正向工程设计汽车基本流程解说.doc

正向工程设计汽车基本流程解说【3D动力网】主要介绍汽车正向造型设计流程：（1）概念设计（2）三维造型设计（3）工程结构分析（4）设计完成！一、引言从1886年，德国人卡尔费利特里奇本茨发明第一辆以汽油发动机为动力的三轮车开始，到1959年，日本丰田公司在美国建立工厂，世界汽车工业从萌芽期到高速发展期，汽车已经成为了社会生产、生活中不可或缺的组成部分。 一百多年以来，汽车产品的研发、设计模式也随着工业设计、工程设计和制造方式的变更不断发展、演变。特别是近几十年来，世界汽车市场加速一体化，竞争日趋激烈，客户需求日益多元化，汽车产品的T（时间）、Q（质量）、C（成本）和S（服务）成为了制胜的关键因素。同时，制造工业领域的数字化产品研发技术发展迅猛，产品的设计和研发模式迅速从手工模式、部分手工模式向全数字化模式发展。作为制造工业技术的先行者，汽车业迅速引入大量数字化产品研发技术，并将传统研发和设计模式与三维数字化技术相结合，逐步建立了现代汽车设计与研发流程。数字化研发技术给汽车工业注入了新的活力，使汽车产品的研发周期大幅度缩短，对市场需求的响应能力迅速提高，同时改善了汽车研发的质量、降低了研发成本。反过来，数字化技术在汽车工业的广泛应用，推动了数字化技术的进一步成熟、发展，仿真分析、逆向工程、数字化功能样机和虚拟现实等新型数字化技术都有汽车工业的痕迹。 汽车产品的数字化研发离不开高性能的计算机硬件平台，特别是三维数字化设计技术的应用，更与计算机的图形性能息息相关。早在80年初，三维设计技术已经出现并具备了一定的实用价值。但是，当时个人计算机的硬件性能还不能满足三维应用的需求，三维设计软件必须在UNIX小型机上运行。这使得三维技术的可用性不高，而成本却非常高。90年代中晚期，个人计算机的兴起及性能的迅速提升，使三维数字化技术在汽车工业的应用进入了高速发展期。 图1 汽车设计的全面数字化已经是大势所趋 二、汽车概念设计和造型设计阶段 对于大多数人来说，欣赏和选择一辆汽车，除了性能因素之外，汽车的外观造型是最关键的考量标准。对于消费者而言，汽车也许是一件完美的艺术品。但对于汽车设计师而言，汽车则是典型的工业产品。设计师必须在消费者调查、市场调研、竞争对手分析及企业制造能力分析的基础上，确定设计对象的市场定位，进而确定造型设计的方向。 在确立造型设计的方向后，设计师将采用手绘的方式设计概念草图和效果图。尽管概念设计有相应的数字化工具可以使用，但大多数设计师在思考阶段还是习惯手工方式。数字化工具往往在方案确定后，用于正式效果图的绘制和三维造型设计。 图2 设计师采用手绘方式建立概念草图 基本方案确定后，设计师开始利用数字化设计软件建立概念草图和三维造型。这个时候，本文的主角登场了。建立概念草图和三维造型最为常用的软件是AutodeskAliasStudiotools。Alias是目前世界上最主流的工业造型设计软件，可以说是全球汽车业的行业标准设计工具。设计师利用Alias软件的Studio/paint、Design/Studio、Studio、Surface/Studio和AutoStudio等5个功能部分，完成从草图绘制到造型的所有概念造型创建工作。 图3 汽车数字化造型 在概念造型阶段，由于模型的复杂程度不高，没有复杂的内部结构，而且以曲面、线框模型为主，因此，与AutodeskAliasStudiotools相互协同的最佳专业显卡是QuadroFX1800和QuadroFX3800。 图4 利用硬加速检验曲面光顺性 图5 用于测试的轿车模型（渲染模型截图为局部） 三、汽车工程设计 汽车设计是非常复杂的系统工程，Alias概念造型设计仅仅是个开始，后续的工程设计才是决定汽车整体性能和安全性的关键步骤。在工程设计阶段，工程师需要考虑汽车的车身结构、制造工艺性、空气动力学特性、人机工程特性、材料特性、声学特性和光学特性等诸多因素。利用Alias软件建立的三维造型为汽车的工程设计部门提供了第一轮造型信息，工程部门可以据此进行详细的结构设计，围绕三维模型开展白车身工程、内外饰工程、底盘工程、电气工程和动力总成工程等详细工程项目。 汽车工程设计最主要的两个软件是CATIA和NX。CATIA是世界上最完善的大型三维CAD/CAM一体化设计软件，由于其功能全面，又经过航空工业用户的长期磨砺，特别适于设计子系统众多、结构复杂的产品，汽车设计是CATIA的主要应用领域之一。UGNX进入汽车行业也非常早，通用汽车就是UG最大的用户，很多汽车发动力制造商使用UGNX设计和辅助制造产品。NX与CATIA一样，具有丰富的功能，在吸收了I-DEAS之后，其在逆向工程、CAM加工和设计分析、验证等方面有其独到之处。UGNX目前的最新版本是6.0，而CATIA的主流版本是CATIAV5R19（新版本V6用户群还很少）。 我们采用操作脚本，在UGNX和CATIA中进行三维模型的实际操作，捕捉连续动作的帧数。对于UGNX6，我们特别增加了实时着色测试。NX6引入的Trueshade（真实着色）功能，帮助用户实现高质量的动态模型可视化，可以选择多种环境、光源下的真实感材料贴图。 图6 Trueshade改进了模型的可视化效果 CATIA和NX对显卡的要求其实并不高于AliasStudiotools2010，但是，CATIA和NX所需处理模型的复杂程度往往高于Alias。以整车设计而言，Alias模型仅仅具备外观造型信息，而CATIA下的模型就包括整车结构、电气布线、动力总成等几乎全部产品信息。因此，利用CATIA和NX设计大型装配体，往往需要性能更强大的显卡。我们在测试过程中加入了QuadroFX4800。QuadroFX4800基于GT200核心，属于超高端专业显卡。QuadroFX4800几乎支持所有NVIDIA公司在专业显卡领域的专利技术，包括SLI、OS-SLI、G-Sync和HDSDI。其硬件参数如表6所示。相比QuadroFX3800，尽管几何、像素处理能力并无提高，但QuadroFX4800的显存带宽和容量进一步增加，分别达到了76.8GB/s和1.5GB，使其处理大模型的能力更强。我们可以通过下面的测试感受中端、高端、超高端QuadroFX显卡的性能差别。 CATIA的是直接使用了Viewperf10的轿车模型，这个汽车模型包含了大约210万个顶点，脚本进行矩阵复制、旋转平移等操作。 图7 CATIAV5R19的测试轿车模型 图7 Viewperf10中的NX测试模型SUV车型 尽管模型复杂程度相差不多，但几乎所有测试显卡都在NX6中吃力一些。很明显，NX6对显卡的要求要高于CATIA。QuadroFX1800在这项测试中被证明不适合NX6大装配作业，其性能不能满足要求。相比而言，Quad