基于理想形體汽車造型設(shè)計(jì)研究＊

陳 杰 黃妙華

（武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院 武漢 430070）

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(gòu)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［1－2］.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［3－4］.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（見圖1），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［5－6］.

圖1 傳統(tǒng)汽車造型設(shè)計(jì)方法

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)（見圖2），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.

圖2 基于理想形體的汽車造型設(shè)計(jì)方法

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（見圖3）.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］.

圖3 氣動(dòng)造型與美學(xué)造型結(jié)合方法

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，見圖4.

圖4 基于理想形體的汽車造型設(shè)計(jì)流程

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，見圖5.

圖5 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.其流程如圖6所示.

圖6 通過投影得到的整車三維草圖

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.圖7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.

圖7 由三維草圖簡(jiǎn)歷的整車曲面輪廓

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.圖8分別為本次設(shè)計(jì)的三維數(shù)模以及渲染效果圖.

圖8 經(jīng)過詳細(xì)設(shè)計(jì)的整車CAD模型及渲染效果圖

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.圖9為劃分好的網(wǎng)格，總數(shù)在1 003萬.

圖9 網(wǎng)格方案

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，邊界條件設(shè)置見表1.

表1 邊界條件設(shè)置

經(jīng)過高性能計(jì)算機(jī)計(jì)算得出以理想形體為起點(diǎn)進(jìn)行的造型設(shè)計(jì)方案的氣動(dòng)阻力系數(shù)，通過對(duì)比就可以知道以低阻力系數(shù)的理想形體為起點(diǎn)的汽車造型能得到更好的空氣動(dòng)力學(xué)性能.計(jì)算得出氣動(dòng)阻力系數(shù)Cd＝0.275，氣動(dòng)升力系數(shù)Cf＝－0.15.圖10為整車壓力分布.

由圖10可見，車頭進(jìn)氣格柵和前擋風(fēng)玻璃底部壓力最大，而前臉和發(fā)動(dòng)機(jī)罩均可以設(shè)置進(jìn)氣口來提高進(jìn)氣效率從而抵消高壓的影響.

圖11為車身表面的氣流流線圖，可以看出，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.

圖10 整車壓力分布

圖11 車身表面速度流線圖及尾部切面速度流線圖

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.

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