数字汽车车身设计

第 11章 数 字 汽 车 车 身 设 计 11.1 数 字 工 程 概 述 11.1.1 虚 拟 制 造 概 念 数 字 化 设 计 是 指 将 设 计 信 息 数 字 化 ， 与 传 统 设 计 相 比 较 ，数 字 化 设 计 更 易 于 捕 捉 设 计 意 图 ， 修 改 设 计 错 误 ， 传 递 设计 信 息 ， 共 享 设 计 数 据 。 数 字 化 设 计 是 提 高 制 造 系 统 信 息采 集 、 传 输 、 处 理 及 应 用 等 的 速 度 、 效 率 与 品 质 并 降 低 其成 本 的 基 础 。 11.1.2 虚 拟 制 造 的 特 征 虚 拟 制 造 系 统 基 本 上 不 消 耗 资 源 和 能 量 ， 也 不 产 生 实 际产 品 ， 而 是 产 品 的 设 计 、 开 发 与 实 现 过 程 在 计 算 机 上 的 本质 实 现 。 与 实 际 制 造 相 比 ， 它 具 有 如 下 主 要 特 征 ： 11.1 数 字 工 程 概 述 11.1.2 虚 拟 制 造 的 特 征 (1) 功 能 一 致 性 。 (2) 结 构 相 似 性 。 (3) 组 织 的 灵 活 性 。 (4) 集 成 化 。 (5) 智 能 化 。 11.1.3 虚 拟 制 造 的 类 型 为 了 能 够 “ 在 计 算 机 里 进 行 制 造 ” ， VM将 提 供 从 产 品设 计 到 生 产 计 划 和 制 造 过 程 优 化 的 建 模 和 模 拟 环 境 。 11.1 数 字 工 程 概 述 11.1.3 虚 拟 制 造 的 类 型 11.1 数 字 工 程 概 述 11.1.4 汽 车 数 字 化 工 程 汽 车 数 字 化 工 程 本 质 上 就 是 要 利 用 计 算 机 生 产 出 “ 数字 汽 车 ” 。 不 难 看 出 ， 数 字 化 工 程 技 术 是 一 个 跨 学 科 的 综合 性 技 术 ， 它 包 括 汽 车 数 字 化 定 义 、 仿 真 、 可 视 化 、 虚 拟现 实 、 数 据 集 成 、 优 化 等 。 11.2 数 字 汽 车 造 型 设 计 1 数 字 汽 车 造 型 设 计 概 念 汽 车 作 为 商 品 具 有 双 重 性 。 它 首 先 是 功 能 产 品 ， 具 有满 足 行 走 和 运 载 要 求 的 实 用 价 值 ， 同 时 它 也 是 艺 术 产 品 ，有 美 的 品 质 ， 满 足 或 者 迎 合 社 会 的 文 化 艺 术 需 求 ， 其 美 学价 值 在 于 其 内 外 的 形 态 给 人 们 视 觉 和 触 觉 上 带 来 的 享 受 。 传 统 的 造 型 设 计 主 要 是 基 于 手 工 设 计 完 成 的 ， 它 分 为初 步 设 计 和 技 术 设 计 两 个 阶 段 20世 纪 80年 代 以 来 ， 计 算 机 软 硬 件 技 术 取 得 了 突 破 性的 进 步 ， 高 速 图 形 工 作 站 和 功 能 强 大 的 CAD系 统 的 出 现 ，使 得 国 外 各 大 汽 车 公 司 纷 纷 引 进 了 CAD/CAM等 先 进 的 设 计方 法 来 进 行 车 身 设 计 ， 造 型 设 计 由 此 翻 开 了 崭 新 的 一 页 。 11.2 数 字 汽 车 造 型 设 计 1 数 字 汽 车 造 型 设 计 概 念 11.2 数 字 汽 车 造 型 设 计 2 数 字 汽 车 造 型 设 计 步 骤 计 算 机 辅 助 造 型 设 计 (Computer Aided Styling， CAS)方 法 的 一 个 主 要工 作 是 利 用 计 算 机 辅 助 几 何 设 计(Computer Aided Geometric Design， 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 ，将 其 作 为 主 模 型 来 取 代 传 统 造 型 设 计中 的 立 体 模 型 。 11.2 数 字 汽 车 造 型 设 计 3 仿 形 法 特 点 运 用 仿 形 法 进 行 车 身 设 计 是 对 传 统 设 计 方 法 的 重 大 革新 ， 是 一 种 以 分 析 、 判 断 和 优 选 为 核 心 的 现 代 设 计 方 法 。它 的 特 点 主 要 体 现 在 以 下 几 个 方 面 ： (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) 仿 形 法 设 计 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 的 周 期 。 11.2 数 字 汽 车 造 型 设 计 3 仿 形 法 特 点 (4) 采 用 计 算 机 辅 助 造 型 设 计 的 方 法 还 能 够 对 车 身 造 型进 行 优 化 设 计 。 近 年 来 ， 新 的 造 型 设 计 方 法 呈 现 如 下 两 大 特 点 ： (1) 在 造 型 设 计 中 逐 步 摆 脱 前 期 手 工 制 作 l:5缩 比 油 泥模 型 的 过 程 。 而 是 采 用 扫 描 直 接 输 入 。 (2) 汽 车 车 身 造 型 设 计 方 法 使 得 车 身 的 形 式 和 功 能 在 更高 层 次 上 实 现 有 机 结 合 和 统 一 。 采 用 虚 拟 设 计 方 法 后 ， 设 计 师 不 再 局 限 于 固 定 的 油 泥 模型 ， 可 充 分 发 挥 人 的 创 造 性 来 设 计 汽 车 车 身 ， 突 破 了 传 统的 功 能 决 定 形 式 的 束 缚 ， 使 设 计 中 渗 入 了 更 多 实 用 性 、 艺术 性 和 综 合 因 素 。 11.3 人 机 工 程 学 分析 11.3.1 人 机 工 程 学 概 述 1 人 机 工 程 学 的 概 念 人 机 工 程 学 是 从 20世 纪 50年 代 开 始 迅 速 发 展 起 来 的 一门 新 兴 的 边 缘 学 科 。 它 在 美 国 称 为 “ Human Engineering” ， 在 西 欧 称 为 “ Ergonomics” 。 它 是 运 用 人 体 测 量 学 、 生 理 学 、 心 理 学 和 生 物 力 学 以及 工 程 学 等 学 科 的 研 究 方 法 和 手 段 ， 综 合 地 进 行 人 体 结 构 、功 能 、 心 理 以 及 力 学 等 问 题 研 究 的 学 科 。 人 机 工 程 学 的 研 究 对 象 是 人 机 环 境 系 统 ， 简 称 人 机系 统 。 11.3 人 机 工 程 学 分 析 11.3.1 人 机 工 程 学 概 述 2. 人 机 工 程 学 的 研 究 内 容 人 机 工 程 学 的 主 要 研 究 内 容 可 以 概 括 为 以 下 方 面 ： (1) 机 器 系 统 中 直 接 由 人 操 作 或 使 用 的 部 件 ， 应 设 计成 便 于 操 作 者 有 效 地 使 用 ， 以 保 证 人 机 系 统 的 工 作 效 能 达到 最 优 。 (2) 从 保 证 人 的 安 全 、 健 康 、 舒 适 和 高 工 作 效 率 出 发 ，提 出 环 境 控 制 和 安 全 保 护 装 置 的 设 计 要 求 与 数 据 ； (3) 人 机 系 统 总 体 设 计 的 最 优 化 。 11.3 人 机 工 程 学 分 析 11.3.1 人 机 工 程 学 概 述 3. 车 身 设 计 中 人 机 工 程 学 的 基 本 内 容 研 究 人 与 汽 车 的 相 互 关 系 ， 寻 求 车 身 设 计 的 规 律 和 设计 依 据 ， 是 车 身 设 计 中 研 究 人 机 工 程 学 的 基 本 内 容 。 11.3.2 人 体 尺 寸 和 人 体 模 型 1. 人 体 尺 寸 人 体 尺 寸 决 定 了 人 体 所 占 据 的 几 何 空 间 大 小 和 人 体 的活 动 范 围 ， 是 确 定 车 厢 内 有 效 空 间 和 进 行 内 饰 布 置 的 主 要依 据 。 车 身 内 饰 布 置 设 计 中 应 以 人 体 尺 寸 的 “ 百 分 位 分 布值 ” 作 为 设 计 的 尺 寸 依 据 ， 这 是 人 机 工 程 学 的 基 本 设 计 原则 之 一 。 11.3 人 机 工 程 学 分 析 11.3.2 人 体 尺 寸 和 人 体 模 型 2. 人 体 模 型 在 车 身 设 计 中 ， 将 人 体 尺 寸 反 映 到 室 内 布 置 上 ， 或 对 车身 室 内 空 间 和 布 置 进 行 人 体 尺 寸 校 核 ， 必 须 借 助 于 二 维 人体 模 型 样 板 、 虚 拟 三 维 人 体 模 型 和 实 物 三 维 H点 人 体 模 型 。H点 是 人 体 躯 干 与 大 腿 之 间 的 关 节 点 -胯 点 (Hip point)。 11.3 人 机 工 程 学 分 析 11.3.2 人 体 尺 寸 和 人 体 模 型 通 常 采 用 第 10、 50、 95百 分 位 三 种 尺 寸 的 人 体 样 板 ，分 别 代 表 矮 小 、 中 等 、 高 大 三 种 人 体 身 材 。 不 同 百 分 位 的人 体 样 板 的 躯 干 尺 寸 相 同 ， 不 同 之 处 是 小 腿 长 度 A和 大 腿长 度 B尺 寸 不 一 样 。 11.3.3 人 体 的 姿 势 与 布 置 为 使 室 内 布 置 能 最 大 限 度 地 减 小 驾 驶 和 乘 坐 的 疲 劳 程度 ， 设 计 中 必 须 满 足 人 体 的 舒 适 姿 势 要 求 11.3 人 机 工 程 学 分 析 11.3.3 人 体 的 姿 势 与 布 置 1. 人 体 的 舒 适 姿 势 人 体 驾 驶 的 舒 适 和 疲 劳 程 度 与 设 计 中 选 择 的 人 体 各 关节 角 度 所 确 定 的 驾 驶 姿 势 有 关 。 11.3 人 机 工 程 学 分 析 11.3.3 人 体 的 姿 势 与 布 置 2. 人 体 的 布 置 设 计 车 身 室 内 的 人 体 布 置 ， 就 是 指 在 车 身 布 置 图 上 安 放 二维 人 体 模 型 样 板 ， 从 而 确 定 出 设 计 的 H点 位 置 ， 并 以 此 H点代 表 人 体 的 布 置 及 乘 坐 的 位 置 。 车 身 实 际 H点 是 指 将 实 物 三 维 H点 人 体 模 型 按 规 定 的 操作 程 序 安 放 在 车 内 坐 椅 上 时 ， 人 体 模 型 上 左 右 两 侧 H点 标记 连 线 的 中 点 。 它 表 示 驾 驶 员 或 乘 员 入 座 后 ， 其 胯 关 节 中点 在 车 身 中 的 实 际 位 置 。 11.3 人 机 工 程 学 分 析 11.3.4 人 体 的 操 纵 范 围 人 体 的 操 纵 范 围 是 指 人 体 在 正 常 的 驾 驶 姿 势 下 四 肢 所能 控 制 (伸 及 )的 区 域 ， 以 及 动 作 时 所 能 产 生 的 作 用 力 大 小 。手 的 操 纵 范 围 是 车 身 设 计 中 确 定 转 向 盘 、 综 合 操 纵 杆 、 各种 控 制 按 钮 、 开 关 键 位 置 等 的 必 要 条 件 。 11.3 人 机 工 程 学 分 析 11.3.5 人 眼 的 视 觉 和 视 野 范 围 车 身 设 计 应 保 证 驾 驶 员 具 有 良 好 的 视 觉 效 果 ， 以 能 减轻 驾 驶 员 的 负 担 ， 提 高 驾 驶 时 的 环 境 适 应 性 ， 同 时 提 高 汽车 驾 驶 安 全 性 。 汽 车 驾 驶 员 的 眼 椭 圆 是 驾 驶 员 以 正 常 驾 驶姿 势 坐 在 坐 椅 中 时 ， 其 眼 睛 位 置 在 车 身 中 的 统 计 分 布 图 形 ，由 于 这 种 图 形 在 车 身 侧 视 图 和 俯 视 图 中 均 呈 椭 圆 形 状 ， 故称 眼 椭 圆 。 11.4 数 字 汽 车 车 身 设 计 概 述 11.4.1 数 字 汽 车 车 身 设 计 的 基 本 特 点 和 技 术 要 求 1. 数 字 汽 车 车 身 设 计 的 基 本 特 点 数 字 汽 车 车 身 设 计 的 基 本 特 点 主 要 有 以 下 几 个 方 面 ： (1) 车 身 设 计 是 新 车 型 开 发 的 主 要 内 容 。 (2) 车 身 造 型 是 车 身 设 计 的 关 键 环 节 。 (3) 人 机 工 程 学 在 车 身 设 计 中 占 有 极 重 要 的 位 置 。 (4) 不 断 提 高 空 气 动 力 学 特 性 。 (5) 轻 量 、 安 全 、 高 刚 性 是 车 身 结 构 设 计 的 主 题 。 (6) 新 材 料 、 新 工 艺 的 应 用 不 断 促 进 车 身 设 计 的 发 展 。 (7) 广 泛 应 用 电 子 控 制 技 术 及 电 子 装 置 是 车 身 设 计 发 展的 趋 势 。 11.4 数 字 汽 车 车 身 设 计 概 述 11.4.1 数 字 汽 车 车 身 设 计 的 基 本 特 点 和 技 术 要 求 (8) 市 场 要 素 是 车 身 设 计 中 选 型 的 前 提 。 (9) 车 身 设 计 必 须 遵 守 相 关 标 准 和 法 规 的 要 求 。 (10) 车 身 设 计 应 符 合 “ 三 化 ” 要 求 ， 即 零 件 标 准 化 、部 件 通 用 化 和 产 品 系 列 化 ， 可 简 化 生 产 、 提 高 工 效 、 保 证产 品 质 量 、 降 低 生 产 成 本 、 减 少 配 件 品 种 、 方 便 维 修 等 。2. 汽 车 车 身 设 计 的 技 术 要 求 (1) 车 身 设 计 应 符 合 整 车 的 性 能 要 求 及 总 布 置 设 计 ，不 与 底 盘 各 总 成 或 部 件 发 生 位 置 干 涉 或 运 动 干 涉 。 (2) 车 身 布 置 设 计 必 须 提 供 一 个 舒 适 的 室 内 空 间 ， 具有 良 好 的 操 纵 性 和 上 下 车 及 乘 坐 方 便 性 。 11.4 数 字 汽 车 车 身 设 计 概 述 11.4.1 数 字 汽 车 车 身 设 计 的 基 本 特 点 和 技 术 要 求 (4) 车 身 的 外 形 和 布 置 设 计 必 须 保 证 驾 驶 员 具 有 良 好的 视 野 。 (5) 车 身 造 型 设 计 及 色 彩 应 美 观 、 新 颖 、 时 代 感 强 。 (6) 车 身 外 形 设 计 必 须 具 有 低 的 空 气 阻 力 和 良 好 的 高速 行 驶 稳 定 性 。 (7) 车 身 结 构 强 度 必 须 能 够 承 受 在 其 整 个 使 用 寿 命 内可 能 遇 到 的 所 有 静 力 载 荷 和 动 力 载 荷 ， 不 发 生 塑 性 变 形 、裂 纹 或 破 坏 。 (8) 车 身 结 构 应 轻 量 化 ， 并 且 有 足 够 的 刚 性 。 (9) 车 身 结 构 设 计 和 附 加 安 全 装 置 必 须 保 证 轿 车 发 生碰 撞 时 ， 对 乘 员 具 有 保 护 作 用 。 11.4 数 字 汽 车 车 身 设 计 概 述 11.4.1 数 字 汽 车 车 身 设 计 的 基 本 特 点 和 技 术 要 求 (10) 车 身 设 计 必 须 具 有 良 好 的 隔 音 、 隔 热 性 能 。 (11) 车 身 附 件 设 计 必 须 满 足 其 使 用 的 功 能 要 求 ， 并 符合 法 规 或 标 准 的 技 术 条 件 。 (12) 车 身 设 计 的 选 材 必 须 来 源 丰 富 、 成 本 低 ， 所 选 用的 材 料 应 能 够 实 现 高 效 率 的 加 工 制 造 和 装 配 。 (13) 车 身 结 构 设 计 及 选 材 必 须 保 证 车 辆 在 整 个 使 用 期间 内 满 足 对 冷 、 热 和 腐 蚀 的 抵 抗 能 力 。 (14) 车 身 的 材 料 应 能 够 再 生 重 复 使 用 ， 且 对 环 境 无 污染 。 (15) 车 身 结 构 设 计 、 结 构 分 块 满 足 车 身 制 造 工 艺 的 要求 。 (16) 车 身 结 构 设 计 必 须 考 虑 材 料 的 特 性 。 11.4 数 字 汽 车 车 身 设 计 概 述 11.4.1 数 字 汽 车 车 身 设 计 的 基 本 特 点 和 技 术 要 求 (17) 车 身 制 造 成 本 应 尽 量 降 低 。 (18) 车 身 结 构 设 计 应 方 便 维 护 ， 使 修 复 作 业 容 易 。 (19) 车 身 设 计 应 保 证 车 辆 维 修 时 的 接 近 性 ， 应 便 于 驾驶 员 对 车 辆 进 行 日 常 维 护 。 11.4.2 数 字 汽 车 车 身 设 计 流 程 数 字 汽 车 设 计 的 主 要 步 骤 如 下 ：