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汽車車身除了要有漂亮的外表和與眾不同的個性特征，同時還要能安全可靠地行駛，這就需要整個設計過程融入各種相關知識，包括車身結(jié)構(gòu)、制造工藝要求、空氣動力學、人機工程學等。細化開發(fā)流程與同步開發(fā)手段，對于設計出消費者認可的新車型至關重要。
汽車車身設計簡單理解是根據(jù)一款車型的多方面要求來設計汽車的外觀及內(nèi)飾，使其在充分發(fā)揮性能的基礎上藝術(shù)化。汽車車身除了要有漂亮的外表和與眾不同的個性特征，同時還要能安全可靠地行駛，這就需要整個設計過程融入各種相關的知識：車身結(jié)構(gòu)、制造工藝要求、空氣動力學、人機工程學、工程材料學、機械制圖學、聲學和光學知識。從一個靈感到最后實現(xiàn)，需要一系列的步驟。得到市場的認可，性能優(yōu)良的內(nèi)“芯”，再加上一襲新衣包裝，才是新車待嫁時。下面，讓我們看看正向設計如何為一款新車設計“嫁衣”。
項目策劃
項目策劃包括：項目計劃、可行性分析、項目決策及組建項目組等幾個方面。圖1為項目策劃階段的示意圖。
圖1 項目策劃階段示意圖
汽車企業(yè)的產(chǎn)品規(guī)劃部門必須做好企業(yè)產(chǎn)品發(fā)展的近期和遠期規(guī)劃，具有市場的前瞻性與應變能力。項目前期需要在市場調(diào)研的基礎上生成項目建議書，明確汽車形式及市場目標。可行性分析包括：政策法規(guī)分析、競爭對手和競爭車型、自身資源和研發(fā)能力的分析等。
項目論證要分析與審查論點的可行性和論據(jù)的可靠性與充分性。經(jīng)過這一階段，要開發(fā)一個什么樣的車型，類似于同行什么等級的車型，其性價比方面有哪些創(chuàng)意與特點即展現(xiàn)在我們面前。
項目策劃的最后階段是組建項目組：組建新品開發(fā)項目小組、確立項目小組成員的職責、制定動態(tài)的項目實施計劃、明確各階段的項目工作目標、規(guī)定各分類項目的工作內(nèi)容、計劃進度和評價要求。
概念設計階段
概念設計在新產(chǎn)品開發(fā)中有著重要地位，因此，新產(chǎn)品概念設計流程再造是新產(chǎn)品開發(fā)流程再造成敗的關鍵所在。一個全新的汽車創(chuàng)意造型設計分為以下幾部分：
1. 總體布置草圖設計：繪制產(chǎn)品設計工程的總布置圖（如圖2），一方面是汽車造型的依據(jù)；另一方面它是詳細總布置圖確認的基礎，在此基礎上將產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)具體化，直至完成所有產(chǎn)品零部件的設計。
圖2 某車型的總布置草圖
2. 造型設計：包含外型和內(nèi)飾設計兩大部分。
設計階段包含創(chuàng)意草圖和效果圖設計：在這一過程中，要比較競爭對手的產(chǎn)品，拓寬思路，勾畫出多種效果圖，再從中選擇較為滿意的幾種效果圖，供專家小組評審。圖3、4分別為造型設計階段的草圖與效果圖。創(chuàng)意的過程需全面融入產(chǎn)品設計與產(chǎn)品制造的要求，這個階段要進行多方面的評審與修改，直到最后確定效果圖方案。
圖3 前期設計草圖
圖4 設計方案效果圖
3. 油泥模型制作階段
概念設計的最后階段是制作油泥模型：制作3~5個1：4油泥模型，制作小比例模型主要是為了節(jié)約成本及時間。對外觀評審后，選定其中一個制作1：1油泥模型；根據(jù)總布置圖構(gòu)建1：1的主模型線圖，接下來制作1：1的油泥模型。在制作油泥模型的過程中，還需要組織多次總布置驗證，各領域的問題都要考證造型的合理性，直到最后的油泥模型凍結(jié)。
圖5 外型油泥模型
圖6 內(nèi)飾油泥模型
產(chǎn)品設計工程階段
油泥模型凍結(jié)后，就全面進入到了產(chǎn)品設計階段。產(chǎn)品設計工程是汽車自主創(chuàng)新開發(fā)中最為重要的一步，它貫穿整個汽車開發(fā)的全過程，包括整車總體布置、汽車工程分析、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析、具體總成與零部件的詳細設計以及它們之間的相關協(xié)調(diào)工作。這一階段耗時最長，如果撇開后期的設計改進時間不算，一般需要1年左右的時間。
在產(chǎn)品設計階段，有必要讓供應商提前介入，使產(chǎn)品的設計做得更經(jīng)濟、合理。要充分利用現(xiàn)代產(chǎn)品設計的手段，加快產(chǎn)品設計進程，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。利用三維軟件對產(chǎn)品零部件進行裝配，做各種斷面與干涉檢查，使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸準確無誤；利用有限元分析軟件對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行有限元模擬分析，產(chǎn)品性能模擬分析要達到合格水平。
1. 整車總布置設計
在前面總布置草圖的基礎上，細化總布置設計，精確地描述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(jié)構(gòu)形式、特征參數(shù)、質(zhì)量要求等條件。主要的工作包括：發(fā)動機艙詳細布置圖、底盤詳細布置圖，內(nèi)飾布置圖、外飾布置圖以及電器布置圖（如圖7）。
圖7 整車總布置圖
圖8 車身造型三維數(shù)據(jù)
2. 車身造型三維數(shù)據(jù)生成
油泥模型完成后，使用專門的三維測量儀器（ATOS）對油泥模型進行測量，生成點云數(shù)據(jù)，工程師根據(jù)點云使用汽車A面制作軟件來構(gòu)建外表面（如圖8）。車身造型數(shù)據(jù)完成后，通常要用這些數(shù)據(jù)來重新銑削一個樹脂模型（如圖9），目的是驗證車身數(shù)據(jù)。
圖9 重新銑削一個樹脂模型
3. 主斷面設計
主斷面設計作為車身設計中的一項重要工作，被越來越多的車身設計團隊認可，通過主斷面設計可以前瞻性的將車身結(jié)構(gòu)的設計方案呈現(xiàn)出來，最大限度地指導詳細設計（如圖10）。
圖10 主斷面圖
4. 白車身設計
汽車車身工程是目前世界汽車工業(yè)中研究最活躍、發(fā)展最迅速的一個領域。汽車白車身是汽車其他零部件的載體，是以“鋼結(jié)構(gòu)”為主的支撐部件，它是一個復雜的體系，其零部件數(shù)量眾多、結(jié)構(gòu)復雜，制造成本約占整車的40%~60%，通常有300~500多個形狀復雜的薄板沖壓零件（如圖11），在55~75個工位上大批量、快節(jié)奏地焊接而成。
圖11 某轎車白車身結(jié)構(gòu)設計
轎車車身結(jié)構(gòu)設計是以車身造型設計為基礎進行車身強度設計和功能設計，以期最終找到合理的車身結(jié)構(gòu)型式的設計過程的統(tǒng)稱，其設計質(zhì)量的優(yōu)劣關系到車身內(nèi)外造型能否順利實現(xiàn)和車身各種功能是否能正常發(fā)揮。所以，它是完成整個車身開發(fā)設計的關鍵環(huán)節(jié)。
結(jié)構(gòu)設計必須兼顧造型設計的要求，同時應充分考慮諸如結(jié)構(gòu)強度、防塵隔噪性能以及制造工藝等多種設計要求。優(yōu)良的結(jié)構(gòu)設計可以充分保證汽車整車質(zhì)量的減小，進而達到改善整車性能、降低制造成本的目的。
完成車身結(jié)構(gòu)設計首先需要明確車身整體的承載形式，并對其做出載荷分析，以便能使載荷在整個車身上分配合理。在此基礎上，進一步做出局部載荷分析，確定各梁的結(jié)構(gòu)形式和聯(lián)接方式。因通常轎車存在使用目的和級別上的不同，故常常會產(chǎn)生具體結(jié)構(gòu)上的差異，最終導致它們在功能和價格上的差別?？傊嚿斫Y(jié)構(gòu)設計是一個涉及到多方面因素的綜合工程設計問題，常成為車身設計開發(fā)中的難點。
5. 內(nèi)外飾工程設計
（1）內(nèi)飾件設計
轎車的內(nèi)飾件設計包括：轎車車廂的隔板、門內(nèi)裝飾板、儀表板總成、扶手、地毯等零部件和材料。相對于車上其他部件而言，雖然它們對車輛的運行性能沒有什么影響，但其面目一覽無遺，代表了整部車子的形象，孰優(yōu)孰劣，決定著轎車的聲譽、檔次以及人們的選擇意向。另外，對于轎車來講，雖然內(nèi)飾件只是一些輔助性的零配件，但它們要承擔起減振、隔熱、吸音和遮音等功能，對轎車的舒適性起到十分重要的作用。
（2）外飾件設計
汽車外飾件設計包括：前后保險杠、散熱器罩、前后外擋泥板、擾流板、玻璃、車門防撞裝飾條、行李架、天窗、后視鏡、車門機構(gòu)及附件以及密封條。
6. 工程分析階段
在國外，很多大汽車設計公司建立高性能的計算機輔助工程分析系統(tǒng)，其專業(yè)CAE隊伍與產(chǎn)品開發(fā)同步地廣泛開展CAE應用，在指導設計、提高質(zhì)量、降低開發(fā)成本和縮短開發(fā)周期上發(fā)揮著日益顯著的作用。CAE應用于車身開發(fā)上成熟的方面主要有：剛度、強度（應用于整車、大小總成與零部件分析，以實現(xiàn)輕量化設計）、NVH分析（各種振動、噪聲，包括摩擦噪聲、風噪聲等）、機構(gòu)運動分析等；而車輛碰撞模擬分析、金屬板件沖壓成型模擬分析、疲勞分析和空氣動力學分析的精度有進一步提高，并已投入實際使用，完全可以用于定性分析和改進設計，大大減少了這些費用高、周期長的試驗次數(shù)；虛擬試車場整車分析正在著手研究。此外，還有焊裝模擬分析、噴涂模擬分析等。
在我國，CAE技術(shù)在汽車設計上的應用也很廣泛，提高了設計的效果和效率。
樣車試制和試驗階段
1. 樣車試制階段
樣車試制是驗證與完善產(chǎn)品設計的一個過程。樣車的試制要嚴格按照設計數(shù)據(jù)進行，要能夠切實反映產(chǎn)品的本來面貌，以便發(fā)現(xiàn)真實存在的問題。盡管現(xiàn)在擁有先進的設計手段，包括工程計算、工程仿真與模擬等，但樣車的試制和相關試驗是一定要進行的，因為產(chǎn)品的諸多細節(jié)問題在設計階段是無法提供全面的數(shù)據(jù)，并加入工程計算體系的。目前的車身試制手段主要有中熔點、鑄鐵簡易模、工序件等。
2. 樣車試驗階段
試驗要嚴格按照國家相應的標準進行，真實地出具相應的試驗報告，為產(chǎn)品的確認與修改提供依據(jù)，為今后產(chǎn)品的正式投產(chǎn)鋪平道路。在樣車試制階段，設計人員要經(jīng)常跟蹤產(chǎn)品的試制工作，清楚了解現(xiàn)場的進展情況并及時處理可能出現(xiàn)的問題，這對產(chǎn)品的設計修改十分有利。產(chǎn)品的測試報告反映產(chǎn)品的現(xiàn)實狀況，是今后該新車型上目錄的重要依據(jù)，要符合國家法規(guī)與各項強制性檢查與試驗標準（如圖12、13）。
圖12 道路試驗
圖13 碰撞試驗
生產(chǎn)準備階段
這一階段包括產(chǎn)品工裝的設計與制造、產(chǎn)品檢查與調(diào)試設備的準備、工裝夾具的驗證、生產(chǎn)線的調(diào)試等。生產(chǎn)準備的全面完成將一直持續(xù)到試生產(chǎn)乃至批量生產(chǎn)階段。在進行樣車試制的同時，要著手進行相關的生產(chǎn)準備工作。車身開發(fā)，從某種意義上講不容許產(chǎn)品設計有重大的修改，所以從產(chǎn)品設計的開始，每一步都必須考慮成熟。在產(chǎn)品設計部門不斷地向生產(chǎn)準備部門提供設計文件的同時，生產(chǎn)準備方面也可根據(jù)自身的專業(yè)設計要求與產(chǎn)品設計人員及時溝通，這將對產(chǎn)品設計和生產(chǎn)準備起到共同的促進作用。
批量生產(chǎn)
這一階段主要聯(lián)合供應商進行質(zhì)量控制，將新車的整車質(zhì)量打造得盡善盡美，為新車的上市做好準備。
目前，中國的自主品牌在追趕國外先進水平，開發(fā)的程序與手段大同小異，如何在這條道路上加快我們追趕的速度，細化開發(fā)流程與同步開發(fā)手段無疑是我們的有效方法。
汽車逆向設計全程解析與案例講解
眾所周知，車身的開發(fā)它需要大量資金的積累、技術(shù)的積累、人才的積累。我國汽車業(yè)尚沒有形成很強的研發(fā)能力，很多專家認為：過去多年我們走的開發(fā)思路，一是完全自主開發(fā)，一切從零開始，這種開發(fā)思路實踐證明不成功，因為我們沒有那么大規(guī)模支持，更沒有那么多的技術(shù)、管理積累；二是圖省事，簡單"拿來主義"，購買技術(shù)，這樣技術(shù)永遠掌在別人的手里，不可能形成自主開發(fā)能力。
逆向工程技術(shù)就是迅速解決提升我們汽車車身研發(fā)水平重要手段之一。我們提升汽車自主開發(fā)能力，趕上世界水平唯一的辦法，必須采取站在巨人的肩膀上，要消化、吸收、改進、創(chuàng)新。韓國、曰本都曾經(jīng)走這條路，他們不是簡單的把別人的車拿來裝配，而是真正地消化、吸收，通過消化、吸收學習，縮短與世界水平的差距，逐步培養(yǎng)起自己的自主開發(fā)能力，因此成為今天的汽車開發(fā)世界強國。
逆向工程技術(shù)正是消化、吸收先進技術(shù)重要方法之一，尤其在車身開發(fā)方面，逆向工程技術(shù)是送我們走上巨人肩膀的強大武器。我們福田公司車身開發(fā)人員正是利用這先進技術(shù)開展了歐曼重卡車身的研發(fā)，并取得了成功。
一、逆向設計的概念
逆向工程（ReverseEngineering-RE）是對產(chǎn)品設計過程的一種描述。
在工程技術(shù)人員的一般概念中，產(chǎn)品設計過程是一個從無到有的過程，即設計人員首先在大腦中構(gòu)思產(chǎn)品的外形、性能和大致的技術(shù)參數(shù)等，然后通過繪制圖紙建立產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型，最終將這個模型轉(zhuǎn)入到制造流程中，完成產(chǎn)品的整個設計制造周期。這樣的產(chǎn)品設計過程我們稱為“正向設計”過程。逆向工程產(chǎn)品設計可以認為是一個“從有到無”的過程。簡單地說，逆向工程產(chǎn)品設計就是根據(jù)已經(jīng)存在的產(chǎn)品模型，反向推出產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)（包括設計圖紙或數(shù)字模型）的過程。從這個意義上說，逆向工程在工業(yè)設計中的應用已經(jīng)很久了。早期的船舶工業(yè)中常用的船體放樣設計就是逆向工程的很好實例。隨著計算機技術(shù)在制造領域的廣泛應用，特別是數(shù)字化測量技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于測量數(shù)據(jù)的產(chǎn)品造型技術(shù)成為逆向工程技術(shù)關注的主要對象。通過數(shù)字化測量設備（如坐標測量機、激光測量設備等）獲取的物體表面的空間數(shù)據(jù)，需要利用逆向工程技術(shù)建立產(chǎn)品的三維模型，進而利用CAM系統(tǒng)完成產(chǎn)品的制造。因此，逆向工程技術(shù)可以認為是將產(chǎn)品樣件轉(zhuǎn)化為三維模型的相關數(shù)字化技術(shù)和幾何建模技術(shù)的總稱。逆向工程的實施過程是多領域、多學科的協(xié)同過程。
作為一種新產(chǎn)品開發(fā)以及消化、吸收先進技術(shù)的重要手段,逆向工程和快速原型技術(shù)可以勝任消化外來技術(shù)成果的要求。它們的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)產(chǎn)品設計開發(fā)模式,大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)的時間周期,提高產(chǎn)品研發(fā)的成功率。
當今，各個行業(yè)越來越注重產(chǎn)品的外觀設計，以此來吸引顧客，最終在商業(yè)上取得成功。這點在消費產(chǎn)品的設計中體現(xiàn)的尤為突出。特別是手機、數(shù)碼相機、汽車等行業(yè)。
二、順、逆向工程在設計流程中的比較與分析
逆向工程，顧名思義與順向工程的設計流程不同，其過程是依靠已經(jīng)存在的零件或是產(chǎn)品原型的表面所得到的資料來建立3DCAD模型，而不是透過設計圖。
圖1：兩個設計流程的主要差別在于傳統(tǒng)的順向工程是概念設計、產(chǎn)品規(guī)范到產(chǎn)品設計圖，而逆向工程則是由測量到的資料來反推得到3DCAD模型。
如圖1所示，其兩個設計流程的主要差別在于傳統(tǒng)的順向工程是概念設計、產(chǎn)品規(guī)范到產(chǎn)品設計圖，而逆向工程則是由測量到的資料來反推得到3DCAD模型。順向的產(chǎn)品開發(fā)程序是設計師依據(jù)產(chǎn)品企劃時所定的規(guī)劃與設計構(gòu)想，繪制草圖及效果圖，并且依據(jù)效果圖制作手工模型，或以建構(gòu)CAD幾何模型，最后進行NC或RP（RapidPrototype）的加工程序。然而導入逆向工程設計程序后，設計師仍是依據(jù)產(chǎn)品設計企劃時所定的規(guī)范與設計構(gòu)想，但效果圖或精細描繪則已不是必備的程序了，取而代之的將是直接運用逆向工程對PU泡沫或油土模型進行點資料掃描，并交由CAD系統(tǒng)進行編修與重建，最后進行NC或RP的加工程序，從開發(fā)角度看，這個流程中可以明顯發(fā)現(xiàn)順、逆向工程的差異如圖2所示。
圖2
單純?nèi)鞒棠嫦蚬こ虝a(chǎn)生以下問題：資料量大、調(diào)取數(shù)據(jù)麻煩、曲面定位（Location）、曲面的連續(xù)性控制等。采用混合式設計流程，僅需要對修改部分作局部逆向工程快速重建、從而能縮短整個設計制造的程序。如圖3所示。
圖3
三、逆向設計的基本流程
圖4 汽車設計項目實際流程
逆向工程是將實物轉(zhuǎn)變?yōu)镃AD模型的數(shù)字化技術(shù)、幾何模型重建技術(shù)和產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱，逆向工程是汽車產(chǎn)品開發(fā)的新方式。目前基于CAD/CAM系統(tǒng)的數(shù)字掃描技術(shù)為實物逆向工程提供了有力的支持，在進行數(shù)字化掃描、完成實物的3D重建后，通過NC加工就能快速地制造出模具，最終注塑得到所需的產(chǎn)品，通過逆向工程技術(shù)，在消化、吸收先進技術(shù)的基礎上，建立和掌握自己的產(chǎn)品開發(fā)設計技術(shù)，進行產(chǎn)品的創(chuàng)新設計，是提高汽車設計能力和制造效率的捷徑。
逆向工程的簡單過程是：利用數(shù)字化掃描設備掃描實體模型，將數(shù)據(jù)導入計算機，利用逆向工程軟件處理獲取的點云數(shù)據(jù)，行程曲線、曲面、實體模型，對實體模型進行修正，形成最終的三維模型。相比正向建模，逆向工程建模的速度更快，效率更高。逆向工程隊對計算機處理器、內(nèi)存和顯卡的性能有綜合要求，特別是要保證實時數(shù)據(jù)采集和處理，必須配置較高的內(nèi)存和性能強大的顯卡。
1、逆向工程的結(jié)構(gòu)體系
逆向工程系統(tǒng)主要由三部分組成:產(chǎn)品實物幾何外形的數(shù)字化、CAD模型重建、產(chǎn)品或模具制造。逆向工程中的關鍵技術(shù)是據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和模型的重建。
逆向工程流程圖
(1)數(shù)據(jù)采集
數(shù)據(jù)采集是逆向工程的第一步,其方法的得當直接影響到是否能準確、快速、完整地獲取實物的二維、三維幾何數(shù)據(jù),影響到重構(gòu)的CAD實體模型的質(zhì)量,并最終影響產(chǎn)品的質(zhì)量。
圖6 數(shù)據(jù)采集
(2)數(shù)據(jù)處理
對于獲取的一系列點數(shù)據(jù)在進行CAD模型重建前,必須進行格式轉(zhuǎn)換、噪聲濾除、平滑、對齊、歸并、測頭半徑補償和插值補點等處理。
圖7 運用CATIA軟件進行數(shù)據(jù)處理
(3)模型重建
將處理過的測量數(shù)據(jù)導入CAD系統(tǒng),依據(jù)前面創(chuàng)建的曲線、曲面構(gòu)建出原型的CAD模型。
圖8 重新建模
簡單理解汽車逆向設計流程：拿到實物產(chǎn)品----進行產(chǎn)品公析抄數(shù)------抄數(shù)機進行抄數(shù)數(shù)據(jù)文件STL格式-----Surfacer或Geomagic進數(shù)據(jù)處理格式為igs------進行Pro/E等三維軟件中進行繪圖，當今主要流行的三維CAD軟件如UG、IMAGEWARE、CATIA、I-DEAS、Pro/Engineer。
四、實例講解
（一）逆向工程技術(shù)及其在福田重卡車身開發(fā)中應用
數(shù)據(jù)處據(jù)工作流程：對掃描數(shù)據(jù)進行處理→拼合掃描點云→以點云產(chǎn)生初步的表面→對雜訊點進行處理、刪除→根據(jù)處理后的點云以及零件特征，進行零件三維曲面、結(jié)構(gòu)重建，得到零件的三維數(shù)學模型和線架構(gòu)圖。下面以福田重卡前圍某零件為例說明。
圖9 拼合后的掃描點云圖10掃描點云生成初步的表面
圖11 刪除雜訊點后的掃描點云
圖12 根據(jù)點云建立零件的三維數(shù)學模型和線架構(gòu)
文中主要針對目前設計流程布局規(guī)劃合理性進行了探討。結(jié)合實際項目中所遇到的障礙和問題，提出順、逆向工程相結(jié)合的觀點，從而達到優(yōu)化設計流程，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期的目的。順、逆向工程的結(jié)合不僅可以解決設計流程中的設計與實體模型互動問題，也為設計師的概念發(fā)散提供了一個可靠的實物平臺。在后續(xù)研究中，將更多考慮新興技術(shù)，非接觸掃描技術(shù)，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的進一步應用。在整個設計流程中，將虛擬與現(xiàn)實之間的時時互動作為一個應用重點。部分取代現(xiàn)有實體模型，從而進一步縮短研發(fā)周期。提高產(chǎn)品競爭力。來源：騰訊汽車
