第23卷第4期河北工业科技Vol.23,No.4 2006年7月Hebei Journal of Industrial Science and Technology J uly2006
文章编号:100821534(2006)0420224204
马文胜1，郎宝珠2，刘 卫3
(1.河北交通职业技术学院汽车系，河北石家庄 050091;21河北省财政厅信息中心，河北石家庄
050051;3.河北科技大学网络技术学院，河北石家庄 050018)
摘 要：针对现代汽车车身的作用及结构特点，分析了车身设计的要求与特点，并介绍了传统车身设计方法，论述了基于CA X的现代汽车车身设计方法———逆向工程，此方法在汽车设计理念、数学建模中具有快速、高效的特点。
关键词：车身设计；汽车外形；逆向工程技术
中图分类号:U462.2 文献标识码:A
Modern automobile bodywork designing technique
MA Wen2sheng1,L AN G Bao2zhu2,L IU Wei3
(1.Department of Automobile Engineering,Hebei Jiaotong Vocational and Technical College,Shijiazhuang Hebei050091,Chi2 na;2.Information Center,Treasury Department of Hebei,Shijiazhuang Hebei050051,China;3.College of Network Technology, Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang Hebei050018,China)
Abstract:The paper introduced modern automobile bodywork function and its structure features;analyzed the requests and traits in automobile bodywork design;introduced traditional of techniques automobile bodywork design.Modern automobile bodywork design is based on CAX modern automobile bodywork design technique:converse project,which has the trait of speediness and high efficiency in concept and mathematics modeling.
K ey w ords:automobile bodywork design;automobile shape;converse project technology
车身是汽车的四大总成之一，随着汽车服务领域的不断扩大和需求日益多样化、个性化，车身设计已后来居上逐渐占据主导地位。据统计，客车、轿车和多数专用汽车的车身质量约占整车质量的40%～60
%；货车车身质量约占整车质量的16%～30%；而各车型车身的制造成本占整车的百分比甚至还略高于上述给出的上限值[1]。从节能、节材等几个方面来看，车身设计的潜力则更大。
国内外汽车生产的实践充分说明：整车生产能力的发展取决于车身的生产能力；汽车的更新换代在很大程度上也取决于车身；在基本车型达到饱和
收稿日期:2006201204；修回日期:2006203212
责任编辑：李 穆
作者简介：马文胜(19662)，男，江苏灌南人，讲师，主要从事计算机制造及加工工艺方面的研究。的情况下，只有依赖于车身改型或改装才能打开销路。
1 车身的作用及结构特点
车身的主要作用是载运乘客或货物，相当于临时住所或流动仓库，是一个受到质量和空间限制的活动建筑物，其详细作用因车而异。就轿车车身而言其作用概括起来有以下5点:1)实现整车功能;2)为乘客提供舒适的乘坐环境;3)为乘客提供安全保护;4)减少空气阻力;5)增强轿车的美观性。
车身的特点主要体现在车身的涉及面广、车身材料种类多、车身造型发展迅速等几个方面。车身的结构
特点主要在于组成车身外形的各个零部件(即所谓的车身覆盖件)的材料薄、尺寸大、形状复杂且多为自由曲面。
2 对车身设计的要求与特点分析
车身设计包括对车身各项内容的设计，其总体要求是在实现相应功能的前提下力求造型美观，性能(舒适性、安全性、可靠性、视野性、乘坐与装卸方便性、操纵方便性等)良好、具有良好的空气动力特性、制造容易、维护装拆方便[2]。
在外形和结构上，车身壳体(特别是轿车车身壳体)是由许多具有空间曲面外形的大型覆盖件(如顶盖、翼子板和发动机罩等)组成。对整车外形来说，既要求其整体协调给人以美感，又必须保证必要的流线型。在设计这些大型覆盖件时，对互换性和装配准确度也有较严格的要求，必须保证其工艺性要求。因此，要求车身表面上的各点(空间坐标)连成的曲线必须在纵向和横向2个截面上反复协调以使之光顺[3]。传统的设计方法就不得不规定车身图样必须采用坐标网格来表示，但即使如此，也无法单纯依靠图纸准确完整地将其表达出来，而必须辅以实体模型。也就是说，对车身这样复杂的空间曲面外形需采取一整套特殊的实物(如外形样板和主模型等)模拟和“移形”(模拟量传递)的办法来表达。在产品设计、生产准备和投产等阶段中，实物可以补充图样的不足，保证成套工艺装备(模具和装焊夹具等)之间乃至零部件之间的协调验证。以上这些特点决定了车身设计有别于汽车上的其他总成而自成一套体系的工作方法，这种方法及其思想也成为逆向工程的起源，迄今为止，车身设计也是逆向工程应用最多、最成熟的领域之一。
3 传统车身设计方法
传统的车身(外形)设计过程见图1。它分为初步设计和技术设计2个阶段。整个设计过程从制作1∶5油泥模型和全尺寸的立体模型开始，然后设计人员根据油泥模型手工绘制所有的车身图纸和模具加工图纸[4]。设计过程遵循由外及内、由模型到图纸的顺序，设计中通过实物、模型、图纸和样板来传递信息。这种车身设计方法存在以下缺点:1)油泥模型上任何细微的改变都将直接导致主模型和大量图纸的修改，由此产生的修改设计极其繁琐和艰辛。特别是由于车身覆盖件的装配关系是一环紧扣一环的，而车身图纸又都按坐标来标注尺寸，所以即使是局部外形和尺寸的改动，也会产生连锁反应,“牵一发而动全身”，导致制图工作的大量返工。在普通机械的设计工作中，制图工作约占整个工作量的50%～60%，而在传统的车身设计工作中，设计者们的绝大部分时间都在从事这种繁琐的、重复性的工作。2)在进行设计和生成准备的各个环节之间进行信息传递时不可避免地存在“移形”误差，导致精度低。
3)设计周期长，成本高。传统车身设计需要工程技术人员、美工人员及工人的共同协作，每一个环节还会耗费大量的时间和金钱。4)产品的通用化及系列化程度低，这是显而易见的
。
图1 手工车身设计流程
Fig.1 Handwork design flow of automobile body
4 基于CAX的现代汽车车身设计方法一般认为，基于各种计算机辅助技术(CA X)的车身设计方法为现代车身设计方法，它通常可分为概念设计(Concept design)和工程设计(Engineer2 ing design)2个阶段[5]，笔者仅讨论工程设计中的有关问题。
采用CA X的现代车身设计过程见图2，它的一个主要工作是利用计算机辅助几何设计(CA GD)方法来进行车身几何造型设计，即在计算机上建立一个雕塑车身的模型，可以从它的表面任意处得到所有的曲线和曲面信息来进行设计和分析,
这个模型
图2 计算机辅助车身设计流程
Fig.2 Flow chart of computer aid design on car body
522
第4期 马文胜等 现代汽车车身外形设计方法
将被作为一个主模型来取代传统车身设计中的立体模型[6]。从图2中可以看到，现代汽车车身设计方法保留了传统设计中美工雕塑人员常规使用的方法，即用手工方法绘制效果图、雕塑缩比油泥模型，然后利用三坐标测量技术对车身油泥模型的表面数据点进行测量。根据这些数据，设计师在计算机中建立一个近似于真实模型的数学模型[7]；然后根据要求对模型进行相关的修改，进行结构分析和设计；最后将计算机建立的车身模型直接用于车身覆盖件模具的设计和加工。这种设计方法使得结构设计、有限元分析和模具加工共享统一的车身设计数据库和图库，确保数据和图形的传递准确无误，而且设计、工艺和检验人员使用同一数据资源，既方便又准确[8]。由于采用这种设计方法不仅效率高，缩短了设计和制造的周期，而且提高了设计精度，因而在车身设计中的应用越来越广泛和深入。
现代汽车车身设计方法的特点主要体现在:1)以计算机中的三维实体模型代替传统设计中的主模型，从而
把大量人力从绘图、取样板、制表面、做模型等繁琐的劳动中解放出来。2)提高了汽车产品规划时的可信度，使设计、工艺、模具设计和制造人员更好地协同工作。3)充分发挥了计算机运算速度快和精度高的特点，极大地提高了汽车车身设计的效率，缩短了开发周期。目前用于车身设计的各种CAD/ CAM系统都能够根据三维实体模型自动生成二维的车身图纸和用于数控加工的代码。同时当三维模型发生任意微小的改变时，系统都会自动地修改与之相关的图纸和数控代码。由此可见，在整个车身设计的过程中，所有的模块都是相互关联、相互影响的。车身设计人员可以充分发挥他们的设计思想，不断地完善和改进三维车身模型，至于其他繁琐的绘图和修改工作都将由计算机自动完成。4)现代车身设计方法可对车身造型进行优化设计，利用CAD/CAM软件提供的强大的实体造型功能，能够构造出更逼近于现实、更形象直观的车身三维模型。设计人员经过对各种造型的类比，从中挑选出一种集多项优点于一“身”的最为理想的设计方案。而其余的车身模型也被保存在一个车身数据库中，以便于将来对车身进行各种改型设计。同时该数据库还实现了车身零件的通用化和序列化。各大汽车公司采用这种方法后不仅减少了车身设计的成本，而且使得汽车产品在激烈竞争的汽车市场中具有更强的竞争能力。
在计算机辅助车身设计中需要用一组数学方程来描述所要求的车身外形，同时做1条完全通过或逼近给定值点的光滑曲线，通常称为曲线拟合(Curve fitting)，实际上就是按曲线选择公式的问题。目前，广泛采用B样条法。由于B样条法具有诸多优良性质，使得它与Bezier等方法相比，具有更强有力的造型功能；因B样条曲线曲面的连续阶升高而局部性降低，所以在计算机辅助设计中多采用低次B样条曲线曲面。
尤其是非均匀B样条曲线曲面，由于它可以通过参数轴上节点分布的调整控制曲线曲面的形状，特别是端点重节点和内部重节点技术，使得复杂曲线曲面的一次拟合和插值成为可能，因而非均匀B样条曲线曲面被得到最广泛的应用[9～13]。
在实际的车身计算机辅助造型过程中，除建立曲线曲面的数学模型外，还有相关曲线曲面的拼接过渡、曲线曲面的相交、特征线的生成、三角域的生成、曲线曲面的寄生和延拓以及图形变换与消隐显示等技术。
目前广泛应用于车身计算机辅助造型的工程软件系统主要有:CA TIA,ALL AS,Pro/E,U G,EU2 CL ID等。
图3、图4为车身计算机辅助造型的2个实例。
图3 轿车车身表面数学模型
Fig.3 Mathematics shape model of car body
图4 正在构建中的车身表面模型
Fig.4 Constructing of car body shape model
5 逆向工程在车身设计中的作用
无论是传统设计还是现代设计，逆向工程都是其中的主要方法，这一特点是由车身设计自身的要求和特点决定的。
622河 北 工 业 科 技 第23卷
在车身设计中，逆向工程的作用具体表现在以下4个方面:1)要使油泥模型准确地再现在设计与制造中，从而让设计师的创作理念能完全表现出来，必须借助逆向工程;2)设计中对车身模型进行的各种CA E 分析，必须依靠由逆向工程建立的车身数学模型才能进行;3)逆向工程技术的发展，能够消除油泥模型制造中的一些制作，使建立的计算机车身模型更加光顺，从而为提高车身整体设计质量打下基础;4)依靠逆向工程建立的车身数学模型，可实现数控加工设备对车身覆盖件的快速加工，并保证加工质量[14,15]。参考文献:
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(上接第223页)2.4 样品含量测定
取本品适量，精密称定。用流动相溶解并定量稀释成质量浓度为0.2mg ・mL -1的溶液作为供试品溶液；另取C HP 对照品适量，精密称定，用流动相溶解并定量稀释成质量浓度为0.2μg ・mL -1的溶液作为对照品溶液。取样品及对照品溶液10μL ，分别注入液相谱仪，记录峰面积，按外标法计算样品含量，见表3。
3 结 论
本法操作简便，弥补了没有C HP 测定方法的不足，测定结果准确，并可同时检测有关物质，适用于产品质量控制。
表3 有关物质测定结果
Tab.3 Examination of related substances 批 号
w (CHP )/%
w (42氯二苯基
溴甲烷)/%
04072299.360.3404072899.420.2804072999.220.3804080699.010.39040807
99.39
0.33
参考文献:
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《河北工业科技》顺利通过2005年度年检
2006203215—2006204230河北省新闻出版局依据中华人民共和国新闻出版总署颁布的《期刊出版管理
规定》对河北省地域内所属行政管理的期刊进行了认真年检，由我河北科技大学主办的《河北工业科技》在期
刊审读和核检的各类项目中，均以满分或高分顺利通过了2005年度年检，该成绩的取得是与广大作者、印刷出版者的大力支持分不开的，是编辑部全体人员积极工作的结果，今后全体编辑人员将会更加奋发努力工
作，使《河北工业科技》的办刊质量不断迈上新台阶。
(本刊编辑部)7
22 第4期 马文胜等 现代汽车车身外形设计方法
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