汽车造型的多目标综合设计

汽车造型的多目标综合设计

汽车形状是一个复杂的过程，需要交叉，综合多目标，知识密集，科学与艺术是一体的。汽车车身事实上就是美学、结构力学、空气动力学等多学科约束的一个综合性设计问题。汽车车身由自由曲面构成,造型本身包含了复杂的造型信息、结构信息和工艺信息。就造型设计而言,汽车造型的抽象、描述、分类、归纳都相当复杂。即便是一个经验丰富的设计师在面对一辆新款标志407的时候,也会很难只用一两句话就完整地描述出它的造型。因为,一辆设计优秀的汽车总会带有浑然一体的整体造型风格,面与面之间的微妙过渡以及富有变化的细节。但如果这个问题变成,描述标志407的造型特征,那就会简单很多。因为,你可以分别用整体风格、面与面之间的关系和细节变化的特征来表达你的印象,可以用标志407与其他汽车的差异性、独特特征来描述其造型。也许仅从汽车前脸的造型特征就能分辨出一辆车的品牌,从汽车侧面轮廓特征就可判断一款轿车还是一款SUV的车型,甚至只要看到腰线就能叫出它的名字。每一辆汽车都希望拥有能让自己迅速被辨别出来的特征,汽车造型特征研究是汽车造型研究的重要领域。文中结合国家“973”项目子课题《工业(造型)设计专门知识及辅助设计系统》,研究汽车造型特征与特征线。1主要特征—汽车造型特征和特征线特征在英文中是“Feature”或“Character”,对于形态实体而言,主要是指形态独特或显著的部分(Anyofthedistinctpartsof),可以说是作为标志性、区别性的显著形态特点。在日常用语或专业用语中也会提到所谓主要特征、基本特征等,用于强调一般特征中比较重要的部分。在工程设计领域中,特征的广义定义是设计信息和制造信息的集合。但汽车造型中,可以从汽车造型属性描述的角度定义特征,即造型特征。造型特征聚焦于对汽车整体风格、形面感觉、细部处理,甚至延续于多代车型的造型元素的描述,以及造型所携带的结构和形面信息的描述。因此,汽车造型特征主要指汽车造型信息和与造型相关的结构工艺信息的集合。汽车造型特征的提取和表征意味着对汽车造型描述和整体把握,是一个解构汽车造型的过程,同时为造型重构和差异化设计提供基础。1.1汽车造型特征线汽车造型的确是一个复杂的自由曲面问题,不过其基本造型元素仍然是点、线、面。从描述造型的角度看,点虽然具有重要的造型意义,但其对造型描述不充分;面虽然最能表达形态的全部内容,但其过于复杂,不易被表达。而线源于点而展成面,是“承下启上”的造型元素。线的重要性首先表现在汽车造型的草图中,草图是设计师的“视觉思维”工具,汽车造型草图按侧视、前45°和后45°绘制,见图1,线条是草图中表达造型、推敲造型的主要媒介。线几乎携带了造型的所有特征信息,其实草图中的线就是以特征线的形式出现的。在草图中可以看到,线是汽车草图的主要成分,同时也是对汽车概念及特征的最初表达。汽车草图的表达主要涉及3种特征线型:顶端线、造型线、区域线(见图1)。顶端线即汽车侧面轮廓线是表达和控制整车造型信息量最大的特征线,又称汽车造型的对称线,是草图中表达造型作用最大的线;造型线是汽车造型块面的轮廓线,具有丰富的造型语言和结构意义;区域线可以看作是面与面之间的边界线,表达造型的区域和过渡特征。线的重要性更表现在计算机辅助汽车造型的3D模型中,见图2。比较图2中的草图和3D模型可见,虽然手绘和计算机造型建模是完全不同的造型工具,造型表达的深入程度更不能同日而语,但是,草图中线条所表达出来的造型特征作为造型信息被准确地“迁移”到了3D模型中,设计师的创意真实地表现出来,同时产生了结构和工艺的关联性。在建模过程中设计师通过草图中的特征线寻找汽车造型的特征,尽管不同设计师对同一个草图的建模结果总会有所差别,草图上的某些线条总是被忠实地记录了下来。在3D模型中,线是生成面的基础,3D模型中的构形线其实也是以特征线的形式出现的。3D建模中的第一步就是描绘侧面轮廓线,引擎盖,前档风玻璃,车顶,后挡风玻璃的构建都必须以侧面轮廓线为造型基础。它也是决定着整车车型和风格特征线,是三厢车,还是两厢车,是跑车还是轿车,强调速度感,还是稳重感。可见,侧面轮廓线既表达了形态内涵,又包含了结构信息。通过对其他特征线的分析,比如窗线,腰线,车灯和隔栅的轮廓线,可以发现它们都同时包含形态内涵和结构信息。在3D模型中提取特征线,分析它们包含的信息,就可以对汽车造型特征进行描述。汽车造型特征线可以定义如下:定义1:汽车造型特征线是与整车造型相关的实体,由相应的实体标记(如腰线,BeltLine),有特定结构约束和形态内涵。定义2:在造型特征的层次结构中,造型特征线是基本类别层(basiclevel),即以“最小的代价包括最多的信息”。由以上定义可见,汽车造型特征线是有特定结构约束和造型内涵的,被标记为腰线、侧面轮廓线等名称的一种有几何表达的造型实体。造型特征线在描述造型上具有基本类别的意义,即在点、线、面构成的特征层次结构中,特征线更能够以“最小的代价包括最多的信息”。1.2造型附加特征的线为对汽车造型特征进行分类研究,用Alias构建了100个汽车3D模型,基于所获得的造型模型提取造型特征。汽车造型的基本形态和车身结构可分为前围,侧围,后围和顶,即三围一顶。三围一顶的主面构成了汽车造型整体感和主体风格,三围一顶的主面同时也是车身结构和模具制造的主要控制面,在三围一顶的主面上提取的造型特征就是主造型特征,表达主造型特征的线就是主造型特征线(如侧面轮廓,腰线等);三围一顶的主面之间形成了丰富的过渡面,在过渡面上提取的造型特征就是过渡特征,表达过渡特征的线就是过渡特征线,(如AC柱,侧翼子板等)。在整车造型的基础上,通过裁减和添加手法形成的局部造型区域,产生了造型附加特征,表达造型附加特征的线称为附加造型特征线(如隔栅,车灯等)。由此,将汽车造型特征分类为:主造型特征、过渡造型特征和附加造型特征,形成了一个树形的造型特征体系,见图3。这种分类形式既符合汽车造型的设计过程,又符合汽车车身制造的要求。虽然各个造型特征对于汽车造型本身的重要程度应根据不同车型决定。例如:对于宝马车而言,双肾型的通风隔栅是相对更重要的品牌特征,而对于大众来说由腰线所形成的侧围造型是相对更重要的特征,所以特征的分类是没有权重的。1.3汽车造型特征线的建立基于汽车造型特征和特征线定义提取20条汽车造型特征线并进行了分类分析。按照特征与特征线的概念,对于AudiA62004年版汽车造型进行实例分析,见图4。主特征和主特征线的提取:在三围一顶的主面上提取的造型特征就是主造型特征,见图3、图4。1、2、3线分别是前引擎盖顶端线、车厢顶端线和尾箱顶端线,共同组成侧面轮廓线,控制和表达汽车造型的侧面轮廓和车型。4、5线分别是车窗上沿线和下沿线,组成车窗侧面形状的窗沿线。显然,4线的形与1、2、3线的形之间有着高度的关联性,5线的形与8线(腰线)有着密切的关系。8线是表达汽车造型整体风格的腰线。7线确定了轮胎的位置,36线是车底线。以上特征线都属于三围一顶上提取的主特征。主特征是控制汽车造型的整体感觉和风格,对车型的变化和风格趋势研究有重要的描述意义。过渡特征和过渡特征线的提取:三围一顶的主面之间的过渡面上提取的造型特征就是过渡特征。13线是2线和4线之间的过渡特征线。17、18线分别显示了A柱和C柱与其相关面的过渡。14线显示了轮罩的形状,是与主造型面的过渡。15线显示了引擎盖的造型变化,是引擎盖上主造型面之间的过渡特征。过渡特征通常反映车身造型细节,是主特征之间的过渡和连贯。附加特征和特征线的提取:在整车造型的基础上,通过裁减和添加手法形成的局部造型区域,产生了造型附加特征。21、22、23线分别代表前灯,格栅和尾灯的特征线,在汽车造型特征识别上起着十分重要的作用。24、25线代表前后保险杠特征线。27线代表刹车通风口特征线。附加特征通常反映品牌特征,21、22、23线具有高度的可识别性是造型设计要点。通过提取20条汽车造型特征线,将其分类为主特征线、过度特征线和附加特征线,建立了基于特征和特征线的汽车造型描述模型,见图3。图中,一个汽车造型实体被描述为造型特征的集合,造型特征又被表达为主特征、过渡特征和附加特征,特征与特征之间的关联性由连线表示,从而构建了一个完整的汽车造型描述模型。在汽车造型特征描述模型的基础上,按照Metadata表结构构建了汽车造型特征的数据库,表1为汽车造型计算机辅助设计提供了可靠的数据基础。表1中,包括了每个特征实体的标记(e1e2e3)、场合意象(车型、风格、品牌)、造型意象(曲直、复杂简洁)、特别描述(高档)、关联实体(e1e2e3与e8关联,e1e2e3与e7e36关联)。2基于特征线的汽车造型描述模型文中以汽车造型为研究对象,通过汽车造型草图和3D建模的分析,提