车身结构与设计——第2章车身设计方法

1、课程内容,第一章 车身概论 第二章 车身设计方法 第三章 车身总布置设计 第四章 人体工程学在车身设计中的应用 第五章 汽车造型设计 第六章 汽车的空气动力性能 第七章 车身表面及空间曲梁的绘制 第八章 车体结构分析与设计 第九章 车身部件结构设计 第十章 车身有限元分析 第十一章 座椅设计 第十二章 汽车的通风、采暖与制冷,第二章 车身设计方法,第一节 车身设计的特点 第二节 传统设计方法 第三节 现代设计方法概述 第四节 电子计算机辅助设计（CAD）,2,第一节 车身设计的特点,3,第一节 车身设计的特点,外形结构上，车身由许多具有空间曲面的大型覆盖件组成； 整体外型上，既要求整体协调美感

2、，也要求必要的流线型； 装配工艺上，对互换性和装配准确度上有严格要求； 坐标网格图纸也无法将车身完整精确地表达清楚，必须辅之以1：1模型，采用实物模拟。,4,第二节 传统设计方法,一、新车型开发概述,二、传统的车身设计方法及程序,5,一、新车型开发概述,1.新车型开发的分类,全新车型的开发 已有车型的全面更新 已有车型的中等规模改进 已有车型的小规模改进,2.确定开发内容,产品定性（分类、零部件、已有技术等） 产品技术定性（总体控制参数） 产品工程计划（时间进度计划、既定目标）,6,3.概念设计,3.1 什么是概念设计？ 属于产品设计的前期工作，是始于产品定性之后，指从产品构思到确定产品设计指

3、标（性能指标），总布置定型和造型的确定，并下达产品设计任务书为止这一阶段的设计工作 。 新车型技术性能 设计方案 造型与内饰 新技术 新材料 新工艺及装备,一、新车型开发概述,7,3.2 概念设计阶段应明确的原则性问题 新车型的开发目标 对产品设计提出哪些要求； 产品的基本形式，系列产品发展规划； 投放市场及交通法规 汽车标准、法规及发展动向 产品的设计水平 未来市场的竞争力 生产纲领 产品的造型 内部布置及结构要求等,一、新车型开发概述,8,3.3 市场预测 市场调查：市场需求动向调查、市场上同类产品的调查、市 场消费者调查、产品的使用调查等 。 市场分析与预测：根据市场调查，分析市场构成，

4、从而正确 预测未来市场的发展趋势，为产品定位指明方向。,3.4 制定产品设计任务书 综合概念设计阶段所做的工作，明确规定整车与总成开发的主要性能指标。 轿车车身，主要有：结构型式、结构的主要特点、乘员数、主要性能、造型特征、变形车系列、整备质量、电器仪表、车身附件的选装要求、目标成本等。,一、新车型开发概述,9,二、传统的车身设计方法及程序,1.车身设计制图方法（参见JB1449-84）,1.1 坐标网格 网格间距：200mm或100mm 1.2 坐标零线的确定 高度方向坐标（Z坐标）零线： 沿车架纵梁上表面或无车架车辆的车身地板下表面较长的一段为零线。方向：零线以上为正。 宽度方向左标（Y坐

5、标）零线： 车辆的对称中心线。方向：零线以左为正。 长度方向坐标（X坐标）零线： 通过车辆前轮理论中心的垂线。方向：零线以后为正。,10,1.3 车身设计制图图例,二、传统的车身设计方法及程序,11,1.3 车身设计制图图例,二、传统的车身设计方法及程序,12,1.3 车身设计制图图例,二、传统的车身设计方法及程序,13,特点： 手工造型设计实物模型制作,整个设计过程必须通过实物和图纸相结合的方式来表达设计并传递设计的数据信息,二、传统的车身设计方法及程序,2.传统的车身设计方法和过程,14,绘制1:5车身布置图,绘制1:1线型图,样车试制和试验,模具设计、加工,图纸设计,初步设计,技术设计,

6、二、传统的车身设计方法及程序,绘制车身零件图,绘制1:5彩色效果图,制作1:5油泥模型,制作1:1油泥模型,制作1:1内部模型,绘制车身主图板,制作车身主模型,15,绘制1：5的车身布置草图 依据概念设计提供的设计概念； 设计师完成（创造性活动）； 多方案选出最符合规划要求的方案 。,二、传统的车身设计方法及程序,初步设计：（1）绘制1：5的车身布置图,16,绘制1：5的外形设计构思图 车身外形的构思图，表现预想的汽车造型效果的图画。 构思多方案，平面投影图或立体透视图。,二、传统的车身设计方法及程序,17,Peugeot 607外形草图,二、传统的车身设计方法及程序,18,二、传统的车身设计

7、方法及程序,19,绘制1：5车身布置图 决定轿车总布置方案的因素有轿车类型、豪华程度、舒适性及安全性等； 随着轿车部件的集成小型化，现在较多的布置方案有： 驱动系前置前轮驱动 前置后驱 后置后驱,二、传统的车身设计方法及程序,20,初步确定车身的主要控制尺寸,前悬与后悬，前后风窗位置与倾角，前围板位置，发动机高度，地板高度，座椅布置，操纵机构的 布置以及内部空间的控制尺寸。,二、传统的车身设计方法及程序,21,外形的主要控制尺寸： 前悬、后悬、前后风窗位置及倾角、发动机罩和行李箱盖的高度等 。 内部布置尺寸： 如地板形状与高度、座椅布置位置、操纵系统的布置位置等。 要求：应采用二维人体样板校核

8、； 应按照车身制图标准绘图。,二、传统的车身设计方法及程序,22,2）绘制1：5的彩色效果图,二、传统的车身设计方法及程序,23,2） 绘制1：5的彩色效果图,整车 目的： 给人以较为逼真的车身外形设计的立体感觉 ； 从不同的视觉角度表现车身表面各个面之间的关系 ； 车身整体及细部的形状、包彩、反光效果以及各种不同部分不同材料的质感也都应反映出来； 多种方案选择。,二、传统的车身设计方法及程序,24,二、传统的车身设计方法及程序,25,2）制作1：5的彩色效果图,内饰 目的： 表现各部件的外观形状和质感； 内饰造型持色与外部造型风格一致 ； 多种方案选择。,二、传统的车身设计方法及程序,26,

9、二、传统的车身设计方法及程序,27,二、传统的车身设计方法及程序,28,奇瑞M14 跑车效果图,M14是奇瑞与世界著名的意大利Pininfarina （宾尼法利亚）公司合作开发的。,二、传统的车身设计方法及程序,29,奇瑞M14 跑车效果图,二、传统的车身设计方法及程序,30,奇瑞M14 跑车效果图,二、传统的车身设计方法及程序,31,奇瑞M14 跑车效果图,二、传统的车身设计方法及程序,32,奇瑞M14 跑车效果图,二、传统的车身设计方法及程序,33,二、传统的车身设计方法及程序,34,二、传统的车身设计方法及程序,35,原则： 彩色效果图应以1：5车身布置图为依据 彩色效果图绘制要求有较高

10、的绘画技巧 正确反映汽车的结构和材料质感 要有严格的尺寸比例 要符合透视投影作图规律,符合上述规则的彩色效果图对选型才有实际意义,二、传统的车身设计方法及程序,36,3）制作1：5的油泥模型,数据来源： 轮廓线样板取自1：5车身布置图； 依据1：5的效果图。,目的： 用形体具体表示车身外形； 风洞试验；,二、传统的车身设计方法及程序,37,二、传统的车身设计方法及程序,38,二、传统的车身设计方法及程序,39,油泥模型制作过程,小比例模型制作工具,二、传统的车身设计方法及程序,40,油泥棒,二、传统的车身设计方法及程序,41,油泥刮刀,二、传统的车身设计方法及程序,42,油泥刮刀,二、传统的车

11、身设计方法及程序,43,油泥刮板,二、传统的车身设计方法及程序,44,油泥刮板,二、传统的车身设计方法及程序,45,二、传统的车身设计方法及程序,46,二、传统的车身设计方法及程序,47,二、传统的车身设计方法及程序,48,最后完成的1：5模型,二、传统的车身设计方法及程序,49,技术设计,1）绘制1:1 线型图 2）雕塑1:1 油泥模型 3）制作1:1 内部模型 4）绘制车身主图板 5）绘制车身零件图 6）样车试制和试验 7）制造车身主模型,二、传统的车身设计方法及程序,50,1） 绘制1:1线型图,材料：不同色彩、宽度的胶带，坐标网格的涤纶薄膜。 目的：大致观察汽车的外形轮廓、布置得合理性

12、，发现和修正初步设计中小模型暴露的问题。 检查放大后的效果，如前风窗玻璃的角度、车身轮廓线等。 校核布置的合理性。利用1：1的二维人体模型进行校核，进一步确定各部件之间的尺寸和位置布置关系。 检查结构设计的合理性、可行性，如摇窗玻璃是否能落人车门？门缝间隙是否合理?铰链与门锁布置是否有运动干涉?等。,二、传统的车身设计方法及程序,51,二、传统的车身设计方法及程序,52,2）雕塑1：1的油泥模型,目的： 反映未来新车的立体造型效果； 风洞试验； 依据：1：5模型和1：1的线型图（胶带图）。,制作方法：木制骨架或泡沫塑料骨架，外敷油泥，一般采用真实车轮。,二、传统的车身设计方法及程序,53,二、

13、传统的车身设计方法及程序,54,3）制作1：1的内部模型,目的：检验车身的内部尺寸、操纵方便性、乘座舒适性、上下车的方便性、视野性和内部装饰效果等。 制作方法：一般采用木制骨架，内部装备尽量采用实物，以求逼真。,二、传统的车身设计方法及程序,55,二、传统的车身设计方法及程序,56,二、传统的车身设计方法及程序,57,二、传统的车身设计方法及程序,58,二、传统的车身设计方法及程序,59,4） 绘制车身主图板,主图板（Master layout）概念： 车身主图板是进行车身详细布置，绘制车身表面及其零件结构的1：1总图板，是车身上重要的设计资料之一，应保存在该车型生产的整个期间。 材料：铝合金

14、板（原），聚酯涤纶薄膜（现）,二、传统的车身设计方法及程序,60,主图板的主要内容： 车身外形的表面曲线，即车身的主要轮廓线和一系列截面线； 车身各零件的装配关系及缝隙要求； 车身主要结构断面； 车身中运动部件的轨迹及运动校核，如车门、发动机罩、行李箱盖等； 与车身相关的其他总成的位置、轮廓线及运动部件的运动轨迹，以便校核这些部件与车身的间隙，确定装配位置关系。,二、传统的车身设计方法及程序,61,62,5）绘制车身零件图 详细表示零件结构。,二、传统的车身设计方法及程序,63,6） 样车试制和试验,目的： 检验车身外形和结构设计的合理性，考核其性能、强度和寿命，从中找出缺陷，取得进行修正的数

15、据。 样车试制以手工操作为主。,二、传统的车身设计方法及程序,64,7） 制作车身主模型,概念：表示汽车车身内外覆盖件及部分内饰件空间 立体形状的精确的模型，是产品生产、工艺设备制 造与检验的依据。,分类：按覆盖件在汽车车身中的位置分为外主模型和 内主模型，分别表示车身外覆盖件和内部零件的立体 表面形状。,作用：基准作用，类似“米原器”。,分块原则：主模型应按车身覆盖件分块，原则上应与车身零件一致，并考虑制造工艺的要求。,二、传统的车身设计方法及程序,65,二、传统的车身设计方法及程序,66,主模型制作要求： 主模型外表面的尺寸即是车身外覆盖件的内表面尺寸； 较高的精度，表面光滑平整，制造公差

16、要求在0.25mm以内； 足够的强度和刚度； 一定的使用寿命。,二、传统的车身设计方法及程序,67,材料要求： 不易变形、不开裂、硬度高（不容易划伤）、易加工。 材料种类： 木材,CA10 苏联做，用越南红木做的，价格昂贵。 环氧树脂玻璃钢，优点：不吸水，不易变形、强度、刚度好、硬度高，加工工艺性好。 缺点：制造程序复杂，价格高。 之后将进入生产准备阶段。,二、传统的车身设计方法及程序,68,传统的车身设计方法工作量大、设计周期长。开发新车型需要几年时间。 手工造型设计; 实物模型制作; 依据经验的车身结构设计; 整个设计过程必须通过实物和图纸相结合的方式来表达设计并传递设计的数据信息。,二、

17、传统的车身设计方法及程序,69,第三节 现代设计方法概述,70,在传统车身设计过程的基础上利用现代设计手段来进行车身设计。,现代车身设计手段： CAS：Computer aided styling，计算机辅助造型 CAD： Computer aided Design，计算机辅助设计 CAM： Computer aided manufacturing,计算机辅助制造 CAPP：ComputerAidedProcessPlanning，计算机辅助工艺设计 CAE：Computer Aided Engineering，计算机辅助工程,三、现代车身设计方法及程序,71,三、现代车身设计方法及程序,72

18、,1.设计过程,1）确定车身总布置草图 利用计算机画轮廓草图，以确定各总成的布置位置及车身外形符合工程必要性要求的一些“硬点”。,三、现代车身设计方法及程序,73,2） 计算机辅助造型（CAS） 在计算上绘制效果图，利用屏幕投影或虚拟现实技术观察造型效果。,三、现代车身设计方法及程序,74,三、现代车身设计方法及程序,75,3）快速成型技术或CAM技术加工油泥模型 快速原形：Rapid prototyping,采用近年来新的3D 造型技术和VR 技术发展的新成果进行外型三维模型建模，人们可以实现在计算机内部建立汽车虚拟油泥模型，利用虚拟造型工具如虚拟刮刀、刮片、模板等对汽车虚拟油泥模型进行刮、

19、削、扫操作。该建模过程与真正的汽车油泥建模过程相一致。这种方法彻底取代了传统车身设计方法中手工制作1 5和1 1油泥模型的过程，是车身设计方法发展的方向。,三、现代车身设计方法及程序,76,根据所建立的车身外表面的数学模型，进行车身结构及内怖、仪表板等内部部件的设计，建立模具加工文件，进行CAE分析,三、现代车身设计方法及程序,4）模具加工及CAE分析,77,三、现代车身设计方法及程序,78,三、现代车身设计方法及程序,79,三、现代车身设计方法及程序,80,三、现代车身设计方法及程序,81,三、现代车身设计方法及程序,82,计算机手段在车身设计中介入的范围越来越广，最终车身设计的整个过程会实

20、现完全在计算机上完成。 但是以现在的技术水平而言，数字模型和实体模型相比，数字建模的灵活性还比较低，实时数字影像技术也远未达到完美的程度。 所以即使在汽车和数字技术都相当发达的国家，油泥模型制作技术长期内仍处于不可动摇的位置。 在近期及以后相当长的一段时间，车身设计中还将采用油泥模型制作来体现设计思想和方案的具体细节，用于方案的评选和修改。,三、现代车身设计方法及程序,83,2.现代车身设计方法特点,优点： 它能使设计者得到一个能进行快速评价(造型、结构等方面)的模型，从而设计师可尝试大量的不同方案，能大大提高设计决策的效率和可信度，控制产品开发中的资金投入； 由于设计资源共享，能保证设计的精

21、度； 各部门在设计阶段能尽早获得设计数据，有利于各部门工作协调进行，合作过程可较早开始，从而最终改善了整个产品的质量。,三、现代车身设计方法及程序,84,不足： 将美工人员奔放的构思完全转变为几何信息并正确地提供给计算机有很大的难度；（语言表达、技术问题等） 整部汽车放在有限的图形屏幕上进行设计与观察，与真实的物体间存在着视觉差异。（不直观）,三、现代车身设计方法及程序,85,第四节 电子计算机辅助设计（CAD）,86,1 计算机辅助设计的基本概念 计算机辅助设计(Computer Aided Design)，简称CAD)是研究综合应用计算机及其有关技术帮助人们进行工程和产品设计的技术。 计算

22、机辅助设计技术的发展是与计算机软件、硬件技术的发展和完善、与工程设计方法的革新紧密相关的。采用计算机辅助设计已是现代工程设计的迫切需要。,四、电子计算机辅助设计（CAD）,87,计算机具有高速的计算能力、巨大的存储能力、灵活的图形显示功能和丰富的文字处理功能，充分利用计算机这种优越性能，同时将人的知识、经验、逻辑思维能力结合起来形成一种人与计算机各尽所长，紧密配合的系统，以提高设计的质量和效率。这种人机结合的交互式设计方式，构成了计算机辅助设计的工作过程，这种作用应当而且能够贯穿于设计的全过程，这种计算机辅助设计系统如图11所示。,2 计算机辅助设计的基本内容,四、电子计算机辅助设计（CAD）

23、,88,89,仿形法 计算机辅助车身设计流程对设计人员的计算机应用水平要求较高。所以现在国内广泛采用的车身设计方法是一种介于传统车身设计和计算机辅助车身设计之间的方法，即所谓的“仿形法” 。 手工方法绘制效果图，雕塑模型，然后测量，将测量数据录入计算机,在计算机中建立一个逼近于真实模型的数字模型，再进行结构设计及生产准备。,三、现代车身设计方法及程序,90,“ 仿形法” 流程,三、现代车身设计方法及程序,车身总布置设计,1:5彩色效果图,1:5油泥模型,三坐标测量仪测量模型外形,车身曲面重构及结构设计,图纸设计,模具设计,数控加工,实物模型或样件,获取点云,车 身 主模型,结构、特性分析,产

24、品,快速加工,91,3 计算机辅助设计的作用 1）交互式的图形处理与几何模型构造 2）工程计算分析和对设计的模拟、验证、优化 3）计算机自动绘图和辅助文档编辑 4）工程信息的有效存储及工程数据库的管理与共事 5）知识库基础上的专家系统和人工智能型辅助设计与决策 6）良好的人机交互界面,四、电子计算机辅助设计（CAD）,92,4 计算几何： 1974年，诞生了一门新的学科计算几何，它能提供描述自由曲线、曲面的数学方法。推广应用于有关的工程技术领域，称之为计算机辅助几何设计。 计算机辅助几何设计： 主要用计算机研究工程中的几何造型问题，包括曲面造型和实体造型。曲面造型主要研究曲线、曲面的分析、综合

25、和表示方法；实体造型通过简单体素（球、锥、柱等）的集合运算和几何变换构造复杂实体。,四、电子计算机辅助设计（CAD）,93,关于曲线的几个概念：,插值：给定函数f(x)（表达式未知）在某区间中互异的n个点的值，基于此列表数据，寻找某一函数g(x)去逼近f(x) 。若在这n个点处两函数相等，就称g(x) 为f(x)的插值函数。在其余点，用g(x)近似代替 f(x)。 逼近：当点太多时，不宜使用插值，可使用次数较低的函数，在某种意义（如最小二乘法）下最佳逼近这些点。 光顺：拐点不能太多，即具有二阶几何连续，曲率变化较小。 拟合：是一个综合的概念，是指在曲线、曲面设计中，用插值或逼近方法使生成的曲线

26、、曲面达到某些设计要求。,四、电子计算机辅助设计（CAD）,94,关于曲面的几个概念：,曲面：一条在空间运动的线段所有连续位置的总和。 母线：形成表面的线段； 导线：母线沿其运动的线段； 表面素线：每个位置的母线。 分类： 线性曲面：直母线 非线性曲面：曲母线。 母线不变 母线可变（自由曲面）。,四、电子计算机辅助设计（CAD）,95,1）曲线、曲面表示方法 三次样条曲线,样条看成弹性细梁，压铁看成作用在这梁的某些点上的集中载荷，在力学上抽象为求弹性细梁在外加集中载荷作用下产生的弯曲变形。,两相邻压铁间的一段，只在梁的两端有集中力作用，因此弯矩在这段梁内是线性函数；从整个梁来看，弯矩是连续的折

27、线函数。,四、电子计算机辅助设计（CAD）,96,三次样条曲线的连续与光顺,材料力学上，有挠度y的二阶导数 三次样条曲线：,为分段三次多项式（样条曲线的基本思想是既分段又连续），且在压铁处的位移、一阶导数、二阶导数（弯矩）都是连续的。,优点：函数是一个整体，连续、分段而且连续、唯 一性等； 缺点：局部修改牵涉到整个样条的重新计算； 跟直线和二次曲线拟合不好。等等,四、电子计算机辅助设计（CAD）,97,贝赛尔（Bezier）方法,四、电子计算机辅助设计（CAD）,60年代，雷诺公司贝齐尔，花了十年时间，以“逼近”为基础的参数曲线表示法创造出来的。,精髓在于“将复杂曲线的描述简化为多边形描绘”。,98,贝赛尔（Bezier）方法,一般形式：,Bernstein基函数,三次Bezier曲线：,二次Bezier曲线：,一次Bezier曲线：,四、电子计算机辅助设计（CAD）,99,贝赛尔（Bezier）方法,四、电子计算机辅助设计（CAD）,线性贝塞尔曲线函数中的 t 会经过由 P0 至 P1 的 B(t) 所描述的曲线。例如当 t=0.25 时，B(t) 即一条由点 P0 至 P1 路径的四分之一处。 由 0 至 1 的连续 t，B