車身設計分析

1、1 緒論1.1 課題背景 汽車的出現在世界歷史中有著偉大的意義。汽車的出現徹底改變了人們的生活方式，世界也以此變得很小。與此同時，人類生產效率也得到了極大的提升。時至今日，汽車已經不再僅僅是一種工業(yè)產品，更代表著一種文化，對人類生產生活都有著深遠的影像。 隨著人類社會的進步，汽車已經“走進尋常百姓家”，人們對于汽車的要求也不僅僅限于代步運輸工具，而對汽車造型方面有了更高的要求。然而，汽車造型的改變往往會影響汽車的空氣動力性能。因而，汽車設計師正不斷努力協(xié)調著汽車外形與汽車相關性能，以生產出滿足人們對于汽車外觀與功能的雙重要求。 汽車的設計是一個協(xié)調統(tǒng)一的過程，結構、比例、色彩、尺寸等因素對設計

2、師提出了眾多設計要求。設計師圍繞設計主題，完成整車車身的設計。 我國的汽車工業(yè)從建國以來發(fā)生了空前的發(fā)展，但是長期以來都局限于貨車的設計生產，汽車車身設計一直未能得到長足的發(fā)展。因此，為了提高自主開發(fā)能力，搶占市場，我國必須重視汽車車身的發(fā)展。1.2汽車車身設計發(fā)展歷程十九世紀末到二十世紀初，汽車在機械工程方面發(fā)生巨大的發(fā)展而在二十世紀中期以后，工業(yè)美學、空氣動力學、流體力學、人體工程學才逐漸引入汽車設計學中去。汽車才越來越成為科學技術與藝術造型的統(tǒng)一整體。車身的作用才更好體現了除保護駕駛員之外的個性表達作用。汽車車身結構主要包括：車身殼體、車門、車窗、車前鈑制件、車身內外裝飾件和車身附件、座

3、椅以及通風、暖氣、冷氣、空氣調節(jié)裝置等等。汽車車身設計是基于機械工程學、人機工程學、空氣動力學這三門學科。三門學科分別對車身提出了自己的以下要求。表1.1 三門學科應滿足的要求機械工程學動力性、操縱穩(wěn)定性人機工程學提供合適空間、舒適性空氣動力學阻力小經過幾代汽車工作者的不懈努力，汽車車身形式也經歷了馬車型汽車、箱型汽車、甲殼蟲型汽車、船型汽車、魚型汽車、楔形汽車這幾代車身設計形式。1.1.1 馬車型汽車 十九世紀末之前，汽車一直使用馬車的車身、車輪、鋼板彈簧、制動器等部件。當時的發(fā)動機則被安置在座位以下，馬車型汽車因外形酷似馬車而得名。18世紀馬車型汽車傳到美國后，僅有少數富人才有資格享用。1

4、908年由福特公司退出的T型車，車身由原來的敞開式改為封閉式，舒適性、安全性都有很大提高。圖1.1奔馳一號車圖1.2戴姆勒一號車圖1.3 1984年奔馳微洛牌圖1.4 1894年標致小客車1.1.2 箱型汽車 福特公司在1915年生產出一種新型的汽車，這種汽車畫馬車型汽車有一些不同，它的外形很像一只裝有門和窗大箱子，因此被稱為“箱型汽車”。在此種車型上，發(fā)動機被安置在汽車頭部。汽車車身也分為了車頭和駕駛艙的造型，箱型汽車也因此得名。圖1.5 1915年產福特T型車圖1.6通用1928年生產的雪佛萊圖1.7 1925年產阿爾法羅密歐1.1.3 甲殼蟲型汽車 流體力學教授雷依在1934年通過采用模

5、型汽車在風洞中試驗的方法測量了各種車身的空氣阻力這個實驗具有劃時代的意義?？巳R斯勒公司在1934年首先采用了流線型的車身設計。1937年，德國設計天才費爾南德·保時捷開始進行類似甲殼蟲外形的汽車的研究。因為甲殼蟲的形體阻力很小。保時捷博士則最大限度地發(fā)揮了甲殼蟲外形的長處，使“大眾”汽車成為了當時流線型汽車的代表作。從20世紀30年代流線型汽車開始普及直至40年代末的20年間，甲殼蟲汽車可謂如日中天。圖1.8 1934年產克萊斯勒氣流牌圖1.9 1936年林肯汽車 圖1.10大眾1200甲殼蟲汽車1.1.4 船型汽車 1949年福特推出了具有劃時代意義的V8汽車，該車型于1915年便

6、開始著手研制。船型汽車因外形酷似船只而得名。這款車最先將人體工程學引入了汽車設計領域。這款車不僅在性能上比甲殼蟲汽車更加強大，甲殼蟲類型汽車橫風不穩(wěn)定的毛病在此款車型中得以完美解決。圖1.11 1949年福特V8圖1.12 1959年通用龐蒂克小客車1.1.5 魚型汽車 通用汽車公司在1952年生產的別克轎車，開創(chuàng)了魚型汽車的先河。這種車型更好地解決了船型汽車高速行駛時會產生強大渦流的缺陷。魚型汽車的背部和地面所成的角度比較小，尾部則是較長，造成圍繞車身的氣流平順，渦流阻力小。魚型汽車才得以迅速地發(fā)展。但也同時存在著一些致命的弱點：一是由于魚型車的后窗玻璃傾斜得過于厲害，致使玻璃的表面積增大了

7、一至二倍，強度有所下降，產生了結構上的缺陷；二是當汽車高速行駛時汽車的升力較大。圖1.13 1952產別克汽車1.1.6 楔形汽車1963年，司蒂倍克-阿本提第一次提出了楔形汽車的概念。這種車型從根本上解決了魚型的結構帶來的升力問題。他、它的車身前部呈尖狀并向下傾斜，車身后部平直。這種車型很好的解決了升力問題。圖1.14 通用奧茲莫比爾汽車1.3當代汽車開發(fā)流程 車身的設計開發(fā)需要大量人力、物力、財力。我國汽車開發(fā)行業(yè)屬于薄弱環(huán)節(jié)，歸結起來：一是完全自主開發(fā)，一切從零開始，工作盲目性大；二是簡單地"拿來主義"，購買技術，這樣永遠掌握不了核心技術。汽車設計行業(yè)經歷了近百年的歷

8、史。在初期，建立實體、繪制圖紙、制作模型、采集樣板、油泥模型、試驗的樣車、三次風洞試驗是汽車開發(fā)的流程。隨著科技的進步，當今人們已經利用計算機技術探索出了一條新的設計方法，在設計中我們使用CATIA、UG、ANSYS等強大的設計分析軟件來進行汽車設計，極大地降低車身設計的成本，有效的縮短了產品設計周期。 汽車發(fā)開分為正向工程和逆向工程。1.2.1 正向工程圖1.15正向開發(fā)流程圖 新車型的開發(fā)是一個非常復雜的系統(tǒng)工程，它需要數百人花費上四年左右的時間才能完成。不同的汽車企業(yè)其汽車的研發(fā)流程略有不同，但都主要以下五個階段。 一、方案策劃階段    

9、; 市場調研和項目可行性分析是新項目至關重要的部分。通過對采集到的市場信息進行了收集、整理、分析，對消費者市場得出判斷，再通過市場數據分析，做出可靠的市場調研報告，使得企業(yè)新項目有依據可循。 二、概念設計階段     這個階段，開發(fā)者需要指定研發(fā)計劃，安排時間，預算成本，分配任務。概念車設計包括總體布置草圖設計和造型設計這兩個部分。制作油泥模型可以通過油泥模型師直接完全人工雕刻模型，也可以由數字模型師先根據設計效果圖在ALIAS等軟件里建立三維模型然后由銑削機銑削出油泥模型，然后經油泥模型師進修改即可。 三、工程設計階段  

10、    工程設計階段主要工作內容包括整車總成以及零部件的設計、調試各個總成之間以及總成與整車之間工作協(xié)調狀況，使之符合大綱要求。工程設計階段主要包括以下內容:      a） 總布置設計      參照總布置草圖進行的相關說明，對其總布置進行了細化設計，確定各部件的尺寸和位置，為各總成和部件分配準確的布置空間，確定各個部件的詳細結構形式、特征參數、質量要求等一些其他條件。主要的工作包括發(fā)動機艙詳細布置圖、內飾布置圖、外飾布置圖、底盤詳細

11、布置圖以及電器布置圖的繪制。      b） 生成車身造型數據  使用專有三維測量儀器對油泥模實施測量，外形和內飾是其工作對象。測量生成的數據被稱為點云，技術人員根據點云使用汽車A面制作軟件IceM-surface、Catia等來構建汽車的內外構造。建模完成以后，要銑削出一個此數據建立的模型，目的是驗證其準確性。  c）發(fā)動機工程設計     發(fā)動機部門針對新車型的特點利用現有發(fā)動機總成進行發(fā)動機的布置，此外，還要進行其匹配工作。  d

12、）白車身工程設計     白車身是指車身結構件以及覆蓋件的焊接總成，它包括發(fā)動機罩、翼子板、側圍、車門以及行李箱蓋在內的未經過涂裝的車身本體。為了保證車身強度，白車身是封閉的結構。該階段的主要工作任務就是確定車身結構方案，詳細設計出各個車身的組成部分，通過使用三維軟件進行建模，完成焊點圖。   e）底盤工程設計      底盤工程設計的內容包括：傳動系統(tǒng)設計、行駛系統(tǒng)設計、轉向系統(tǒng)設計和制動系統(tǒng)設計。通過對各個系統(tǒng)零部件進行包括尺寸、結構、工藝、功能以及參數等方面的定義。再根

13、據定義進行結構設計以及計算，建立三維模型。然后進行零部件樣件試驗并完成完成設計圖和裝配圖 。  f）內外飾工程設計       汽車內外飾是指汽車外裝件以及內飾件。外裝件的主要包括前后保險杠、玻璃、車門防撞裝飾條、進氣格柵、行李架、天窗、后視鏡、車門機構及附件以及密封條。內飾件主要包括儀表板、方向盤、座椅、安全帶、安全氣囊、地毯、側壁內飾件、遮陽板、扶手、車內后視鏡等等。      g）電器工程設計    

14、  電器工程負責設計包括各種儀表、雨刮系統(tǒng)、空調系統(tǒng)、前后燈光、整車開關以及車內照明系統(tǒng)。     四、樣車試驗階段       樣車試制部門負責的樣車設計根據工程設計的數據，根據需要制作各種試驗樣車。樣車需要進行性能試驗：驗證設計階段各個總成以及零部件經過裝配后能否達到設計要求，進行及時修改。汽車的強度、耐久性通過可靠性檢測來實現。進行試驗時需要依照相關規(guī)定進行。分析總結、進行改進。 五、投產啟動階段      生產流程鏈，

15、各種生產設備、生產線鋪都在這個階段定制。模具的開發(fā)和各種檢具需要在之前準備好。投產啟動階段會耗費半年左右的時間，這個階段必須完善沖壓、焊裝、涂裝、總裝的生產線，完成其性能測試，在能夠保證小批量生產三個月產品無重大問題的情況下，正式啟動量產。  1.2.2 逆向工程圖1.16逆向開發(fā)流程圖 逆向工程（ReverseEngineering-RE）是對產品設計過程的一種描述。逆向工程是一個“無中生有”的過程。即根據已經存在的產品模型，反方向推出產品設計數據的過程。數字測量技術日趨成熟，基于測量數據的產品造型技術成為逆向工程技術核心內容。在數字化測量設備（激光測量設備等、如坐標測量

16、機）測得的物體模型空間數據下，建立三維模型，之后以CAM技術完成產品的制造。逆向工程是顛覆性的開發(fā)形式,極大地縮短了產品開發(fā)所用時長,提高了研發(fā)的效率。 逆向工程可以以很快的速度完成汽車外觀設計。逆向工程是一系列的應用技術和分析方法結合方法，其大致流程就是運用能夠測量曲面的工具對產品表面進行數據采集，測量曲面，再通過逆向軟件進行處理從而得到合適的曲面，從而完成產品的設計開發(fā)。1.2.3 正向工程和逆向工程的相關比較 兩個設計流程的主要區(qū)別在于正向工程從概念到產品，而逆向工程則由測量的數據來反向推得3D模型。正向開發(fā)程序是設計師依據產品設計理念進行的規(guī)劃與設計構想，繪制草圖及模型圖，并進行數字建

17、模，最后進行NC或RP（RapidPrototype）的加工程序。但是在逆向工程設計程序中，設計師直接運用逆向工程對PU泡沫或油土模型進行點掃描資料，并通過CAD進行修改與整理，最后完成NC或RP的加工程序。1.2.4 仿生學在車身設計上的應用自汽車誕生之日起，人們就有意無意的在汽車車身的設計中運用仿生學知識。汽車運用仿生學的經典案例有很多，汽車設計通常是對生物的結構、形態(tài)、色彩、功能等方面進行仿生設計的。仿生手段大致可以分為以下幾種形式進行仿生。遵循美學規(guī)律設計生物特征的產品設計轉化確定仿生設計概念生物特征的記錄建立生物特征的概念認知確定仿生目標圖1.17 仿生步驟 形態(tài)仿生：甲殼蟲汽車的設

18、計就來自甲殼蟲圓潤的外形，設計師模設計出了全身弧線形的汽車外形，徹底改變了之前人們對汽車菱角分明的外形認識，這款車不僅從車身功能上有所突破，更在外形上贏得了消費者的青睞，截止到2009年，大眾汽車公司所生產的甲殼蟲汽車已經累計銷售2264.9萬輛。而另外一款國產汽車吉利熊貓”也是目前運用仿生學最成功的一款車型，它的模仿了我國的國寶大熊貓，突出了大熊貓是憨厚、可愛、圓潤的特點。進氣口大的設計，模仿的是嘴巴，而兩個前大燈更像是其眼睛，尾部的車燈也模仿了大熊貓的腳掌，車身前懸和后懸較短，軸距采用的是微型車的標準，這模仿了熊貓的身體比例，車聲前后呼應，將熊貓的形象反映到汽車外形設計上。圖1.18甲殼蟲

19、汽車圖1.19吉利熊貓汽車結構仿生：汽車結構的仿生指的是設將自然界生物的特有的結構方式通過設計運用到汽車造型上的一種手段，奔馳SL300就是一款名副其實結構仿生的汽車，設計師深入進行了對海鷗翅膀的研究，設計出了了獨特結構的鷗翼門，迅速吸引了大量消費者，并且成為一款經典的車型。圖1.20奔馳SL300色彩仿生：我們生活在一個五光十色的世界，而大自然的生活顏色也是不盡相同。每種生物都擁有屬于自己的顏色。色彩又有著不同的含義，比如有些動物色彩暗淡以躲避天敵，又比如孔雀用色彩艷麗來求偶。通過色彩學的研究，運用到汽車設計上，比如雪弗蘭的科邁羅系列汽車，黃黑相間的車身，菱角分明的線條，模仿的則是動物界黃蜂

20、，因此，這款車也得名“大黃蜂”。正是由于其搶眼的設計，獲得了無數消費者的青睞。圖1.21科邁羅汽車功能仿生：功能仿生注重的是外形到功用，比如奔馳SL級AMG汽車的特殊通風口設計就是設計參照鯊魚鰓所進行的設計，這種設計就很好的解決了汽車在行駛過程中會遇到很多阻力的問題，這款汽車的側身通風口設計是的汽車減小了空氣阻力，擁有更好的通過性。圖1.22奔馳AMG1.2.5 輕量化設計汽車輕量化指的是利用現代設計方法汽車產品進行優(yōu)化設計或者使用新材料在確保汽車正常工作提下,盡可能降低汽車產品重量,以達到環(huán)保、低耗、安全的目的。實現汽車輕量化的主要通過合理的結構設計以及使用新型材料。如今，大部分汽車車身大約

21、占車身總重的五分之二到五分之三。因此，加快汽車的輕量化進程是非常有必要的。相關研究表明，汽車減重10%，油耗率也會相應的降低6%-8%。此外，汽車的輕量化能夠顯著提升汽車的操縱穩(wěn)定性以及緩沖碰撞的優(yōu)勢。圖1.23 輕量化全鋁車身1.3車身總體布置 車身總布置參照的是整車總布置，主要得到汽車的基本尺寸，軸荷分布范圍以及水箱、動力總成、前后橋、座椅布置、前后風窗位置和角度、內部空間控制尺寸、傳動軸與車輪等的輪廓尺寸、后懸長度、發(fā)動機罩高度、地板平面高度、前圍板位置、方向盤位置角度與操縱機構和踏板的相互位置等。因轎車車身的布置主要受底盤布置形式的制約。轎車底盤有四種常見的布置形式：發(fā)動機前置后驅，前

22、置前驅，后置后驅和中置后驅。在本次設計中采用前置后驅的方案。 本車基本參數：表2.1 雪弗蘭科邁羅汽車基本參數2015款科邁羅基本參數發(fā)動機3.6L直噴式發(fā)動機排量（cc）3564最大輸出功率（kW/r/min）241/6800最大扭矩（Nm/r/min）377/4800壓縮比11.5:1升功率67.6百米加速（s）6.2最高車速（km/h）250綜合工況油耗（L/100km）11.3驅動形式前置后驅輪胎前245/45 R20 后275/40 R20輪轂前20”×8”后20”×9”懸掛FE2運動懸掛前懸架多連桿獨立懸架后懸架4.5連桿獨立懸架前后配重52:45:0

23、0長*寬*高（mm）4837× 1917× 1360軸距（mm）2852前后輪距（mm）1618/1618最小轉彎直徑（m）11.6整備質量（kg）17482 現代汽車開發(fā)設計方法當今，汽車開發(fā)主要包括設計、試驗和制造三個階段。設計階段則是汽車開發(fā)的根基?，F在，汽車的設計主要包括概念設計、工程設計這兩個階段。汽車車身造型必須規(guī)劃出產品的定位方向，再完成后續(xù)工作，才能的到效益的最大化。2.1 產品規(guī)劃產品規(guī)劃主要任務是制定產品生產過程中可能遇到的問題進行企劃。產品規(guī)劃完成以后，會得出后期的指導性文件，得出用戶需求與市場前景的指導性意見。提升了產品研發(fā)的效率。除此之外材料應用、

24、成本分析、市場調研等一系列的問題也屬于產品規(guī)劃的范圍。2.2 概念設計2.2.1 市場調研市場調研是汽車車身設計至關重要的一部分，市場調研能夠幫助我們確定新產品的市場定位，為后期的工作提供指導性意見。圖2.1新車銷量比例圖 如今，轎車換代周期一般在五年到七年之間。一款新車從設計開始到正式量產一般需要兩年左右的時間。因此，設計新車時，需要考慮到兩年以后的一些因素。需要注意以下幾方面的要求。a) 開發(fā)的此款車能夠成為一部分人的情感需求或物質追求；為此，需要研究目標人群的行為準則、消費方式和情感信仰等的問題。 b) 產品一定和制造商的制造能力相符合，產品太超前，相關技術不成熟，生產過程必定會出現問題

25、，相反，產品太落后，根本沒有市場。c)產品必須符合滿足當地市法規(guī)要求、場環(huán)境、文化、稅務和保險政策等方面的規(guī)定，這樣的產品才有資格在本地駕駛。 本次設計的車型雪佛蘭科邁羅則是抓住了人們的情懷：科邁羅從1966的第一代到2009年的第五代，已經積累了全球幾千萬的用戶的信賴。與此同時此款車與動畫品變形金剛和電影變形金剛系列里面的大黃蜂形象已經融為一體，使人見到此車的第一眼就會聯想到大黃蜂的形象，回頭率非常高。而雪佛蘭品牌所屬的通用公司有強大的財力與技術支持，使得新產品的研發(fā)水到渠成。2.2.2 車型定位通過市場調研，我們明確了自己的設計目標，此時需要對產品進行定位。明確產品類型、級別、功能?？七~羅

26、汽車定位中級肌肉跑車，價格定位在40萬人民幣左右。2.2.3 造型概念草圖任何產品的最初影響，都是出自設計師的手繪。在圖紙上，設計師可以發(fā)散思維，大膽想象，進行草圖繪制。一般通過10名左右的設計人員一起繪制草圖，每個人需要完成四個左右的模型草圖，這個階段主要側重汽車的造型。圖2.2 汽車設計草圖然后通過討論層層篩選出優(yōu)秀草圖并加以修改得出定稿。草圖是汽車設計靈魂之所在。2.2.4 外觀造型效果圖通過大量的篩選工作。草圖得到定稿，這個定稿需要上交上級部門進行審查。通過審查之后需要由工作人員完成效果圖。在完成效果圖時，更加側重細節(jié)的表現，使汽車造型變得更有立體感。效果圖側重外觀，內飾及色彩這三個部

27、分的設計，這個工作過程可以手繪也可以通過三維建模軟件進行繪制。需要注意的是汽車外觀和內飾的風格要相呼應。效果圖繪制好以后，設計師通過計算機建立該方案的CAD虛擬模型，更加直觀地呈現出汽車車身的設計。圖2.3 汽車設計效果圖2.3 車身的設計2.3.1 車身參數的確定a) 車身的尺寸設計之初，設計師需要確定車身的大小和比例，確定好汽車的級別，然后進行后續(xù)的工作。圖2.4 微型車標準圖2.5小型車標準圖2.6緊湊型車標準圖2.7 中型車標準 圖2.8中大型車標準 圖2.9車型級別的劃分b) 車身的平衡車身設計過程中，需要保證車身內外與造型的同時，保證設計元素的協(xié)調性。比如勞斯萊斯從外形到內飾都給人

28、一種古樸、莊重的感覺。圖 2.10 勞斯萊斯汽車 圖2.11 勞斯萊斯內飾設計c) 車身的比例車身比例一般受駕乘室空間，行李箱空間和發(fā)動機位置是確定車身比例的關鍵因素。1） 駕駛艙占據了車身一半以上的空間。 圖2.12 比例協(xié)調的車身2) 行李箱的大小對汽車尾部造型具有很大的影響。圖2.13 SUV后備箱3) 車身比例在一定程度上受到發(fā)動機布置形式的影響。所以，大部分汽車汽車都是采用發(fā)動機前置，但是一些跑車會采用中置和后置的形式。這會影響駕駛艙和后備箱的布置。圖2.14 發(fā)動機后置后驅圖2.15 發(fā)動機前置后驅圖2.16 發(fā)動機中置后驅針對不同車型合理布置汽車車身比例?？v觀汽車發(fā)展前景，新能源

29、必將成為汽車發(fā)展的前景。發(fā)動機將被電機和電池所代替，這個更需要設計師們去合理的布置車身比例，使產品得到更好的工作狀態(tài)。本設計采用前置后驅的設計形式。圖2.17特斯拉協(xié)調的車身比例4) 車輪尺寸以及軸距、輪距設計師需要根據汽車的規(guī)格確定驅動輪的位置車輪的參數。后輪軸距的確定則根據駕乘空間、驅動方式、前后重量的分配，再根據車的寬度決定輪距。圖2.18 車身尺寸參數5） H點 H點指的是人體軀干和大腿的連接點這個點是車內布局的基準點，所以，當H點確定以后，車內其他的布局也隨之確定。合理H點能夠使車內的空間被合理的利用，乘坐舒適感也十分出色。2.3.2計算機效果圖的制作 在這個設計階段，我們需要整合前

30、期工作資料，進行整車的三維建模。計算機三維模型可以直接輸入五軸銑銷加工中心，這加工成實體，也就是俗稱的油泥模型，與此同時，利用ANSYS可以模擬車身的碰撞試驗。圖2.19 電腦效果圖2.3.3 油泥模型的制作在傳統(tǒng)的汽車設計中油泥模型是至關重要的一部分，雖然三維軟件技術已經相當成熟，但是油泥模型仍然是當代汽車設計不可缺少的一道工序。油泥可以呈現非常堅硬的狀態(tài)，也可以在一定溫度下融化，因此，我們能夠為其添加骨架，進行表面粘合，這樣有利于設計師在油泥模型表面進行自己的設計以及改進。傳統(tǒng)油泥模型制作需要三到四個月。而如今，設計師們使用的是五軸銑銷中心完成這些工作，極大地縮短了工作周期。隨著3D打印技

31、術的不斷發(fā)展，油泥模型的制作方法也會發(fā)生革命性的變化。圖2.20 正在精磨的油泥模型 圖2.21 三維坐標儀 圖2.22 3D打印機2.3.4 膠帶圖 膠帶圖指的是膠帶在墻上黏出來的1:1的汽車模型，膠帶圖一般是通過在1:5的模型上面進行取樣。設計師可以在墻上直觀地檢測汽車線條是否完美。圖2.23 膠帶圖的設計2.3.5 油泥模型風洞試驗完成之后的油泥模型需要進行風洞試驗。將比例為1：5的小型模型進行風洞試驗，得出汽車的風阻系數和一些其他的數據，這在通過這些數據改進所設計的汽車模型直至達到設計要求。然后再制作一個完整的1:1模型。圖2.24 小尺寸油泥模型的風洞試驗2.3.6 車身模型的建立這

32、個階段需要我們將建好的油泥模型轉換成計算機三維數據，工程師通過三維坐標儀對油泥模型進行測量，得出“點云”即測量后生成一系列由點組成的數據，再根據這些數據完成汽車曲面的建立。圖2.25 點云數據的處理3 車身構造與分析 3.1 車身結構的基本知識 白車身、外部飾品、內部飾品、電器設備是車身的四大部分。a) 白車身:通常是指已經焊裝好了，整車都是焊接件沒噴一點漆的車身。圖3.1 汽車白車身b) 車身外裝件:通常是指在車身的外部，并且起一定的保護和裝飾作用的部件，還有一部分是具有特定功能的部件，比如保險桿和后視鏡。c) 車身內裝件:通常是指在車內的起裝飾作用或者是對乘客具有保護作用的部件，還有一部分

33、具有特定功能的部件，比如儀表盤，音箱等。d) 車身電器附件:指除了底盤和發(fā)動機外的所有的電器及電子裝置。3.2 車身布置3.2.1 車身的布置 車身的布置主要的受發(fā)動機位置的影響:a ) 由于發(fā)動機的前置或者后置或者中置的不同而不同。b) 在發(fā)動機前置的情況下，驅動輪是前輪還是后輪還有不同種類的懸架等，它們的轉向系統(tǒng)也會有很大的差異。3.2.2 車身的組成a) 前圍上蓋板位于兩個A柱之間保證車身剛度以及保證通風。車身發(fā)生碰撞的時候該部分發(fā)生形變吸收一部分能量，因此在風窗玻璃支撐部和刮水器的支撐部的設計中應該使用變形減能的形式。b) 前圍板前圍板就是位于發(fā)動機艙和乘客艙之間的，確定了轉向系統(tǒng)、踏

34、板、空調，線束、線纜等的位置，此外對減輕發(fā)動機對駕駛室噪聲影響也有很大的作用。在車身發(fā)生碰撞時，其能夠把能量轉移到地板縱梁以減輕碰撞造成的傷害。c) 前懸架支撐帶有減震器，能前粱分擔懸架傳來的力以及碰撞沖擊力,能夠隔斷輪罩和發(fā)動機艙，從而有效的防止了地面上雜物進入發(fā)動機艙。d) 前縱梁 前縱梁是車身重要組成部分之一。發(fā)動機、變速器、懸架系統(tǒng)以及其他的輔助部件都安裝在它的上面并且能夠吸收碰撞產生的能量以保證剛度 。其設計時多采用高強度鋼以保證低速碰撞時保證車身不變形，又要保持在高速碰撞時，通過粱的彎曲變形從而吸收能量。圖3.2 汽車前車身的組成e) 發(fā)動機蓋 外板和內板是發(fā)動機蓋主要組成組成部分

35、，外板主要是造型面而內板則增強發(fā)動機蓋強度以及剛度。圖3.3發(fā)動機蓋的構成發(fā)動機蓋的性能要求：1） 剛度強 :不會輕易成坑，以影響質感；2） 耐壓度 :用力的按壓發(fā)動機蓋不會造成變形；3） 保證整體的扭轉和彎曲剛度；4） 碰撞后發(fā)生塑性形變，必須保證其后端一定不能插入前窗；必須考慮其耐碰撞性，因此應當使用鋁合金材料；（f）頂蓋 不是非常重要的部分，因此有的汽車可以開天窗。設計要求要保證前后窗框架的平順過度以及減小風阻。加強梁是必要的，防止翻車導致的傷害。 (g) 行李箱 發(fā)動機前置則行李箱后置，反之行李箱前置?；疽笫潜ＷC防潮、塵、熱。對強度有一定的要求。對備用輪胎存放位置則必須小且牢固，防

36、止震動。（h）車窗 視野和采光是兩大主要要求。玻璃則必須使用安全玻璃，密封必須牢靠，防止漏水。（k）車門 根據車型進行車門的設計，比如面包適合側拉門，跑車可以使用鷗翼門，大客車設置后門等。（l）保險杠 保證車身車體不先與障礙物接觸。此外，保險杠也起一定的裝飾作用。（m）前翼子板 必須有一定的剛度和耐壓度，由于其結構形式，所以不能采用加強結構。所以把加強襯在里面或者加強鋼板的厚度。使用用消聲材料和附件的降噪材料以減輕噪聲，鋁合金材料由于其質量較輕所以被越來越廣泛地應用。3.3 發(fā)動機艙布置的分析 整車最重要的組成部分當屬發(fā)動機。 發(fā)動機艙、乘客室、后備箱、前艙中是汽車動力總成和與其相關的系統(tǒng)主要

37、部署位置。 發(fā)動機艙中，承載部件為左右縱梁，通過合理設計將系統(tǒng)的部件通過集成設計與車身發(fā)動機艙合理的連接在一起，從而完成整車的設計要求。 發(fā)動機艙中最主要的部件是動力總成，在完成動力總成的布置以后才能進行其他部件的布置。 圖3.4 發(fā)動機艙是布置圖 車身尺寸是其布置的主導因素，設計過程中，車身的尺寸受到眾多因素影響，整車長寬、輪距、軸距、前后懸的尺寸都會影響到發(fā)動機艙的可用尺寸。寬度和輪距影響其橫向尺寸。而在縱向，前懸長度、發(fā)動機艙蓋高度和駕駛員的腳的位置是主要影響因素。4基于雪弗蘭科邁羅車身的建模 汽車車身建立工作量巨大，由于設備條件以及個人水平的限制，本人采用CATIA軟件的三視圖畫法，即

38、先通過Sketch Tracer模塊將事先準備好的科邁羅四十圖準確地導入立體空間內。這種畫法精度相對于“點云”數據畫法相差較大，但是本人已經盡力而為了。4.1 軟件介紹 本次設計采用的是世界領先CAD/CAM軟件CATIA。在其發(fā)展的二十多年的里，CATIA一直在汽車、航天領域占據著統(tǒng)治地位。此外，在造船、機械制造、電器、電子制造等行業(yè)有著強勁的發(fā)展勢頭。一些國際大公司如波音公司、寶馬公司都主要使用CATIA軟件。國內的一汽、二汽、上汽都將CATIA作為設計用主流軟件。4.2 曲面的特點和原理4.2.1 A級曲面A級曲面車身外圍的可見曲面，它對連接的要求很高，一般曲面間的接縫要在0.005mm

39、以下，并且各曲面間的切率改變率需要在0.005度以下。而曲面之間的連接則必須滿足G2以上的連接。此次設計曲面基本上都屬于A級曲面。4.2.2 CATIA曲面造型原理 CATIA包括線框和曲面造型WSF模塊，它是基于特征的方法提供了高效、直觀的設計形式。主要包括兩種方法1、貝塞爾曲線和曲面2、B樣條曲線和曲面。雷諾公司工程師貝塞爾發(fā)明了一種適合汽車設計的系統(tǒng)被雷諾公司正式采用。這種曲線被稱為貝塞爾曲線。其形式主要是對給定的多邊形進行逼近形成曲線，如下圖所示 圖3.1 利用特征多邊形做對應曲線貝塞爾曲線和曲面都受單一參數多項式的限制，難以建造更加復雜的曲線和曲面。在貝塞爾曲線的基礎上，Gordon

40、、Riesenfeld和Forrest研究出了B樣條曲線，這種曲線不但具備貝塞爾曲線的所有優(yōu)點，而且還能夠設計更加復雜的曲線和曲面。B樣條的數學表達式：K-1次B樣條曲線的基函數。B樣條曲線的定義：通過這個公式我們可以得知：想要確定第i個k階B樣條Ni，k（t）需要用Ti，Ti+1.Ti+k共k+1個節(jié)點，這個區(qū)間成為支撐區(qū)間。B樣條曲線具備的性質：A） 局部支撐性B） 權性C） 微分公式B樣條曲面能夠做到曲面片體之間的G2連接，并能做到二階導數連接。4.3 車身的建模 綜合的分析科邁羅車身曲面，是由大量復雜曲面結合連接而成。這些曲面主要包括：光滑曲面，點連續(xù)平面。汽車的外殼繪制過程，幾乎全部

41、使用的是A級曲面。由于個人水平以及時間限制，建立的A級曲面難免有一部分不符合要求。 本次使用三視圖法進行建模并結合雪佛蘭科邁羅用戶手冊進行建模工作。真正的汽車設計過程中，工程師使用使用三維坐標儀對完成的油泥模型進行掃點程序，生成點云數據，再通過三維軟件進行建模。本次設計四視圖采用網絡資源，難免有一些誤差。大致流程如下。曲面接合構造曲面繪制三維輪廓線三視圖導入車身合理分割 圖3.2 設計流程圖4.3.1 三視圖的導入 進入CATIA的Sketch Tracer模塊，導入四視圖，并進行對齊設置，以保證建模師據準的相對準確。圖3.3 利用Sketch Tracer模塊導入三視圖4.3.2 對車身進行

42、合理的分塊 車身是眾多曲線和曲面的結合體，因此車身建模過程十分復雜，對車身進行合理的分塊，能夠簡化工作內容提高工作效率。分塊需要符合以下幾個原則：a) 盡量的減少分塊；b）分成的塊應該是個CATIA軟件的使用；c）杜絕異形的曲面。根據眾多工作者的經驗，可以將車身劃分為翼子板、保險杠、側面、發(fā)動機蓋、車頂等幾個部分。4.3.3 車身輪廓線的繪制利用三視圖法建模的時候，曲面質量受曲線質量影響很大。因此，曲線連接至少使用G連續(xù)，及時進行光順檢測。圖4.4 輪眉輪廓線的繪制及曲率的分析4.3.4 車身曲面的建立 A）在freestly模塊下進行曲面的建立。圖3.5橋接倆輪眉之間的車身 當將車身的每一塊

43、都完成，利用填充，橋接和多截面掃掠等命令將完成的曲面連接成一個整體，如下圖：圖3.7完成半個車身的建模車身局部如倒車鏡、門把手等則需要通過Imagine&Shape模塊進行建模。圖3.8車把手建模圖3.9 倒車鏡建模 此時，調用創(chuàng)成式外型設計中的鏡像功能將車身鏡像過來就可以得到整個車身了。圖3.8 科邁羅整車然后使用CATIA中的專用模塊完成其他車身覆蓋件如圖。圖3.9添加覆蓋件科邁羅整車B）曲面分析及時分析曲面品質以確保建模準確性。圖3.10 曲面分析完成車身覆蓋件后，使用車身自帶的材料庫對車身進行材料的添加，最后完成渲染后如圖。 圖3.10 渲染后整車 此外，需要對車身一些部件進行

44、建模，以便于后期有限元分析。圖3.11發(fā)動機蓋圖3.12后保險杠圖3.13前保險杠圖3.14翼子板圖3.15上進氣格柵圖3.16下進氣格柵5 車身有限元分析 隨著CAE技術逐漸成熟，汽車的開發(fā)過程正向著全程樣機仿真的形式發(fā)展，這樣可以極大的減少原形車的實體的實驗次數，降低成產成本并提高研發(fā)的效率，而汽車車身的有限元分析也是車身設計流程中不可缺少的一部分。5.1 軟件介紹 本次設計中使用到是一款應用非常廣泛的有限元分析軟件ANSYS，它的應用非常廣泛。 這次設計中主要使用的是ANSYS中的LS-dyna以及Workbench平臺，在軟件中，ANSYS有兩種建模形式，一種是由頂向下，另外一種是自下

45、而上。除此之外，ansys與眾多三維建模軟件建立了接口，可以直接將建好的三維模型導入進去。 通過ANSYS的網格劃分的功能，可以對模型進行科學地劃分，再賦予模型載荷以及約束，以完成高質量的有限元分析。5.2.1 建立有限元模型 ANSYS軟件中自帶著建模的模塊。但是車身曲面相當復雜，要在ANSYS中完成建模工作量巨大，而且相當不方便。不過ANSYS軟件與許多主流建模軟件都建立了接口，可以直接把這些建好的模型導入到ANSYS再進行后期的分析。將模型導入到ANSYS中以后，可以通過ANSYS中定義其各種參數如密度、彈性模量、泊松比等，之后需要劃分網格劃分網格，施加約束和力，最后再完成所需要的有限元

46、分析。5.2.2 模型的簡化原則 車身結構相當復雜并且不規(guī)則。因此在ANSYS有限元分析過程中需要適當的簡化模型。簡化模型，可以提高工作效率，并且在誤差允許的范圍內得出相對準確的數據。a）簡化原則1）模型正確可靠2) 模型符合分析類型3) 模型經濟性 。b)常見模型。1） 加強筋 加強筋的主要作用是增加強度，它的質量很輕可以忽略不計。所以，在進行剛度分析的時候可以忽略加強筋的存在，但局部分析和固有頻率分析時，加強筋是必須考慮在內的。2） 圓角和倒角 對于圓角或倒角尺寸大于10mm的，在生成單元的時候會是兩排，小于10mm的，則生成一排單元。而更小的話則只延伸一條邊到5mm。圖4.1加強筋的簡化

47、圖4.2 過渡圓角的簡化3） 孔孔狀結構多存在于鈑金件上主要用于滿足裝配和工藝。分析時，如線束孔、螺釘孔和鉚釘孔此類不影響分析的孔是可以忽略不計的；有一些孔則會在網格劃分時對整個分析產生很大的影響，因此，這些孔是不可以忽略不計的。通過經驗總結，直徑小于10mm的孔直接刪掉，直徑大于60mm的孔要按標準的單位尺寸劃分。方形孔或者橢圓形孔等其他類型的孔也可以按照這種方式處理。圖4.3孔的簡化4) 翻邊 翻遍是車身結構中常見的用于定位的形式，通常采用焊接或者螺栓來進行連接。5) 連接方式模擬 焊點是當今汽車部件連接的手段之一，這些焊點的存在直接影響汽車的質量。與此同時焊點會傳遞力，因此靜態(tài)分析的時候

48、，焊接的模擬會影響扭轉剛度，所以其模擬方法主要有兩種：1是節(jié)點對節(jié)點2：單元對單元。前者會引起應力集中的問題，后者比較理想，但是工作量特別大。c) 模型轉換和幾何清理 建模軟件和分析軟件由于側重點的不同，模型導入之后可能會出現數據重疊、錯位、縫隙等缺陷，此外可能還有數據接口方面的問題，幾何清理成了不可或缺的步驟。這個過程需要注意以下幾點：1) 類似的點合并、替換；2) 缺面應修補；3) 碎面應合并；4) 錯誤重新劃分；5) 適當的壓縮；5.2.3 完成有限元模型上一章內容已經完成了整車、翼子板、保險杠、發(fā)動機蓋的建模。這些模型導入到ansys軟件中去，需要進行網格劃分以及相關參數的確定，建立出

49、以下有限元模型。圖4.4導入CATIA模型圖4.5保險杠有限元模型圖4.6翼子板有限元模型圖4.7后保險杠有限元模型圖4.8發(fā)動機蓋有限元模型5.4 靜力學分析 CATIA建立三維模型都是片體，不具備厚度，是不能進行受力分析的。我們可以通過ANSYS中賦予厚度。圖4.9 導入模型 通過對導入ANSYS的模型賦予厚度以及其他相關數據，再進行網格劃分， 建立出以下有限元模型。在汽車車身開發(fā)過程中，靜力學分析是必不可少的過程，車殼、車架、車粱、等部件的強度和剛度校核都會用到靜力學分析。應用ANSYS中靜力學分析工具箱中的StaticStructural，主要工作流程為：建立有限元模型建立工程項目導入

50、集合模型修改材料數據查看結果求解圖4.10靜力學分析流程圖5.4.1 材料屬性 轎車材料屬性主要有以下幾種類型：表4.1幾種常見材料屬性材料抗拉強度（MPa）彈性模量（GPa）密度（/m）泊松比16Mn4805202007.8-90.3SPHC-P3002057.8-90.27SPCC3192107.85-90.28DC52D+2F3002087.85-90.255.4.2 載荷工況的分析汽車的工作狀態(tài)下會承受各種各樣的載荷，這些載荷主要包括彎曲應力、扭轉應力和側向、縱向載荷。汽車正常工作狀態(tài)下承受的載荷載一般有以下幾種。a靜止或勻速的時候主要是自重。b在加速、減速和轉彎的時候力的方向由加速度方向決定。c.在發(fā)生正面撞擊的時候水平方向的力施加給了保險杠和發(fā)動機蓋。d.在發(fā)生側面碰撞，垂直方向的力施加給了翼子板。5.4.5 分析） 建立項目并定義屬性 通過查閱資料肚餓定材料是SPHC-P這種材料，這種材料被廣泛用于汽車車身，它的屬性是抗拉強度是300Mpa，屈服220Mpa，彈性模量205Gpa，密度7800kg/立方米，泊松比0.27。） 對各部件進行分析） 發(fā)動機蓋自重形變 設定一個發(fā)動機板質量12kg，固定一側，對另一側施加25N的力