汽车造型设计研究

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汽车造型设计是汽车产品开发至关重要的环节，好的汽车造型可以迅速激发消费者购买欲望，也能快速提高企业的品牌形象及产品竞争力．汽车造型一般包括美学造型和气动造型，美学造型决定车身外观，气动造型则决定汽车的气动性能．气动性能优异的汽车不仅节能环保还能增加汽车在行驶时的安全稳定性，然而现代汽车设计更多的将美学设计放在首要位置，空气动力学放在了次要位置，空气动力学在汽车造型过程中只得到有限运用．由于美学造型和气动造型两者思维及方法都截然不同，因此如何有效的将两者结合起来是一个极具挑战的任务．

1基于理想形体的汽车造型方法

传统汽车造型方法是以造型设计师的二维草图为基础的，工业设计师将脑海中造型概念及创意通过手绘草图或者着色效果图表达出来，反复推敲直到造型方案确定．此后进入油泥模型阶段，工程人员在油泥模型上不停修改车身外形直到第一次油泥模型确定，然后会对油泥模型进行风洞实验验证其空气动力学性能．通过风洞试验数据空气动力学工程师对造型方案提出有限的修改方案，经过多次修改直到整个造型方案最终完成．基于理想形体造型方法以汽车空气动力学整体优化为目标，以低阻力系数为造型的起点．低阻力系数形体一般为轮廓规则简单的三维实体，而汽车由大量不规则自由曲面组成，如何将“丑陋”的理想形体变成漂亮的汽车外观需要三维草图进行过渡．三维草图是一种基于CAD平台、位于立体空间的概念草图，它由三维特征曲线组成，能够像二维草图一样表达出车身的造型风格，也可以支持三维视角观察，其草图曲线可以自由编辑并能融入工程信息。本文在传统造型设计方法和基于理想形体造型设计方法的基础上提出了一种兼顾美学和气动造型的设计方法．该方法以理想形体为起点，美学造型为手段，三维草图为造型平台，能够将美学造型和气动造型有效的结合起来。

2基于理想形体汽车造型实例

以理想形体为造型起点，以三维草图为平台，以美学造型为技术手段设计一辆轿跑车，并利用空气动力学对其气动性能进行验证。

2．1理想形体的选择

理想形体应该具有气动阻力小并且其外形应该能够适合汽车造型（如人机工程学、一定的美观性、实用性等），本文通过之前空气动力学项目的经验构建了如下的理想形体。理想形体需要进行空气动力学验证，由于条件有限只能在计算机上进行模拟仿真．首先对理想形体进行封闭然后对其进行网格划分，最后导入到FLUENT中进行仿真．进过计算得到理想形体的阻力系数为0．18，结果较为理想．从整体的理想形体轮廓来看其前部空间大后部空间小，因此可以将其设计为单排座椅、发动机前置的布置要求．

2．2基于理想形体的造型三维草图

理想形体得到之后应该抽取其轮廓特征线作为气动造型的特征曲线，提取特征线时尽量保证每块曲面的最初特征线如轮廓线、扫描线、脊线等，然后通过曲面之间的连续性将轮廓线融合最后得到整个理想形体的三维草图．理想形体三维草图并不具有美观性，需要将车身美学元素融入到理想形体的草图之中．美学造型一般根据三视图进行造型，因此应将美学设计中的二维设计通过投影的方法融入到理想形体的三维草图中．手绘图案是二维形态，不能直接在三维空间中进行修改和编辑，因此要将设计的前脸二维图案进行曲线编辑，然后根据传统设计中的投影方法将二维手绘图案定向投影到理想形体的轮廓进行融合．具体方法是将前脸图案的曲线转换成可编辑的三阶四次NURBS曲线，然后向理想形体进行定向投影．在前脸方案定型之后，接下来将要考虑侧脸方案以及后尾灯整体造型的融合了．加入其它的附件，然后对整个融合草图进行适当的修正得到整车的三维草图。

2．3基于三维草图的汽车曲面造型

有了三维草图这个气动造型与美学造型的交融平台，就可以利用三维草图进行曲面轮廓的建立．本次造型采用CATIA中ACA及FFS模块进行建模，通过三维草图搭建轮廓并保证相关曲面的连续性．为根据三维草图简历的整车模型，为了后面分析的需要，模型进行了简化及封闭处理．在根据三维草图得到车身的曲面轮廓之后，根据设计者的爱好或者风格进行详细的设计，如车灯、前脸、尾灯、后视镜等．分别为本次设计的三维数模以及渲染效果图．

3空气动力学验证

理想形体气动阻力系数Cd＝0．18，将验证以该理想形体为造型起点设计的方案的气动性能．在进行CFD模拟仿真之前需要对模型经行处理，封闭进气格栅、车身底盘以及面与面之间的缝隙，对一些影响网格质量的地方进行圆化处理，车轮设置凸台等．将处理后的模型导入ANSYS－ICEM进行网格划分，为了更好模拟汽车车身气流分布，设置车身周围流场分别为车身长宽高的12，8，6倍．在车身表面拉伸3层三棱柱网格来模拟车身表面层流运动．在关键区域加密并设置网格密度盒来保证仿真精度．将网格导入到ANSYS－FLUENT软件中，选择高雷诺数的k－ε湍流模型，边界条件设定为速度入口（v＝40m／s）、压力出口边界、滑移地面。车身表面气流较为平滑，上侧气流和两侧气流在尾部分离后形成两个对称的湍流．从仿真分析结果来看，阻力系数为0．275，对于没有添加气动附件的轿车造型来说是比较理想的结果，后期可根据仿真结果修改造型进一步降低其风阻系数．

4结束语

本文在传统美学造型的基础上提出了一种将气动造型和美学造型结合起来的方法，以理想形体为造型起点，以三维草图为造型平台，以美学造型为技术手段进行气动、美学结合造型，提出了该方法的具体设计流程．并以实例介绍了如何实现气动造型和美学造型的结合，并通过模拟仿真验证了这种造型方法的优点及可行性，该方法能够充分发挥汽车的空气动力学性能．

作者：陈杰 黄妙华 单位：武汉理工大学汽车工程学院