毕业设计（论文）-面包车车身造型的改进设计.doc

上海工程技术大学毕业设计（论文） 面包车车身造型的改进设计摘 要和汽车发展一样，汽车车身发展也历经了结构、性能、外形、安全节能与环保四个发展阶段。研究终极成果直指降低汽车燃油消耗量、提高汽车加速度和最大行驶速度三大经济性与操纵稳定性指标。具体包括气动力、气动力矩、汽车空气动力稳定性、汽车表面三维流场和表面压强以及汽车外形局部动力学特征等，并通过汽车的外形变化车身造型予以体现。 基于车身空气动力学改进的设计，空气动力学特性是影响汽车性能的最重要因素，它针对汽车给环境、能源带来的弊端，解决了汽车动力性、安全性方面的诸多问题，而且与汽车造型技术相互依存。空气动力学性能越来越被重视，以低阻物体为出发点、减小正投影面积、追求楔型风格和表面平滑化等，而且计算流体动力学(CFD)必将给汽车空气动力学以新的面貌。FLUENT软件是目前对于汽车空气动力性计算较为先进的软件，对于车身造型改进来说有相当重要的作用，大大减少了设计造型时间，减少设计成本。关键词：车身设计，空气动力学，流体力学软件 Microbus body design and improvementAbstractThe modern automobile condensed the complete achievement of the near hundred year human industry civilization, becomes “the change world machine”. As same with the automobile development, the automobile body development has also had been through repeatedly the structure, the performance, the contour, the safe energy conservation and the environmental protection four development phase. Studies the ultimate achievement to refer straight reduces the automobile fuel oil consumption, enhances the automobile acceleration and the maximum traveling speed three big efficiencies and the operation stability criterion. Includes the aerodynamic force, the aerodynamic moment, the automobile aerodynamic force stability, the automobile surface three dimensional flow field and the superficial intensity of pressure as well as the automobile contour partial dynamics characteristic specifically and so on, and manifests through the automobile contour change the automobile body modelling. This article is based on the automobile body aerodynamics improvement design, the aerodynamics characteristic is affects the automobile performance the most important attribute, it in view of the automobile the malpractice which to the environment, the energy brings, has solved the automobile power, secure aspect many questions, moreover depends on each other mutually with the automobile modelling technology. The aerodynamics performance is taken more and more, take the low-drag body as the starting point, reduces the normal projection area, pursues the wedge style and the surface smooth and so on, moreover computation hydrodynamics (CFD) will certainly to give the automobile aerodynamics by the new appearance. The Fluent software at present calculates a more advanced software regarding the automobile air power, has the quite vital role regarding the automobile body modelling improvement, reduced the design modelling time greatly, reduces the design cost.Key words: Body design, aerodynamics, Hydromechanics software 面包车车身造型的改进设计茅盛伟 0611032700 引言 近年来，我国随着市场经济的发展，汽车工业呈现出前所未有高速发展的态势。在几大车种中，乘用车的发展尤其引人关注，市场上新车的品种在不断更新，家庭轿车的拥有量正快速增长，人们购车理念首选是外形款式，其次是性价比。所以现代汽车造型在汽车工业中已经成为产品竞争的重要手段。然而随着国外品牌的不断涌入，汽车工业正面临着严峻的考验。由于当前产品技术多数是从国外引进的，严重缺乏自主知识产权，这对于中国汽车工业的长久发展是极其不利的。所以对于尚待成长的中国汽车工业，如何提高车身设计水平从而形成自主开发。本课题正是在这种背景下提出的。 （1）车身造型设计的地位车身造型设计是车身设计的关键环节，为车身设计中确定产品形象的过程，也是汽车参与市场竞争的重要因素。车身造型对其产品的开发是否成功非常重要，而且往往是决定性的。除产品的技术性能和质量外，车身造型设计所产生的美观外形会引发人们的购买欲望，这就是制造商开发产品的最终目的。车身造型是车身设计中最具创造性的工作，是工程设计与美工设计的完美结合的产物。一方面车身造型应适应时代特点和人类的审美爱好；另一方面，车身造型又要满足车身结构设计和整车布置设计的要求，满足车身空气动力学的要求，而使其具有低的空气阻力系数以及良好的空气动力特性，适应车身材料和制造工艺技术的发展。从不断推出的新车型来看，车身造型充分反映了新技术应用的特点。车身造型设计既有其重要性的一面，又具有其独特的复杂性及规律性。作为大量生产和大众化的汽车产品，其造型设计是一个高度发达的工业必须最大限度挖掘潜力的一个重要方面，通过车身的美学设计来提高产品的声誉，以及市场的开拓。汽车造型设计是为满足汽车产品的技术要求而作为一个整体来构思的，因此所表述的含义具有多种层次，既包含车身外形的造型设计、车身内部的内饰设计，又反映着发动机及零部件的布置设计。汽车的外形设计决定了汽车所有重要的尺寸，以及零部件的布置尺寸。由于直接的感官知觉对感觉产生强烈的影响，外形美往往早在评价产品技术特性之前就决定了人们对一个产品的取舍，其造型设计在汽车的开发中起着关键的作用。汽车设计工作中，与该产品个性有关的造型设计部分，必须经过深思熟虑，并在汽车着手开发之前就应清楚地确定出来，而在其后的设计中，为适应所有其它技术领域的要求和解决方案所需的折衷，可以改变许多细节，但不应改变设计构思的基本描述。 （2）车身技术的发展及现状车身结构的特点在于组成车身外形的各个零件多为尺寸大而形状复杂的空间曲面，不能用一般的机械制图的方法将它完整的表现出来，不得不需要立体模型为依据。为了使这些图纸和模型能够确切的表示出车形结构，需要通过一套复杂的设计程序，传统的车身设计方法如图0.1所示。图0.1 传统的车身外形设计过程传统的设计过程一般分为初步设计和技术设计两个阶段，需经历1:5油泥模型、全尺寸油泥模型及样车试制等阶段。其中还必须经过多次的模型和实车的风洞实验，工作及其繁琐，周期长达5年甚至更长，同时存在开发成本高、产品通用系列化差等缺点。随着计算机技术的迅速发展，现代车身设计中越来越多地采用了计算机辅助设计软件，车身CAD/CAS得到了广泛应用。如曲面造型能力很强的UG软件，就为车身进行CAD/CAE/CAM设计提供了方便。本课题就是使用UG进行车身造型设计的。现代车身设计程序如图0.2所示。现代车身开发中采用CAD/CAM技术将会带来传统方法无可比拟的优点，不仅提高了设计精度而且缩短了设计开发和制造周期更为减轻设计人员的劳动强度创造了条件。图0.2 现代车身设计程序框图 （3）本文研究的内容和意义我国汽车工业起步代表为面包车的制造，但是长期以来忽视了汽车造型设计的研究和技术开发及人才的培养。当大量的外国汽车涌进国门时，才知道我们的造型设计已经落后了人家很多。为了缩短与汽车大国间的差距，长期以来，我国汽车工业采用模仿和技术引进方法，其战略目标就是形成自主开发。所以提高汽车的设计水平和自主开发能力是摆在设计人员面前的当务之急。本课题采用世界先进的CAD/CAM集成软件UG作为车身设计的辅助工具，又用fluent作为空气动力学分析软件，旨在探索车身设计的先进方法和技术，为我国汽车的自主开发与设计提供实用的方法。1 汽车空气动力学与车身造型的研究1.1 概述1.1.1 汽车车身研究任务 现代汽车凝聚近百年人类工业文明的全部成果，成为“改变世界的机器”。和汽车发展一样，汽车车身发展也历经了结构、性能、外形、安全节能与环保四个发展阶段。研究终极成果直指降低汽车燃油消耗量、提高汽车加速度和最大行驶速度三大经济性与操纵稳定性指标。具体包括气动力、气动力矩、汽车空气动力稳定性、汽车表面三维流场和表面压强以及汽车外形局部动力学特征等，并通过汽车的外形变化车身造型予以体现。1.1.2 汽车车身研究开发准则 汽车及车身在其发展进程中，逐步形成一些不成文的开发准则，这些准则可归纳如下： (1)自主-移动设计准则 1886年汽车诞生以后，纽约时报就在一篇报道中提出了“AUTO-MOBILE”(自主-移动)概念，这是人们对这种“新生儿”的最佳描述。汽车在本质上是一种交通工具，是在一定的时问内使主体(人或物)完成相应的空间位移。先驱的“自主-移动”依然是指导今日设计的不二准则。 (2)空气动力学设计准则 空气动力学特性是影响汽车性能的最重要因素，它针对汽车给环境、能源带来的弊端，解决了汽车动力性、安全性方面的诸多问题，而且与汽车造型技术相互依存。空气动力学性能越来越被重视，以低阻物体为出发点、减小正投影面积、追求楔型风格和表面平滑化等，而且计算流体动力学(CFD)必将给汽车空气动力学以新的面貌。 (3)美学准则 汽车造型的目的是以其外形的美去吸引和打动观者，使其产生拥有这种车的欲望汽车造型涉及科学和艺术两大方面。设计师需要懂得车身结构、制造工艺、空气动力学、人机工程学、工程材料等知识。同时，设计师更需要有高雅的艺术品位和丰富的艺术知识。 (4)概念设计准则(超前化法则) 概念设计及概念车将会对产品有更大的影响。我们虽无法预测现代科技的走势，却完全可以预见一定时期内人的需求。概念车则能更多更快地反映这一点，使我们能够更迅捷地应对变化的市场。 (5)智能化设计准则 信息技术革命正在推动汽车设计翻开新的一页。自动化、智能化、多功能将成为21世纪汽车发展的新趋势。车身也在其中，诸如表面清洁技术、表面采光技术、车身材料减阻技术等。 (6)绿色设计准则汽车生产与其他产业一样，呈现出绿色战略趋势，这就是向资源利用合理化、废弃物产生少量化，对环境无污染或少污染的方向发展。生产绿色汽车已提到议事日程，绿色汽车将是环保汽车的代称。1.2 汽车造型与空气动力学演绎与发展 空气动力学上的每一项进展，都直观地反映在汽车造型的变化上。几十年来，汽车造型的种种变化，都可以找到其空气动力学的依据 。 (1)马车型汽车。汽车诞生前，马车是陆地上最好的交通工具，可以说，汽车是从马车的机动化开始的。在汽车造型方面，没有专门的设计人才，汽车外形基本上沿用了马车的造型。 (2)箱型汽车。马车型车身，很难抵御风雨的侵袭。福特公司生产了一种新形式的像一只大箱子的车身，称作“箱型车身”。当汽车车速超过100kmh后，功率几乎都用来克服空气阻力了。因此，人们开始降低车的高度和迎风面积用于克服空气阻力。 (3)甲壳虫型汽车。1930年后，人们越来越重视车身外形对减少空气阻力的影响。如美国克莱斯勒公司生产的小客车，采用了流线型的车身外形，宣告了汽车造型新时代的开始。当时流线型车身的代表是德国大众公司的“甲壳虫”汽车。 (4)船型汽车。为了克服“甲壳虫”汽车对横风的不稳定性，1949年美国福特公司推出了福特V8型汽车，这种汽车的前翼子板和发动机罩、后翼子板和行李舱罩融于一体，大灯和散热器罩也形成整体，车身两侧形成一个平滑的面，车室位于车的中部，整个车像一只小船，因此称为“船型汽车”。 (5)鱼型汽车。船型汽车尾部向后伸出，在高速时会产生较强的空气涡流对此，人们把船型车的后窗玻璃逐渐倾斜，成为斜背式，很像鱼的脊背，称之为“鱼型汽车”。鱼型汽车车身气流平顺，涡流及侧面形状阻力不大。不过在高速时会产生一种使车轮附着力减小的升力，影响侧风稳定性。 (6)楔型汽车。在鱼型汽车的基础上，将车身整体向前下方倾斜，将车身尾部截短并如刀切一样平直，这种造型能有效地克服升力，改善汽车行驶稳定性。从空气动力学角度来看，楔型汽车已接近理想的造型，成为现代汽车车身造型的主流方向。1.3 汽车车身造型设计方法 作为汽车，首先向人们展示的就是它的外形，外形关联到汽车的命运。在全球汽车企业中，汽车造型工作都是由公司的最高层直接领导。1.3.1 车身造型设计的内涵 现代车身造型设计的显著特点就是把空气动力学和车身造型这两个本来就密不可分的问题结合起来进行研究，把技术问题和美学问题杂糅在一起，使车身造型设计科学、先进、具有前瞻性、符合汽车造型国际流行标准，还要体现汽车空气动力学的最新研究成果，并满足国际、国家法规。1.3.2 车身结构造型 (1)总体外形 自马车型到箱型，由甲壳虫及船型以及鱼型向楔型的转变，汽车变得越来越美观，流畅自然的线条圆滑简洁的过渡，明快优美的曲线，给人以舒展流畅、强劲的动感和平衡安全、生机勃勃的力量之美。可以说，外表呈楔型的汽车已经是很理想的车型了。在追求个性、高效的今天，外形及其关联的气动阻力依然受制于高速安全性、经济性、操纵稳定性。 (2)细部造型 现代轿车的外形一般用圆滑流畅的曲线去消隐车身上的转折线。前围与侧围、前围侧围与发动机罩，后围与侧围等采用圆滑过渡，发动机罩向前下倾，车尾后箱盖短而高翘，后翼子板向后收缩，挡风玻璃采用大曲面，且与车顶圆滑过渡，侧窗与车身相平，椭圆状前后灯具、门手把嵌入车体内，车外后视镜、车身表面尽量光洁平滑，车底用平整的盖板盖住，降低整车高度等等。 (3)导流板与扰流板技术 为减小因车速增加所产生的升力，在前保险杠下方装上向下倾斜的连接板。连接板与车身前裙板连成一体，中间开有合适的进风口加大气流度，减低车底气压，这种连接板称为导流板。在轿车行李箱盖上后端做成像鸭尾似的突出物，将从车顶冲下来的气流阻滞而形成向下的作用力，这种突出物称为扰流板。扰流板与水平方向呈一定角度，其横截面的平滑面在上，抛物面在下，这样会产生负升力，用来抵消车身上的升力。1.3.3 车身造型设计 车身造型包括形态、质地、色彩、人机关系等内涵，应尽量完满体现汽车的物质功能和精神功能，充分满足人们在实用和审美两个方面的需求。从美学观点出发，汽车造型一个是以其外在的感性形式所呈现出的形式美或艺术美，另一个是以其内在的理性形式所呈现出的技术美或科技美。一般的美学法则包括：比例与尺寸、对称与均衡、稳定与轻巧、节奏与韵律、统一与变化、调和与对比、主从与重点、比拟与联想、单纯与风格等。1.4 汽车空气动力学研究 自从世界上有了第一辆汽车以后，德国就在航空风洞中进行了车身外形实验研究。后来德国人贾莱克兰柏勒提出前圆后尖的水滴状最小空气阻力造型设计方案，从而找到了解决形状阻力的途径。美国人WElay于1934年用风洞测量了各种车身模型的空气阻力系数。法国人JAndreau则提出了汽车表面压差阻力的概念，并研究了侧风稳定性。2O世纪40年代，另一位法国人LRomani对诱导阻力进行了研究。6O年代初，英国人white通过风洞实验提出了估算空气阻力系数的方法。到7O年代，汽车空气动力学才真正成为一门独立学科。我国是在8O年代才较为系统地研究汽车空气动力学的。1.4.1 理论基础 (1)理想空气动力学模型 空气动力学的研究发现，圆头在前、尖端在后的雨滴、泪珠状的形体最易于通过气流。然而飞机与汽车都不可能与其形似，对于汽车，必须充分考虑与地面接触部分的影响。 (2)升力 众所周知，由于汽车车身上部和下部气流流速不同，使车身上部和下部形成压力差，从而产生升力并产生纵倾力矩，直接影响汽车操纵稳定性和弱化汽车动力的发挥。 (3)空气阻力系数 “空气阻力系数”是衡量现代轿车性能的第一参数。汽车在行驶中，围绕着汽车重心产生纵向、侧向和垂直三个方向的气动力。其中纵向气动力是最大的空气阻力，并受制于空气阻力系数。2O世纪5O年代至7O年代，空气阻力系数维持在0.4-06之间。70年代，各国倾力降低CD值，使其维持在02804之间。一般测定汽车的空气阻力系数值有风洞测试法。非风洞法则有滑行试验法、行驶功率平衡法等。1.4.2 研究方法 (1)基础理论研究 空气运动规律的基础是质量守衡、动量守衡和能量守衡定律，可由Euler、NS等数学方程组来描述。然而有关不可压流体特性、流体阻力理论以及汽车绕流特性等基础理论研究还有待深化。 (2)风洞试验 风洞是利用巨大的风扇，把空气吸入管孔中，再利用整流板及管孔渐小的设计，把吸进的空气加以整流和加速，使之达到所需的风速，然后再送入风洞的试验段中。在设计和改进汽车时，作出相应的模型或实物，并放入风洞进行空气动力学测试。国内外大型汽车制造公司不惜耗费巨资建造汽车试验风洞，见表1所示美国通用汽车公司研制出4500kW、叶片直径13.1m的世界上最大的风洞装置。表1 世界各国风洞主要性能参数表 参数米拉英国大众德国奔驰德国菲亚特意大利St.Cyr法国宝马德国佐治亚美国通用美国NRC加拿大上海交大吉林大学截面积/m234.937.532.630.015.020.035.136.183.6风速/（kmh-1）140180270200144180400240200200风机数量/台41112211111年份196019671976197619811963198019702003当用风洞测试时要注意的技术问题是： (1)用模型在风洞中测试出的汽车空气阻力系数值有1O2O误差，因为试验所用的模型很难与汽车原型做到几何相似和空气动力学相似。 (2)汽车沿道路行驶时，空气相对于路面的速度为零(假设无自然风时)，在路面上不存在边界层。而在风洞中空气相对于模型或原型支承面有运动，从而形成了边界层，使值的测试有误差。 风洞或实车道路空气动力学特性试验包括： 过表面丝带法和网格丝带法测试车身表面流态。通过烟度发生器实施烟流法测试汽车车身周围流态。通过荧光添加剂喷雾法和水流模拟法进行流动模拟试验，以及用高速摄影法对雨水和灰尘流动特性进行印证。通过肥皂泡法、丝带法和烟流法，对发动机室和驾驶室内的气流流态进行试验印证。通过滑石粉法和泥土重量分析法印证泥垢附着状态等。 (3)数值仿真数值计算方法从计算分析角度上定义为计算流体动力学(简称CFD)。从目前发展来看，CFD在预测汽车外形变化对三维流场特性的影响方面是最有效的，很适用于汽车外形的造型分析。数值仿真方法在国外发展较快，方法很多，可概括为有限差分法、有限元法和边界元法三大类，德国大众汽车公司、意大利菲亚特Richerche技术中心、瑞典沃尔沃汽车公司、德国戴姆勒-奔驰公司、日本三菱公司等都卓有成效地进行了数值分析。美国福特汽车公司Williams等人在雷诺数810、风速49ms来流条件下，对12缩尺度的不同尾部造型的轿车模型进行了风洞试验。并通过模型CAD数据，利用STARCD和FIDAP软件采用有限差分法(FVM)、有限元法(FEM)求解三维可压和不可压RANS方程组对流场进行了仿真。仿真采用-湍流模型，STAR-CD计算共用8O万个非结构网格，FIDAP共用19万个结构格。计算出的车身前部、车底、地面和中心对称面上压力分布均与试验结果吻合较好；横截面的速度矢量分布、纵向涡量、总压损失等也与风洞试验结果基本一致。由于标准-湍流模型不适于模拟分离流动，两种方法计算出的车身后背部压力分布、后窗流动起始分离线和行李盖处流动再附着线与试验结果差别较大。阻力系数的计算值大于试验值。计算出的升力系数与试验结果基本相符。1.5 现代汽车研究方法 随着计算机技术、数学分析方法的发展，在CFD方法仿真汽车空气动力学特性的基础上，研发出汽车空气动力学设计CAE平台。例如，在国家“863计划”的“复杂流场数值模拟”、国家自然科学基金项目的“工程旋涡分离流动研究”、清华大学“985工程”的“数字化轿车”、“轿车关键技术研究”等项目的支持下，清华大学流体控制CAE室以ICEMCFD和STARCD商业软件为基础，研制开发出汽车设计CAE平台。1.5.1 CAE平台的基本开发方法 基于把功能、美学、CFD三大要素结合起来进行汽车造型设计，从而形成了汽车造型设计方法。 (1)用专家系统工程方法提升前人风洞试验、实车道路测试、数字仿真和理论研究成果，该成果以数据库形式，实现可供计算机提取的知识平台。 (2)开展新的风洞或者道路空气动力学特性测试，给出气动力、气动力矩、汽车内外三维流场、泥垢附着、雨水灰尘流动等动力学研究成果。 (3)通过逆向工程或实车电子数据，建立汽车局部车身或整个车身的外形，进而为用数值分析方法仿真出汽车气动力和内外三维流场构建基础。 (4)针对汽车车身分布结构，构造多个智能体，开展分布式并行研究。如汽车流场数据库模块将包括：发动机罩和前风窗之问的局部气流分离；汽车后部的气流分离和尾涡流；汽车底部与地面之间的气流；车轮转动对三维流场的影响；内部气流的影响；细小表面突起的影响等部分。 (5)软件嵌入：操作系统软件(如WinXP)；三维造型软件(如UG)；集成平台(如VC)；流场分析软件(如STAR-CD、ABAQUS)等。 (6)软件包的多模块、多功能、跨平台的耦合集成研究。实施软件质量控制、程序验证、需求输入；完成功能输出、设计更改、扩充、软件评价等。1.5.2 空气动力学研究工作仿真主要应做以下几方面工作：(1)研究先进的几何建模和网格生成技术以及网格特征对解题精度、收敛性及稳定性的影响。 (2)旋涡分离流动是汽车绕流场中不可避免的流动现象，应寻求更准确的物理描述模型。 (3)非定常流动是汽车流场的本质属性，非定常流动研究的发展，将对汽车旋涡分离流动进行有效的控制，并改善汽车的行驶稳定性和经济性。 (4)湍流流动计算方法研究应集中在湍流模型、大涡模拟和直接数值模拟三方面。而在不远的将来就有可能对汽车粘性流动进行数值模拟。 (5)发展数值算法，促进使用大尺度涡流模拟、小尺度湍流模型方法求解全N-S方程组。 (6)对已有的程序和计算方法进行验证，找出存在的问题，从而推动数值仿真的进一步发展。1.5.3 未来车型的展望 面对日趋激烈的市场竞争，在满足空气动力性要求的前提下，车身造型更注重视觉效果，显现出艺术化、多样化和个性化的发展趋势。可以预见，未来汽车的造型将更为平滑、流畅、富有个性，甚至个人提出外形，如模仿宠物、凭空虚幻等。从空气动力学出发外形设计也不会千篇一律，正如鸟和鱼都是流线型的，但我们并不会搞混金丝雀和秃鹰、金鱼和鲨鱼一样，只要不违反国家标准，不影响市容市貌，什么外形的汽车都有可能出现。1.6 结语汽车车身研究呈现把汽车空气动力学和车身造型更加紧密结合起来进行研究的特点；未来汽车车身的造型将更为平滑、流畅、富有个性；CFD技术将进一步完善和发展，并将在CAF技术平台下增加其实用性；减小空气阻力系数依然是新一代汽车致力的主要目标之一。2 计算机辅助车身造型设计2.1计算机辅助车身造型设计介绍传统的车身设计车身曲线需要依靠人力经过绘画模型图板等多次反复测量，反复修改才能确定，耗费大量的劳动和时间，而且设计精度也难以保证，导致设计和生产周期加长、影响产品的更新换代。随着计算机技术的发展，为了克服传统设计方法带来的缺点，人们利用CAD软件提供的强大的复合建模功能，探索出来一种车身设计新方法，为缩短开发周期，降低开发成本作了一些努力，也为我们进行车身CAD新方法、新手段的探索，提供基础性的借鉴。从七十年代起，CAD（计算机辅助设计）已经进入了汽车造型设计这一领域，今天更是普遍应用，并已成为目前国内外汽车厂进行汽车造型设计的常规手段。现在常见的过程始于模型制作阶段，通过三坐标测量仪测量，得到模型上离散的点集，将点集数据输入计算机，运用CAD将其连成光顺的曲线，建立数字化模型，进行初步设计和可行性分析，即相当于胶带图效果；然后通过专门的CAD设计软件，用曲线建立起整个车身的表面数学模型，设计人员在电脑前可以进行任意的修改，再通过数控铣床制造1:1全尺寸模型，供设计人员进行修改和定型；然后再通过测量仪对全尺寸模型进行测量，将数据输入计算机建立汽车外形的数学模型，并用图形显示终端显示出来，模型的三维曲面视图可以旋转,在不同的角度观察不同地方，十分直观。在这里，CAD的运用不但使人从繁重的劳动解脱出来，缩短了设计周期，而且能够保证设计精度，降低了设计开发的成本。计算机辅助车身设计开发从初始的概念设计、几何造型设计、车身结构设计及分析直到生产准备阶段的冲模设计都在计算机中利用专门的或通用的软件进行。车身开发中采用CAD/CAM技术将会带来传统方法无可比拟的优点，主要表现在：(1)提高了设计精度。造型一旦完成并建立了车身外表面的数学模型，存入数据库，经过计算机管理可以多方共享，为生产准备、工装模具设计制造提供方便、详尽、准确的原始数据，消除了中间数据形式的多次转换，使模具的加工精度大大提高。并可减少以至取消凹凸模之间的研配，使调试、修改的工作量大为减小。(2)缩短了设计开发和制造周期。车身表面数学模型可以直接用来进行冲模设计，以提高冲模设计成功率。另外，模具的加工直接引用CAD的结果，大大提高了模具制造的效率。当然由于取消了两次油泥模型、主模型以及工艺模型的制作过程，也使人力、物力和时间大为节约。(3)减轻了设计人员的劳动强度，改善了工作环境和劳动条件。(4)可以很方便地将造型设计结果用于强度、刚度有限元分析计算以及碰撞安全性分析，也可以比较方便地对所设计车型进行空气动力学模拟。这样使得初始设计的可信度大为提高。在此基础上一般只要试制一轮样车作为验证，产品即可定型投产。(5)设计修改以及在原设计基础上的改型和更换型号比较简便。随着WAVE技术的出现，使并行工程（concurrent engineering, CE）和自顶向下的工程(Top-Down Design)得以实现。通过WAVE技术不仅使同一工作层的联系更加紧密，同时它还能约束上下层关系，确保下层零件的修改不会影响上层的总体结构。更为重要的是，WAVE能够实现产品级的相关结构自动修改。这样，你在对产品中某一零件进行修改时就无需考虑对其他零件所造成的影响了，从而大大地提高了设计的效率，缩短了设计时间。据通用公司统计，该公司运用了WAVE技术后对整车进行一次修改时间只需40分钟左右，这在过去是不可想象的。同时，还避免了过去由于人为原因所产生的错误。2.2 软件的选择在本毕业设计课题的研究过程中，车身造型的建模无疑是重中之重，也是最大的难点之一。因此在开始建模之前，充分的准备是必须的。现有的主流三维建模软件大致有UG、CATIA和Pro/E等，软件的选择自然成为了第一步需要完成的工作。基于本人对于UG有所了解，本论文在建模过程中选择了UG软件。2.3 UG简介UG (Unigraphics)是EDS公司推出的一套集CAD/CAM/CAE 的于一体的三维参数化软件，具有强大的建模、分析和加工功能。其建模技术结合了传统建模和参数化建模的优点，采用尺寸驱动技术，具有全相关的参数化功能，是一种“复合建模”工具。应用UG的建模功能，设计工程师可快速进行概念设计和详细设计，交互建立和编辑各种复杂的零部件模型。根据已建立的三维零件模型，UG 的各种应用功能既可对模型进行装配操作、创建二维工程图；也可对模型进行机构运动学、动力学分析和有限元分析，进行设计评估和优化；同时，还可根据模型设计工装夹具，进行加工处理，直接生成数控程序，用于产品的加工。UG在航空航天、汽车、通用机械、工业设备、医疗器械以及其它高科技应用领域的机械设计和模具加工自动化的市场上得到了广泛的应用。例如在辅助实体造型方面，UG软件具有除同类软件所具备的通用功能外、还具有灵活的复合建模、细腻的动画渲染和快速的原型工具等卓越的功能，使设计者能根据工程设计的实际情况确定最佳的建模方式，从而得到最佳的设计效果。应用UG的建模功能，设计师可快速进行概念设计和详细设计，交互建立和编辑各种应用复杂的零部件模型。根据已建立的三维零件模型，UG的各种应用功能既可对模型进行装配操作、创建二维工程图；也可以对模型进行机构运动学、动力学分析和有限元分析，进行设计评估和优化；同时也可以根据模型设计工装夹具、进行加工处理，直接生成数控程序，用于产品的加工。从V13.0开始,应GM公司车身设计要求而开发WAVE (What-if Alternative Value Engineering),以解决车身设计“牵一发而系全身”的难题,极大地减少了设计人员重复设计的浪费,并为缩短设计周期创造条件,使车身设计从原来的三年缩短到现在的十二个月。由于UG软件本身的这些优势使它普遍的运用于汽车的设计过程中。采用WAVE技术，当某个总体参数改变后，产品会按照原来设定的控制结构、几何关联性和设计准则，自动地更新产品系统中每一个需要改变的零件，并确保产品的设计意图和整体性。这样的更新是快速而准确的。2.4 UG在车身造型中的应用 汽车车身造型设计的一般流程是：效果图设计-制作15实体模型一对模型进行修改审定-制作11实体模型一对模型进行精确测量-利用CAD技术建立三维数字模型。在过去，由于受测试技术和测试设备的限制，模型测试工作不仅复杂费时，而且要想测准却非常不容易。近些年，非接触三维扫描测试技术的发展很好地解决了复杂表面(如汽车车身表面)的测试问题。但由于点云密集，数据量十分庞大，用CAD技术较难解决对点云的处理及曲面再造工作。为此就诞生了一些曲面再造软件，如Surfacer、ICEM、CopyCAD、RapidForm等。这类软件的共同特点是：点、面转换功能十分强大，但实体设计功能却远不如UG、ProE等。由此可见，利用非接触三维扫描技术进行汽车车身造型设计常用且有效的方法是：先用Surfacer或Rapid-Form等软件将点云转换为曲面，再用UG或ProE将其转换成三维实体。然而，上述软件的价格均较贵，国内的中小型企业往往缺少购买两种软件的经济实力，他们希望仅用UG或ProE就能解决点、面转换及三维实体设计工作。2.4.1 数据点的除噪和稀疏处理 在非接触三维扫描测量过程中，受人为及干扰等多种因素的影响，不可避免地会产生一些误差较大的数据点，即噪声点。为此需对点云数据进行除噪处理，常用的除噪处理方法有直观检查法、曲线检查法和弦高差方法等，其中弦高差方法较适用于点云密集、曲面曲率变化大的场合。点云除噪后，就应对其进行稀疏处理。这是因为非接触三维扫描测量的数据点十分密集，在1 m1 m 的范围内有数十万个点，若将其直接导入UG内进行处理不仅困难，而且对于普通微机有时甚至不可能。为解决这一问题，需对点云数据进行精简，即稀疏处理。不同类型的点云应采用不同的稀疏处理方式；对于散乱点云常采用随机采样方式；对于扫描线点云和多边形点云可采用等间距、倍率、等量及弦偏差等方式此外均匀网格法与非均匀网格法也常用于点云数据的稀疏处理。由于均匀网格法只是均匀地选中其中的部分点，而不考虑被测物体的表面形状特征，因此仅适合于简单零件表面的快速处理。与之相反，非均匀网格法可以根据被测工程部件外部形状特征的实际需要来确定网格的疏密，因此它可在保证后继曲面构建精度的前提下减少数据量，在处理尺寸变化大的复杂形体(如汽车车身)方面显得十分有效。2.4.2 由点云构建曲线 构建曲线是利用UG进行车身造型设计最关键的一步，曲线构建的好坏直接影响车身造型设计的质量和水平。因此，在构建曲线前应对车身模型的总体风格及每一个细节进行认真分析，将所测得的点云进行分类和合理的规划，以确定哪些点该连，哪些点不该连。在构建曲线时，应先连特征线点，后连剖面点，连线的误差应控制在04 mm以下。曲线的类型有直线、圆弧线、样条线(spline)等多种，最常用的是样条线。一般选用“through point”方式，阶次多为3阶。尽管阶次越高精度会越好，但当阶次超过3次后，阶次的提高对精度的影响已很小，继续提高阶次不仅没有意义，而且随着阶次的提高柔软性会越来越差(即变形困难)，后续处理速度慢，数据交换困难。模型表面不够光滑及测量误差都会影响到最终的设计质量，为此需对连成的样条线进行调整。调整样条线常用的方法是Edit SplineEdit pole选项中有移动、添加控制点和控制极点沿某个方向移动等多种功能，可方便地对样条进行编辑。此外曲线的断开(divide)、桥接(bridge)和光顺(Smooth Spline)也是经常用到的工具。总之，在构建曲面之前需要大量的调线工作，调线时可以用曲率梳对其分析以保证曲线的质量。 2.4.3 构建曲面 汽车车身是一种形体复杂、表面面积大、表面质量要求高的多曲面组合形体，若将所测得整个车身的点云数据一起拿来构建车身表面，不仅操作起来困难、复杂，而且还可能会因为数据量太大使UG无法正常运行。因此，构建曲面时不可能将整个车身的外表面一次构建完成，需根据车身表面的外部特征将其分成若干个小曲面。各小曲面构建完成后，再将其缝合成一个完整的车身整体。曲面缝合时应特别注意面和面之间的相切连续或曲率连续，如此缝合后的曲面才不会有不光顺的缝合痕迹，就像一个完整的曲面。此外在构面时还要根据具体情况选择合适的构面方法，使之满足车身表面流畅和光顺的基本要求。 (1)构建曲面的方法曲面构建方法有Though curve mesh、Though curveshe和nxn，最常用的是Though curve mesh，它可以保证曲面边界曲率的连续性，并控制四周边界曲率(相切)，而Though curves只能保证两边曲率。nxn命令用得也较多，它不仅可以动态显示正在创建的曲面，而且还可以随时增减定义曲线串，曲面也随之改变。同样它也可以保持与相邻面的GO、G1、G2连续。在构建曲面时，有时会遇到构建三边或者五边曲面的情况。对于三边曲面，常用的方法是再做一条曲线把三边转化为四边；对于五边曲面，则是将边界线延伸，把五边变成四边形边界。其中在曲面上做样条线(curve on surface)和修剪(trim)是常用到的两个命令。 当今汽车最重要的特征是左右完全对称，为了保证设计出来的汽车车身符合这一要求，最有效的方法是只取汽车车身左半部或右半部的测量数据来构建曲面，然后做镜像处理。镜像的结果可能会在左右对称的中心面处出现曲面曲率不连续即不光顺的现象。解决此问题的方法是，先把曲面曲率不连续的部分剪切掉，然后做过渡曲面进行桥接。在做一个单张且比较平坦的曲面时，直接用点云构面(from point cloud)更方便更准确。(2)构建曲面应注意的问题构建曲面最主要的是抓住样件的特征，还要注意简洁。曲面要尽量做得大一些，张数不要太多，合理地进行曲面分割会提高建模的效率。在构建曲面的过程中，有时需加连一些线条。连线和构面要经常交替进行，曲面建成后，要检查曲面的误差，测点到曲面的误差不应超过1mm。构建曲面的阶次一般推荐为3次。阶次越高，片体越“刚硬”，曲面偏离极点亦较远，在极点编辑曲面时很不方便；阶次低有利于后继的增加圆角、斜度和增厚等的处理，以及下一步的编程加工，以提高后续生成数控加工刀轨的速度。2.4.4 构建实体 曲面构建完成后，就要构建实体数字模型。当模型比较简单曲率变化不大时，把它们缝合成一个整体再用增厚指令就可完成。但对于汽车车身而言，由于曲面结构复杂且变化大，因此在大多数情况下用上述方法无法完成实体数模构建工作。当然，补充一个车身底部曲面使之成为一个封闭的片体，是可以将其做成一个实体的。但由于汽车车身底部曲面曲率的变化较大，此种构建实体的方法往往实现不了抽壳命令。因此对于汽车车身而言，较为有效的方法是：先偏值外表面的各个片体，然后把内外表面的横截面构建出来，再将横截面和内外表面缝合起来使之成为封闭的片体，便可实现实体的自动转化。 (1)曲面的偏值 在此需指出的是，并非任何曲面都可以偏值成功。不能实现偏值的原因一般有以下几种：曲面的曲率太大，基本曲面有法线突变的情况。偏值距离太大，偏值后的相交会导致偏值失败。减小偏值距离便可实现偏值。被偏值曲面的品质不好，如局部有波纹等，解决的方法只能是修改好曲面后再作偏值。有一些曲面看起来很好，但却不能实现偏值，遇到这种情况用Extract Geometry构成B曲面后再作偏值，多会成功。(2)曲面的缝合 偏值后的曲面有的需要裁剪，有的还需要补面，用各种曲面编辑手段完成内表面的构建，然后缝合内表面和外表面。在缝合的时候，经常会遇到缝合失败的现象，一般有下列几种可能：一次缝合了太多的片体。通常每次应只缝合少数几个片体，整个车身需经多次缝合才能完成。缝合公差小于两个被缝合曲面的相邻边之间的距离。其解决方法是适当加大缝合公差后再作缝合。两个表面边缘形状不匹配，延伸后仍不能交汇在一起。对于这种情况，可以尝试用如下方法来解决：如果片体不是B曲面，则先使用Extract Geometry将片体转化为B曲面，然后将其与对应的另一片体进行缝合。边缘上有难以察觉的微小畸形或其他几何缺陷，对此应进行局部放大，检查并消除几何缺陷后再作缝合。 (3)缝合的有效性 有的片体在缝合完后将其放大会看到有亮显点或亮显线，甚至还会看到逢隙。在这种情况下若执行缝合命令，计算机有时也不会给出错误提示，看似缝合成功，其实未必。因此，在缝合完成后，一定要立即检查缝合的有效性若在被缝合的片体之间的缝合线上出现亮显点或亮显线，则意味着此处没有缝合好，必须取消缝合操作，重新缝合，否则将为后面的实体建模工作带来困难如果仅外周边亮显，则缝合是成功的。 (4)生成实体 把内外表面和横截面缝合起来构成一个闭合的片体，则片体自动转化为实体。 2.5 白车身的构建在设计过程中，首先根据设计任务书中的技术指标完成一个白车身的整体的模型，新建一个文件命名为car。根据设计任务书给定的设计参数确定数个定位基准平面（如图2.1所示）。图2.1 确定车身设计参数的定位基准平面2.5.1 前脸部曲面制作(1）以Y方向,Z正向的3个基准平面分别建立草图Sketch，分别在草图上用Spline by points 画样条，并加以约束、调整。(2）使用Through Curves 连接3条样条，生成车首曲面。（如图2.2所示）图2.2 前脸部曲面2.5.2 车身侧面板曲面的制作(1）以X方向,Z正向的2个基准平面分别建立草图Sketch，分别在草图上用Spline by points 画样条，并加以约束、调整。(2）使用Through Curves 连接2条样条。（图2.3所示）图2.3 侧面板曲面2.5.3 车顶面板曲面的制作(1