i r l ，k “u ，v ) - b i ，k ( u ) b j ，l ( v ) 。 n u r b s 曲面的性质是： 局部性质是n u r b s 曲线局部性质的推广； o 与非有理b 样条曲面同样的凸包性； 几何不变形： n u r b s 曲面是非有理与有理贝齐尔曲面及非有理b 样条曲面的合适 推广。非有理与有理贝齐尔曲面及非有理b 样条曲面是n u r b s 曲面的特例。 2 3 曲线曲面光顺评价分析及处理 在车身计算机辅助设计中，对产品外形有很多方面的要求，其中之一就 是外形的光滑度( s m o o t h n e s s ，又称光顺性) 。 2 3 1 评价曲线曲面光顺的几何连续- 陛定义 使用连续性描述分段边界处的曲线与曲面的行为是c a d 中评价光顺性 常用的方法。在u n i g r a p h i c s 中通常使用的两种连续性是数学连续性( 用c n 表示，其中n 是某个整数) 与几何连续性( 用g n 表示) 。在u n i g r a p h i c s 中， 可松散定义这两种连续性。 g n 表示两个几何对象间的实际连续程度。例如，g o 意味着两个对象相 连或两个对象的位鼍是连续的：g l 意味着两个对象光顺连接，一阶微分连 续，或者是相切连续的。g 2 意味着两个对象光顺连接，二阶微分连续，或 者两个对象的曲率是连续的；g 3 意味着两个对象光顺连接，三阶微分连续 等。g n 的连续性是独立于表示( 参数化) 的。下图显示的曲率梳状线图示 了这些差异。 c n 表示n u r b s 表达中的b 曲线或b 曲面的两个段间的连续程度。 武汉理工大学硕士论文 一般说来，c o 意味着两个段是g o 连接的。c 1 意味着两个段是g l 连接 的等等。但是，c 0 并不意味着两个段只是g 0 连接的实际上它们可 以是g 1 或g 2 等连接的。 关键的一点是g n 用于表示实际物理连续性，而c n 是实际物理连续性 的数学表达，这种用法并不可靠。因为n u r b s 是自由曲面几何的行业标准， 所以，u n i g r a p h i c s 使用它。但是，我们总是试图让c n 与g n 表示相同的 连续程度，以避免出现曲线是g l ，而有c o 连接点的情况。 2 3 2 曲线的光顺处理 由于n u r b s 曲线曲面自动光顺算法还不成熟，因此在目前实际工程应 用中，计算机几何造型工作中的曲线曲面光顺评价和对曲线曲面满足光顺性 要求的修改还是在计算机的辅助下主要由人工来完成。 对曲线而言，三维工程软件中的曲线曲面造型功能或模块一般都提供曲 线曲率数值的形象化表示，通常称为曲率梳。曲率梳是曲线各点处曲率的矢 量表示，通过它可以直观的评价曲线的光顺情况以便通过调整控制顶点手工 修改。u g 提供的自动光顺处理可以将曲线的曲率自动光顺。 原始曲线 自动光顺后的曲线 图2 1 光顺曲线及曲率梳显示 2 3 3 曲面的光顺处理及分析 复杂曲面的设计可以在不同的限制条件下进行，有些是在几何约柬条件 下进行的，有些则是在空气动力学、流体动力学、或美学上的约束条件下进 行的。但是，不管是哪一种，它们的共同目标都是为了设计一张在满足约束 条件和工作性能前提下，符合光顺性能要求的曲面。而曲面反求除了要求满 i o 武汉理工大学硕士论文 3 1 概论 第3 章燃料电池车车身设计 首先，燃料电池车也属于汽车，其车型也应该像传统燃油汽车那样正确 考虑下列问题： 合理的形状，简单的结构，美观的整体外形； 制造工艺不复杂，便于装配符合现代工业大批量生产的特征； 汽车外形具有良好的空气动力性能： 汽车表面零件应具有足够的刚度和联接强度； 汽车的外形应保证乘客和司机的良好视野，符合人机工程学。 但由于燃料电池车与常规的燃油汽车结构及技术上有所不同，其造型设 计还需考虑以下问题： 由于燃料电池车电池储能有限，因此车身造型应体现小型化及轻量化 的特征； 燃料电池车属无污染汽车，设计及制造应体现“绿色设计”的要求： 燃料电池车的车型设计必须有助于降低各种阻力； 设计时还需考虑电池的防护及更换问题。 相应地，燃料电池车的形态设计和常规燃油汽车应有所不同间，如前部 比较圆润，由于燃料电池工作时会产生大量的热，散热器会很大同样散热罩 与进气口同样加大；底部光滑、平整；整车比例及尺寸略有变化，车身小型 化；造型材料的选择应符合轻量化及绿色设计原则，由此而带来的形态及质 感有所区别等等。当然针对不同用途的燃料电池车，考虑的侧重点也有所不 同。 根据燃料电池车结构特点。可以设计出不拘一格的造型模式，但在形态 设计中存在一个“度”的问题，即设计要让欣赏者与对象之间保持一定的距 离。太近，司空见惯，引不起美感；太远，不能共鸣，引不起兴趣。因此， 掌握好燃料电池车形态设计的新颖度最为关键，如新得怪异莫测，令人不理 解，消费者不购买；如不新颖，就视如寻常，唤不起消费者的购买欲望。只 有似曾相识又有别于现有的设计，才能令消费者付诸行动。 其次，决定燃料电池车车身设计的主要因素： 车身造型 车身造型是车身设计中确定新产品形象的过程，对产品参与市场竞争有 4 武汉理工大学硕士论文 着重要的作用，是汽车生产公司产品竞争的重要内容。一般包括市场调查， 车型比较，了解用户对车身外观的审美要求，造型，外形构思，模型制作等。 即主要从艺术美学的角度出发，由造型设计师和车身工程是协作完成的，从 审美的角度刺激消费者购车欲。 布置形式 本次燃料电池车的布置形式是驱动部分布置成一体，采用电动车轮，助 力转向，燃料电池发动机布置在下方。采用控制线路与驱动部分等相连。 0 新材料、新工艺的应用和车身结构的发展 新材料、新工艺的应用促进了车身结构的发展和车身轻量化，给车身结 构设计提供了方便。车身构件的大型化，成型技术的发展带来了车身表面的 平整化，减少了车身结构件数，提高了车身刚性，进一步实现车身结构的轻 量化。非金属材料( 如塑料) 的应用，带来了车身结构设计的变革，使车身 外形设计具有更大的造型自由度，提高了安全性。本次的车身部件整体采用 了加强纤维塑料，具有良好的强度和刚度。 电子控制技术的应用 电子控制技术应用于车身，改变了驾驶操纵形式和操纵结构的外观，提 高了轿车的自动控制能力，如自动导航装置等。另外，车身自动控制安全系 统和传统的驾驶员获得汽车行驶状况信息的方式的彻底变更，进一步提高了 汽车行驶的安全性。 空气动力学的研究及应用 汽车空气动力学的研究结果，对车身造型设计产生着直接的影响。在车 身的外形设计中如何应用空气动力学原理来塑造车身形体已成为车身造型 设计要考虑的主要方向，包括车身外形应保证汽车高速行驶时有很好的横向 风稳定性，降低车身空气动力的噪声，提高车内自然通风效果等。 人机工程学的研究及应用 人体工程学的研究及应用是改进汽车使用性能的最直接的措施，特别是 对驾驶条件及乘用环境的改进尤其显著，是进行车身室内布置设计的理论依 据。现代汽车的内饰设计是从“人一车一环境系统工程”的理论来考虑的，不 仅座椅、仪表板及所有操纵控制的尺寸和形状及位置是以人体工程的基本原 理为依据的，而且车内空间尺寸由人体尺寸决定，内饰的色彩、质感等也是 以适应人的心理要求来设计的，从而达到给成员以舒适、轻松的心理感觉。 安全问题、公害问题和车身抗腐蚀方面的法规和标准 关于汽车的安全性、公害限制、抗腐蚀方面的法规和标准已成为车身设 讣必须考虑的因素，并且促进了车身结构、新材判、新技术的不断发展，人 体工程的研究内容迸一步深化。 然后，本次设计所遵循的设计原则： 车身外形设计的美学原则和最佳空气动力特性的原则： 车身内使设计的人_ jl i 程学原则： 车身结构设计的轻量化原则： 车身设计的“迎用化，系列化，标准化”原则； 车身设计符合有关的法规硐i 标准； 车身丌发设计的继承性原则。 最后，本次没计的改汁思恕： 车身的造型，必须考虑空问的充分利j h 、制造披术、发，l ：乍祸时乘员的 安全性、空气动力学及流行趋势。一般情况下，对燃判i 乜池：车身f j 9i 5 汁可 以从两个路线进行嫂汁， 是由目标参数的初步确定米进行车身的设计，改 计全新的布钱形式和驱动形式，二是由已仃的乍身外j l = ；进行改装，从外观和 内饰上没有大的l ：l l 。r ，而将燃利电池，电动机等替换剑原来的躯动系统上， 做成新印模块。木文l t 实际情况出发，决定了我们月d 口只能先以爱丽舍为基 础进行改型改计，同时进行滑板式底盘燃料电池车殴计酌探索。第三章主要 从第一条路线出发，而第四章则介绍在爱丽舍基础i 二的改装设计。 3 2 设计目标的参数初步确定 3 2 1 轿车的主要尺寸参数、重量参数和性能参数 3 2 1 ，1 ，整车初步参数 车辆形式4x4 夕 月t q 。 氏4 4 0 0 x 宽1 7 8 0 x 高1 3 5 0 轴距 3 0 0 0 轮距 ”j i j1 5 0 0 后1 5 0 0 前悬6 0 0 整备质量 1 2 5 0 下电 最大总质量 1 5 6 0 千克 燃料电池发动机功率6 5r 瓦 轮辋电机额定功率8 千瓦 轮辋电机额定扭矩 2 3 0 - t 米 武汉理i ：人学硕+ 沧文 3 2 1 2 车身设计 造型设计 内饰设汁 人机工程设计与校验 设计软件 高强度热塑性树脂复合材料、四门、空气 阻力系数较低，进行虚拟装配校核 仪表扳、座椅系统、空调 u g 全部设计数据 3 2 1 3 线传控制系统 线传系统电路 控制软件程序 c a n 光纤传输 硬件一电路板设计 镍氢电池能量回收系统 3 2 1 4 燃料电池发动机 电堆及其防护罩 供气系统氢罐、减压系统、空气系统、加温系统、 滤清系统 冷却系统 电控系统 安全渗断系统 3 2 2 材料的选择 随着汽车向轻量、节能、环保、美观方向发展，非金属材料在汽车上得 到广泛应用，从而达到减轻汽车质量、减少油耗、提高汽车的舒适性及安全 性的目的。汽车上使用的非金属材料包括塑料、橡胶、粘接密封胶、摩擦材 料、织物、玻璃等各种材料，涉及石化、轻：r 、纺织、建材等相关工业部门， 因_ l l ：i f - 会属材料在汽车上应用得如何，反映了一个国家经济和技术的综合实 力，同时也包含了一大批与之相关产业的技术丌发及应用能力。 在汽车的轻量化进程中，由于金属、塑料、橡胶、陶瓷等材料在性能上 各有优点与不足，各有自己较合适的应用范围，因而，高性能的复合材料的 发展及在汽车中的应用变得特别重要。因此，本次设计采用复合材料，高强度 热塑性树脂复合材料。 复合材料可改善或克服组成材料的弱点，充分发挥材料的综合性能，塑 料和玻璃的强度和韧性都不强，丽其复合而成的材料( 玻璃纤维塑料) 却有 很高的强度和韧性，而且质量很小。目前汽车上应用的玻璃纤维增强复合材 武汉埋i ：人学硕七论文 料包括玻璃纤维增强热塑性材料、玻璃纤维氆增强热塑性材料( g m t ) 、片 状模塑料( s m c ) 、树脂传递模塑材料( r t m ) g 及手糊f r p 制品。 复合枣才料可按照构件和受力要求，给出预定的，分布合理的配套性能， 进行材料的最佳设计。汽车