汽車造型設(shè)計研究
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汽車造型設(shè)計是汽車產(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)消費者購買欲望，也能快速提高企業(yè)的品牌形象及產(chǎn)品競爭力．汽車造型一般包括美學(xué)造型和氣動造型，美學(xué)造型決定車身外觀，氣動造型則決定汽車的氣動性能．氣動性能優(yōu)異的汽車不僅節(jié)能環(huán)保還能增加汽車在行駛時的安全穩(wěn)定性，然而現(xiàn)代汽車設(shè)計更多的將美學(xué)設(shè)計放在首要位置，空氣動力學(xué)放在了次要位置，空氣動力學(xué)在汽車造型過程中只得到有限運用．由于美學(xué)造型和氣動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)計師的二維草圖為基礎(chǔ)的，工業(yè)設(shè)計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出來，反復(fù)推敲直到造型方案確定．此后進入油泥模型階段，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，然后會對油泥模型進行風(fēng)洞實驗驗證其空氣動力學(xué)性能．通過風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)空氣動力學(xué)工程師對造型方案提出有限的修改方案，經(jīng)過多次修改直到整個造型方案最終完成．基于理想形體造型方法以汽車空氣動力學(xué)整體優(yōu)化為目標(biāo)，以低阻力系數(shù)為造型的起點．低阻力系數(shù)形體一般為輪廓規(guī)則簡單的三維實體，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行過渡．三維草圖是一種基于CAD平臺、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)計方法和基于理想形體造型設(shè)計方法的基礎(chǔ)上提出了一種兼顧美學(xué)和氣動造型的設(shè)計方法．該方法以理想形體為起點，美學(xué)造型為手段，三維草圖為造型平臺，能夠?qū)⒚缹W(xué)造型和氣動造型有效的結(jié)合起來。
2基于理想形體汽車造型實例
以理想形體為造型起點，以三維草圖為平臺，以美學(xué)造型為技術(shù)手段設(shè)計一輛轎跑車，并利用空氣動力學(xué)對其氣動性能進行驗證。
2．1理想形體的選擇
理想形體應(yīng)該具有氣動阻力小并且其外形應(yīng)該能夠適合汽車造型（如人機工程學(xué)、一定的美觀性、實用性等），本文通過之前空氣動力學(xué)項目的經(jīng)驗構(gòu)建了如下的理想形體。理想形體需要進行空氣動力學(xué)驗證，由于條件有限只能在計算機上進行模擬仿真．首先對理想形體進行封閉然后對其進行網(wǎng)格劃分，最后導(dǎo)入到FLUENT中進行仿真．進過計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)計為單排座椅、發(fā)動機前置的布置要求．
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造型的特征曲線，提取特征線時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)三視圖進行造型，因此應(yīng)將美學(xué)設(shè)計中的二維設(shè)計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行修改和編輯，因此要將設(shè)計的前臉二維圖案進行曲線編輯，然后根據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計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，然后對整個融合草圖進行適當(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
有了三維草圖這個氣動造型與美學(xué)造型的交融平臺，就可以利用三維草圖進行曲面輪廓的建立．本次造型采用CATIA中ACA及FFS模塊進行建模，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)三維草圖簡歷的整車模型，為了后面分析的需要，模型進行了簡化及封閉處理．在根據(jù)三維草圖得到車身的曲面輪廓之后，根據(jù)設(shè)計者的愛好或者風(fēng)格進行詳細(xì)的設(shè)計，如車燈、前臉、尾燈、后視鏡等．分別為本次設(shè)計的三維數(shù)模以及渲染效果圖．
3空氣動力學(xué)驗證
理想形體氣動阻力系數(shù)Cd＝0．18，將驗證以該理想形體為造型起點設(shè)計的方案的氣動性能．在進行CFD模擬仿真之前需要對模型經(jīng)行處理，封閉進氣格柵、車身底盤以及面與面之間的縫隙，對一些影響網(wǎng)格質(zhì)量的地方進行圓化處理，車輪設(shè)置凸臺等．將處理后的模型導(dǎo)入ANSYS－ICEM進行網(wǎng)格劃分，為了更好模擬汽車車身氣流分布，設(shè)置車身周圍流場分別為車身長寬高的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動．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對稱的湍流．從仿真分析結(jié)果來看，阻力系數(shù)為0．275，對于沒有添加氣動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，以三維草圖為造型平臺，以美學(xué)造型為技術(shù)手段進行氣動、美學(xué)結(jié)合造型，提出了該方法的具體設(shè)計流程．并以實例介紹了如何實現(xiàn)氣動造型和美學(xué)造型的結(jié)合，并通過模擬仿真驗證了這種造型方法的優(yōu)點及可行性，該方法能夠充分發(fā)揮汽車的空氣動力學(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
