车身是汽车的四大总成之一, 随着汽车服务领域的不断扩大和需求日益多样化、个性化车身设计己后来居上逐渐占据主导地位。据统计, 客车轿车和多数专用汽车的车身质量约占整车质量的40%~60%;货车车身质量约占整车质量的16%~30%;而各车型车身的制造成本占整车的白分比甚至还略高于上述给出的上限值。从节能、节材等儿个方面来看, 车身设计的潜力则更大。
国内外汽车生产的实践充分说明:整车生产能力的发展取决于车身的生产能力;汽车的更新换代在很大程度上也取决于车身;在基本车型达到饱和情况下, 只有依赖于车身改型或改装才能打开销的路。传统的汽车车身设计方法的整个过程是基于手工设计完成的、一般分为起步设计与技术工艺设计的两个阶段。整个过程的特点是通过实体、图纸、模型、样板等来表达信息, 需要制作个尺寸油泥模型、样车以及三次风洞试验等阶段;同时需要进行车身原始数据的保留、车身主图板和车身主模型制作。因此, 进行优化车身设计改良, 不仅可以节约制造物理样机所需要的时间与经费, 而且能够获得较最佳的设计力案;同时能够准确快捷的确定、修改设计缺陷, 逐步优化设计力案。从源头提高了产品的设计质量, 大大缩短了产品的开发周期及费用。
1 车身的作用及结构特点
车身的主要作用是载运乘客或货物, 相当于临时住所或流动仓库, 是一个受到质量和空间限制的活动建筑物, 其详细作用因车而异。就轿车车身而言其作用概括起来有以下5点: (1) 实现整车功能; (2) 为乘客提供舒适的乘坐环境; (3) 为乘客提供安全保护; (4) 减少空气阻力; (5) 增强轿车的美观性。
车身的特点主要体现在车身的涉及面广、车身材料种类多、车身造型发展迅速等几个方面。车身的结构特点主要在于组成车身外形的各个零部件 (即所谓的车身覆盖件) 的材料薄、尺寸大、形状复杂且多为自由曲面。
2 对车身设计的要求与特点分析
车身设计包括对车身各项内容的设计, 其总体要求是在实现相应功能的前提下力求造型美观, 性能良好、具有良好的空气动力特性制造容易、维护装拆方便。
在外形和结构上, 车身壳体 (特别是轿车车身壳体) 是由许多具有空间曲面外形的大型覆盖件组成。对整车外形来说, 既要求其整体协调给人以美感, 又必须保证必要的流线型。在设计这些大型覆盖件时, 对互换性和装配准确度也有较严格的要求必须保证其工艺性要求。因此, 要求车身表面上的各点 (空间坐标) 连成的曲线必须在纵向和横向2个截面上反复协调以使之光顺。传统的设计方法就不得不规定车身图样必须采用坐标网格来表示, 但即使如此也无法单纯依靠图纸准确完整地将其表达出来, 而必须辅以实体模型。也就是说, 对车身这样复杂的空间曲面外形需采取一整套特殊的实物 (如外形样板和主模型等) 模拟和“移形” (模拟量传递) 的办法来表达。在产品设计、生产准备和投产等阶段中, 实物可以补充图样的不足, 保证成套工艺装备 (模具和装焊夹具等) 之间乃至零部件之间的协调验证。以上这些特点决定了车身设计有别于汽车上的其他总成而自成一套体系的工作方法, 这种方法及其思想也成为逆向工程的起源, 迄今为止, 车身设计也是逆向工程应用最多、最成熟的领域之一。
3 基于CAX的现代汽车车身设计方法
一般认为, 基于各种计算机辅助技术 (CAX) 的车身设计方法为现代车身设计方法, 它通常可分为概念设计 (Concept design) 程设计 (Engineering design) 2个阶段, 笔者仅讨论工程设计中的有关问题。
采用CAX的现代车身设计过程见图1它的一个主要工作是利用计算机辅助几何设计 (CAGD) 方法来进行车身几何造型设计, 即在计算机上建立一个雕塑车身的模型, 可以从它的表面任意处得到所有的曲线和曲面信息来进行设计和分析, 这个模型将被作为一个主模型来取代传统车身设计中的立体模型。从图2中可以看到, 现代汽车车身设计方法保留了传统设计中美工雕塑人员常规使用的方法, 即用手工方法绘制效果图、雕塑缩比油泥模型, 然后利用二坐标测量技术对车身油泥模型的表面数据点进行测量。根据这些数据, 设计师在计算机中建立一个近似于真实模型的数学模型, 然后根据要求对模型进行相关的修改进行结构分析和设计;最后将计算机建立的车身模型直接用于车身覆盖件模具的设计和加工。这种设计方法使得结构设计、有限元分析和模具加工共享统一的车身设计数据库和图库, 确保数据和图形的传递准确无误, 而且设计、工艺和检验人员使用同一数据资源, 既方便又准确。由于采用这种设计方法不仅效率高, 缩短了设计和制造的周期, 而且提高了设计精度, 因而在车身设计中的应用越来越广泛和深入。
现代汽车车身设计方法的特点主要体现在: (1) 以计算机中的三维实体模型代替传统设计中的主模型, 从而把大量人力从绘图、取样板、制表面、做模型等繁琐的劳动中解放出来。 (2) 提高了汽车产品规划时的可信度, 使设计、工艺、模具设计和制造人员更好地协同工作。 (3) 充分发挥了计算机运算速度快和精度高的特点, 极大地提高了汽车车身设计的效率, 缩短了开发周期。日前用于车身设计的各种CAD/CAM系统都能够根据三维实体模型自动生成二维的车身图纸和用于数控加工的代码。同时当三维模型发生任意微小的改变时, 系统都会自动地修改与之相关的图纸和数控代码。由此可见, 在整个车身设计的过程中, 所有的模块都是相互关联、相互影响的。车身设计人员可以充分发挥他们的设计思想, 不断地完善和改进三维车身模型, 至于其他繁琐的绘图和修改工作都将由计算机自动完成。 (4) 现代车身设计方法可对车身造型进行优化设计, 利用CAD/CAM软件提供的强大的实体造型功能, 能够构造出更逼近于现实、更形象直观的车身三维模型。设计人员经过对各种造型的类比, 从中挑选出一种集多项优点于一“身”的最为理想的设计方案。而其余的车身模型也被保存在一个车身数据库中, 以便于将来对车身进行各种改型设计。同时该数据库还实现了车身零件的通用化和序列化。各大汽车公司采用这种方法后不仅减少了车身设计的成本, 而且使得汽车产品在激烈竞争的汽车市场中具有更强的竞争能力。
4 结语
在实际的车身计算机辅助造型过程中, 需建立曲线曲面的数学模型外, 还有相关曲线曲面的拼接过渡、曲线曲面的相交、特征线的生成、三角域的生成、曲线曲面的寄生和延拓以及图形变换与消隐显示等技术。目前前广泛应用于车身计算机辅助造型的工程软件系统主要要有:CATIA, A L L A S, P r o/E, U G, E U-C L I D等。
摘要：针对现代汽车车身的作用及结构特点, 分析了车身设计的要求与特点, 并论述了基于CAX的现代汽车车身设计方法此方法在汽车设计理念、数学建模中具有快速、高效的特点。
关键词：车身设计,汽车外形,设计方法
参考文献
[1] 张国忠.现代设计方法在汽车设计中的应用[M].沈阳:东北大学出版社, 1998.
[2] 谷正气.轿车车身[M].北京:人民交通出版社, 2002.