汽車造型設(shè)計(jì)研究

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汽車造型設(shè)計(jì)是汽車產(chǎn)品開發(fā)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，好的汽車造型可以迅速激發(fā)消費(fèi)者購買欲望，也能快速提高企業(yè)的品牌形象及產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力．汽車造型一般包括美學(xué)造型和氣動(dòng)造型，美學(xué)造型決定車身外觀，氣動(dòng)造型則決定汽車的氣動(dòng)性能．氣動(dòng)性能優(yōu)異的汽車不僅節(jié)能環(huán)保還能增加汽車在行駛時(shí)的安全穩(wěn)定性，然而現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)更多的將美學(xué)設(shè)計(jì)放在首要位置，空氣動(dòng)力學(xué)放在了次要位置，空氣動(dòng)力學(xué)在汽車造型過程中只得到有限運(yùn)用．由于美學(xué)造型和氣動(dòng)造型兩者思維及方法都截然不同，因此如何有效的將兩者結(jié)合起來是一個(gè)極具挑戰(zhàn)的任務(wù)．

1基于理想形體的汽車造型方法

傳統(tǒng)汽車造型方法是以造型設(shè)計(jì)師的二維草圖為基礎(chǔ)的，工業(yè)設(shè)計(jì)師將腦海中造型概念及創(chuàng)意通過手繪草圖或者著色效果圖表達(dá)出來，反復(fù)推敲直到造型方案確定．此后進(jìn)入油泥模型階段，工程人員在油泥模型上不停修改車身外形直到第一次油泥模型確定，然后會(huì)對(duì)油泥模型進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其空氣動(dòng)力學(xué)性能．通過風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)工程師對(duì)造型方案提出有限的修改方案，經(jīng)過多次修改直到整個(gè)造型方案最終完成．基于理想形體造型方法以汽車空氣動(dòng)力學(xué)整體優(yōu)化為目標(biāo)，以低阻力系數(shù)為造型的起點(diǎn)．低阻力系數(shù)形體一般為輪廓規(guī)則簡(jiǎn)單的三維實(shí)體，而汽車由大量不規(guī)則自由曲面組成，如何將“丑陋”的理想形體變成漂亮的汽車外觀需要三維草圖進(jìn)行過渡．三維草圖是一種基于CAD平臺(tái)、位于立體空間的概念草圖，它由三維特征曲線組成，能夠像二維草圖一樣表達(dá)出車身的造型風(fēng)格，也可以支持三維視角觀察，其草圖曲線可以自由編輯并能融入工程信息。本文在傳統(tǒng)造型設(shè)計(jì)方法和基于理想形體造型設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上提出了一種兼顧美學(xué)和氣動(dòng)造型的設(shè)計(jì)方法．該方法以理想形體為起點(diǎn)，美學(xué)造型為手段，三維草圖為造型平臺(tái)，能夠?qū)⒚缹W(xué)造型和氣動(dòng)造型有效的結(jié)合起來。

2基于理想形體汽車造型實(shí)例

以理想形體為造型起點(diǎn)，以三維草圖為平臺(tái)，以美學(xué)造型為技術(shù)手段設(shè)計(jì)一輛轎跑車，并利用空氣動(dòng)力學(xué)對(duì)其氣動(dòng)性能進(jìn)行驗(yàn)證。

2．1理想形體的選擇

理想形體應(yīng)該具有氣動(dòng)阻力小并且其外形應(yīng)該能夠適合汽車造型（如人機(jī)工程學(xué)、一定的美觀性、實(shí)用性等），本文通過之前空氣動(dòng)力學(xué)項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建了如下的理想形體。理想形體需要進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)驗(yàn)證，由于條件有限只能在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬仿真．首先對(duì)理想形體進(jìn)行封閉然后對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后導(dǎo)入到FLUENT中進(jìn)行仿真．進(jìn)過計(jì)算得到理想形體的阻力系數(shù)為0．18，結(jié)果較為理想．從整體的理想形體輪廓來看其前部空間大后部空間小，因此可以將其設(shè)計(jì)為單排座椅、發(fā)動(dòng)機(jī)前置的布置要求．

2．2基于理想形體的造型三維草圖

理想形體得到之后應(yīng)該抽取其輪廓特征線作為氣動(dòng)造型的特征曲線，提取特征線時(shí)盡量保證每塊曲面的最初特征線如輪廓線、掃描線、脊線等，然后通過曲面之間的連續(xù)性將輪廓線融合最后得到整個(gè)理想形體的三維草圖．理想形體三維草圖并不具有美觀性，需要將車身美學(xué)元素融入到理想形體的草圖之中．美學(xué)造型一般根據(jù)三視圖進(jìn)行造型，因此應(yīng)將美學(xué)設(shè)計(jì)中的二維設(shè)計(jì)通過投影的方法融入到理想形體的三維草圖中．手繪圖案是二維形態(tài)，不能直接在三維空間中進(jìn)行修改和編輯，因此要將設(shè)計(jì)的前臉二維圖案進(jìn)行曲線編輯，然后根據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的投影方法將二維手繪圖案定向投影到理想形體的輪廓進(jìn)行融合．具體方法是將前臉圖案的曲線轉(zhuǎn)換成可編輯的三階四次NURBS曲線，然后向理想形體進(jìn)行定向投影．在前臉方案定型之后，接下來將要考慮側(cè)臉方案以及后尾燈整體造型的融合了．加入其它的附件，然后對(duì)整個(gè)融合草圖進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚玫秸嚨娜S草圖。

2．3基于三維草圖的汽車曲面造型

有了三維草圖這個(gè)氣動(dòng)造型與美學(xué)造型的交融平臺(tái)，就可以利用三維草圖進(jìn)行曲面輪廓的建立．本次造型采用CATIA中ACA及FFS模塊進(jìn)行建模，通過三維草圖搭建輪廓并保證相關(guān)曲面的連續(xù)性．為根據(jù)三維草圖簡(jiǎn)歷的整車模型，為了后面分析的需要，模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化及封閉處理．在根據(jù)三維草圖得到車身的曲面輪廓之后，根據(jù)設(shè)計(jì)者的愛好或者風(fēng)格進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)，如車燈、前臉、尾燈、后視鏡等．分別為本次設(shè)計(jì)的三維數(shù)模以及渲染效果圖．

3空氣動(dòng)力學(xué)驗(yàn)證

理想形體氣動(dòng)阻力系數(shù)Cd＝0．18，將驗(yàn)證以該理想形體為造型起點(diǎn)設(shè)計(jì)的方案的氣動(dòng)性能．在進(jìn)行CFD模擬仿真之前需要對(duì)模型經(jīng)行處理，封閉進(jìn)氣格柵、車身底盤以及面與面之間的縫隙，對(duì)一些影響網(wǎng)格質(zhì)量的地方進(jìn)行圓化處理，車輪設(shè)置凸臺(tái)等．將處理后的模型導(dǎo)入ANSYS－ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了更好模擬汽車車身氣流分布，設(shè)置車身周圍流場(chǎng)分別為車身長(zhǎng)寬高的12，8，6倍．在車身表面拉伸3層三棱柱網(wǎng)格來模擬車身表面層流運(yùn)動(dòng)．在關(guān)鍵區(qū)域加密并設(shè)置網(wǎng)格密度盒來保證仿真精度．將網(wǎng)格導(dǎo)入到ANSYS－FLUENT軟件中，選擇高雷諾數(shù)的k－ε湍流模型，邊界條件設(shè)定為速度入口（v＝40m／s）、壓力出口邊界、滑移地面。車身表面氣流較為平滑，上側(cè)氣流和兩側(cè)氣流在尾部分離后形成兩個(gè)對(duì)稱的湍流．從仿真分析結(jié)果來看，阻力系數(shù)為0．275，對(duì)于沒有添加氣動(dòng)附件的轎車造型來說是比較理想的結(jié)果，后期可根據(jù)仿真結(jié)果修改造型進(jìn)一步降低其風(fēng)阻系數(shù)．

4結(jié)束語

本文在傳統(tǒng)美學(xué)造型的基礎(chǔ)上提出了一種將氣動(dòng)造型和美學(xué)造型結(jié)合起來的方法，以理想形體為造型起點(diǎn)，以三維草圖為造型平臺(tái)，以美學(xué)造型為技術(shù)手段進(jìn)行氣動(dòng)、美學(xué)結(jié)合造型，提出了該方法的具體設(shè)計(jì)流程．并以實(shí)例介紹了如何實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)造型和美學(xué)造型的結(jié)合，并通過模擬仿真驗(yàn)證了這種造型方法的優(yōu)點(diǎn)及可行性，該方法能夠充分發(fā)揮汽車的空氣動(dòng)力學(xué)性能．

作者：陳杰 黃妙華 單位：武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院