正向工程设计汽车基本流程解说

正向工程设计汽车基本流程解说

【3D动力网】主要介绍汽车正向造型设计流程：（1）概念设计（2）三维造型设计（3）工程结构分析（4）设计完成！

一、引言

从1886年，德国人卡尔·费利特里奇·本茨发明第一辆以汽油发动机为动力的三轮车开始，到1959年，日本丰田公司在美国建立工厂，世界汽车工业从萌芽期到高速发展期，汽车已经成为了社会生产、生活中不可或缺的组成部分。

一百多年以来，汽车产品的研发、设计模式也随着工业设计、工程设计和制造方式的变更不断发展、演变。特别是近几十年来，世界汽车市场加速一体化，竞争日趋激烈，客户需求日益多元化，汽车产品的T（时间）、Q（质量）、C（成本）和S（服务）成为了制胜的关键因素。同时，制造工业领域的数字化产品研发技术发展迅猛，产品的设计和研发模式迅速从手工模式、部分手工模式向全数字化模式发展。作为制造工业技术的先行者，汽车业迅速引入大量数字化产品研发技术，并将传统研发和设计模式与三维数字化技术相结合，逐步建立了现代汽车设计与研发流程。数字化研发技术给汽车工业注入了新的活力，使汽车产品的研发周期大幅度缩短，对市场需求的响应能力迅速提高，同时改善了汽车研发的质量、降低了研发成本。反过来，数字化技术在汽车工业的广泛应用，推动了数字化技术的进一步成熟、发展，仿真分析、逆向工程、数字化功能样机和虚拟现实等新型数字化技术都有汽车工业的痕迹。

汽车产品的数字化研发离不开高性能的计算机硬件平台，特别是三维数字化设计技术的应用，更与计算机的图形性能息息相关。早在80年初，三维设计技术已经出现并具备了一定的实用价值。但是，当时个人计算机的硬件性能还不能满足三维应用的需求，三维设计软件必须在UNIX小型机上运行。这使得三维技术的可用性不高，而成本却非常高。90年代中晚期，个人计算机的兴起及性能的迅速提升，使三维数字化技术在汽车工业的应用进入了高速发展期。

图1 汽车设计的全面数字化已经是大势所趋 二、汽车概念设计和造型设计阶段

对于大多数人来说，欣赏和选择一辆汽车，除了性能因素之外，汽车的外观造型是最关键的考量标准。对于消费者而言，汽车也许是一件完美的艺术品。但对于汽车设计师而言，汽车则是典型的工业产品。设计师必须在消费者调查、市场调研、竞争对手分析及企业制造能力分析的基础上，确定设计对象的市场定位，进而确定造型设计的方向。

在确立造型设计的方向后，设计师将采用手绘的方式设计概念草图和效果图。尽管概念设计有相应的数字化工具可以使用，但大多数设计师在思考阶段还是习惯手工方式。数字化工具往往在方案确定后，用于正式效果图的绘制和三维造型设计。

图2 设计师采用手绘方式建立概念草图

基本方案确定后，设计师开始利用数字化设计软件建立概念草图和三维造型。这个时候，本文的主角登场了。建立概念草图和三维造型最为常用的软件是AutodeskAliasStudiotools。Alias是目前世界上最主流的工业造型设计软件，可以说是全球汽车业的行业标准设计工具。设计师利用Alias软件的

Studio/paint、Design/Studio、Studio、Surface/Studio和AutoStudio等5个功能部分，完成从草图绘制到造型的所有概念造型创建工作。

图3 汽车数字化造型

在概念造型阶段，由于模型的复杂程度不高，没有复杂的内部结构，而且以曲面、线框模型为主，因此，与AutodeskAliasStudiotools相互协同的最佳专业显卡是QuadroFX1800和QuadroFX3800。

图4 利用硬加速检验曲面光顺性

图5 用于测试的轿车模型（渲染模型截图为局部） 三、汽车工程设计

汽车设计是非常复杂的系统工程，Alias概念造型设计仅仅是个开始，后续的工程设计才是决定汽车整体性能和安全性的关键步骤。在工程设计阶段，工程师需要考虑汽车的车身结构、制造工艺性、空气动力学特性、人机工程特性、材料特性、声学特性和光学特性等诸多因素。利用Alias软件建立的三维造型为汽车的工程设计部门提供了第一轮造型信息，工程部门可以据此进行详细的结构设计，围绕三维模型开展白车身工程、内外饰工程、底盘工程、电气工程和动力总成工程等详细工程项目。

汽车工程设计最主要的两个软件是CATIA和NX。CATIA是世界上最完善的大型三维CAD/CAM一体化设计软件，由于其功能全面，又经过航空工业用户的长期磨砺，特别适于设计子系统众多、结构复杂的产品，汽车设计是CATIA的主要应用领域之一。UGNX进入汽车行业也非常早，通用汽车就是UG最大的用户，很多汽车发动力制造商使用UGNX设计和辅助制造产品。NX与CATIA一样，具有丰富的功能，在吸收了I-DEAS之后，其在逆向工程、CAM加工和设计分析、验证等方面有其独到之处。UGNX目前的最新版本是6.0，而CATIA的主流版本是CATIAV5R19（新版本V6用户群还很少）。

我们采用操作脚本，在UGNX和CATIA中进行三维模型的实际操作，捕捉连续动作的帧数。对于UGNX6，我们特别增加了实时着色测试。NX6引入的Trueshade（真实着色）功能，帮助用户实现高质量的动态模型可视化，可以选择多种环境、光源下的真实感材料贴图。

图6 Trueshade改进了模型的可视化效果

CATIA和NX对显卡的要求其实并不高于AliasStudiotools2010，但是，CATIA和NX所需处理模型的复杂程度往往高于Alias。以整车设计而言，Alias模型仅仅具备外观造型信息，而CATIA下的模型就包括整车结构、电气布线、动力总成等几乎全部产品信息。因此，利用CATIA和NX设计大型装配体，往往需要性能更强大的显卡。我们在测试过程中加入了QuadroFX4800。QuadroFX4800基于GT200核心，属于超高端专业显卡。QuadroFX4800几乎支持所有NVIDIA公司在专业显卡领域的专利技术，包括SLI、OS-SLI、G-Sync和HDSDI。其硬件参数如表6所示。相比QuadroFX3800，尽管几何、像素处理能力并无提高，但QuadroFX4800的显存带宽和容量进一步增加，分别达到了76.8GB/s和1.5GB，使其处理大模型的能力更强。我们可以通过下面的测试感受中端、高端、超高端QuadroFX显卡的性能差别。

CATIA的是直接使用了Viewperf10的轿车模型，这个汽车模型包含了大约210万个顶点，脚本进行矩阵复制、旋转平移等操作。

图7 CATIAV5R19的测试轿车模型

图7 Viewperf10中的NX测试模型SUV车型

尽管模型复杂程度相差不多，但几乎所有测试显卡都在NX6中吃力一些。很明显，NX6对显卡的要求要高于CATIA。QuadroFX1800在这项测试中被证明不适合NX6大装配作业，其性能不能满足要求。相比而言，QuadroFX3800基本满足性能要求，可以作为NX6大装配设计首选的图形平台。QuadroFX4800锦上添花，在Trueshade测试中表现突出。至于GeForceGTX260，除了在第一项测试中有所表现外，其他各项测试都垫底，而且帧数都为个位数，建议NX6用户如果有装配设计需求，尽量选择专业卡。