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汽车车身结构与设计北京理工大学机械与车辆学院林程教授王文伟副教授陈潇凯副教授2016第四章车身概念设计第一节车身美术造型设计一、概述(一)车身造型设计的特点汽车的造型是科技与艺术的完美结晶，是一个时代工业水平的综合反映，也鲜明地折射出这个时代的社会政治、经济和文化形态。车身造型是汽车设计的先行环节之一，也是汽车设计的重要组成部分。车身造型设计属于工业设计领域，是工程技术和造型艺术在汽车产品上的有机结合。车身造型已成为消费者选购汽车的重要参考因素，日益受到汽车生产商的高度重视。(二)车身造型设计的分类根据汽车的部位及作用，车身造型设计可以分为以下几种：1)外形造型设计：主要设计车身外部的基本形状和保险杠、前照灯等主要部件的形状。2)室内造型设计：主要进行车室内部空间的整体及仪表板、座椅、内饰等的设计。3)色彩造型设计：车身颜色、室内总体色彩的设计，以及内饰材料、织物花纹样式等的设计。4)零部件造型设计：车辆上的附属件、功能件及其他零部件的造型设计，如轮辋、后视镜、手柄等外饰件和转向盘、音响等内饰件。5)标志设计：汽车所使用的品牌标记、车名标识及室内各种装备等标识设计。(三)车身造型设计的基本要素单从造型本身来说，决定车身造型设计的基本要素主要是品牌、车型和风格。1、品牌汽车品牌的重要特征是存在一个清晰的、明确的品牌识别性。汽车品牌是一种基于可识别性的“设计”，称为品牌基因(BrandDNA)。品牌基因可以通过“几何特征”和“语义特征”来表达和应用。品牌基因的语义特征表达品牌的“造车”理念，可由一组核心形容词描述；品牌基因的几何特征表达一种品牌的造型特征和风格特征。汽车前围造型是品牌基因的主要载体，许多知名品牌的造型特征都集中在汽车前围的几何特征上。一个连贯一致的品牌表达的是汽车品牌构建的核心。汽车品牌是汽车企业的重大无形资产，品牌价值是汽车最重要的附加值。2、车型车型是以汽车的功能、用途和相应结构形式为基础的分类，在造型上直接反映了汽车结构布局到汽车造型的映射关系。车型特征是汽车造型识别的感知基础，是汽车造型最基本的功能属性和感知属性。GB/T3730.1—2001将汽车分为乘用车和商用车两大类。乘用车最常见的分类是轿车和广义多用途车。前者可分为两厢车(掀背式)和三厢车；后者包括MPV(多用途车)和越野车及轻型货车、SUV等。国际上轿车根据车长及轴距分为A级、B级、C级、D级、E级等。不同企业根据产品平台采用不同的品牌管理和型谱管理策略。车型的发展趋势车型是汽车研发中非常活跃的因素，其发展趋势有：1)大多数传统以轿车为主的汽车制造厂商逐步扩展到多功能车的领域。2)多功能车尤其是SUV的种群扩大，且车型界限变得模糊。3)新的跨界车型不断出现，如本田CRV等。车型特征具有造型上的抽象性和具象性，越野车的硬朗和粗犷、跑车的动感和速度感与轿车的舒适温馨和豪华感，都是车型特征对外观造型的直接映射，既有车型尺寸和整车布置的几何特点，又有形面和特征线的造型特点。汽车的侧围造型（侧面轮廓）是车型信息的主要载体,汽车侧围是整车造型设计的基础和出发点，称为侧围包络设计。3、风格风格是指外观形式，但更强调外观形式所表现的观念内涵。风格的符号性多于理性，如流线形风格就是用风格来表现设计师对空气动力学和现代航空工业的直观感受，因此流线形作为风格，它的符号性远远超过严格理性意义上的空气动力学原理。风格是多义的，是对某一类设计的统称，而不是一个固定的模式，如同样是流线形风格也可能有传统和现代之分。风格是汽车外观造型影响最重要，也是最具时尚性的元素。汽车风格是汽车文化、民族文化、消费文化和审美品位共同作用的结果。汽车风格中有基于车身结构形式分类，有基于造型流派的分类，有民族文化的映射，也有品牌文化。(四)车身造型设计的要求使汽车具有完美的艺术形象使汽车具有良好的空气动力性能使汽车车身具有良好的加工工艺性使汽车具有良好的适用性应考虑材料的装饰效果二、车身造型发展历程与趋势(一)车身造型发展历程1、马车形车身2、厢形车身（标准化、流水线）3、流线形车身（空气动力学）4、船形车身（人机工程学）5、鱼形车身6、楔形车身奔驰发明的第一辆汽车戴姆勒发明的四轮汽车1899年宝马公司的第一辆车1908年福特T型车1937年大众甲壳虫汽车2011款福特V8(1949年)鱼形车身甲壳虫形与鱼形车身比较2011富康轿车(二)现代车身造型发展趋势更加注重美学造型和气动造型的结合更加注重造型的个性化更加注重内外造型对乘坐舒适性和安全性的满足新材料、新工艺将会对汽车造型产生深刻的影响小型化与轻量化将会成为未来汽车发展的趋势电动化与智能化将会改变现有车身的造型三、车身造型方法和流程一般的车身造型主要包括以下过程：草图构思、效果图设计、胶带图设计、计算机辅助造型设计(CAS)、模型制作、模型测量和线图设计，同时在造型过程中还要进行必要的空气动力学分析(CFD)以检验车身造型的空气动力学性能。草图构思根据目前同类车型的对标情况,总结出造型的发展趋势,并结合假想用户的审美情趣,确定主要的造型元素和风格。效果图设计效果图由具有工业造型技术能力的开发人员完成,采用水彩、彩铅、素描或CAD等方式绘制，分为车身外形效果图和车身内饰效果图。胶带图设计胶带图是指用不同宽度和不同颜色的胶带在标有坐标网格的白色图板(一般为薄膜图)上，粘贴上模型轮廓的曲线和线条，将汽车整个轮廓、布置尺寸、发动机位置、车架布置及人体样板都显示出来。由于胶带可以随时粘贴或撕下,因此胶带图也可以随时修改，十分方便。CAS设计计算机辅助造型设计(CAS)的主要工作是对造型表面进行数学建模，要求CAS模型能准确表达轮廓线、特征线以及曲面间的相互关系；表面顺畅，曲面结构简洁、准确；根据模型用途不同进行不同程度的模型细化。模型制作模型制作是造型过程中最重要的一个环节，对于一些特别重要的车型，在前期还要制作小比例模型。模型材料主要采用油泥和树脂两类。油泥模型多以手工制作为主，树脂模型多以数控铣加工。模型测量和CAD建模通过三坐标测量机对全尺寸模型进行测量，得到模型上离散的点集，将点集数据输入计算机，通过专门的CAD设计软件建立整个车身的表面数学模型。CAD曲面建模的一般步骤包括：分析及处理测量数据；提取并编辑特征线及主断面线；确定构造曲面模型的框架、分块及分缝线；创建四边界主曲面；对主曲面进行光顺检查；构造造型特征区域及圆角区域；对曲面模型进行整体检查及调整；对曲面模型进行最终的完善。评判准则主要有三条：一是车身A级曲面数学模型与造型模型要具有准确的吻合度；二是车身A级曲面数学模型曲面要具有高质量的光顺性；三是车身A级曲面数学模型各部件间结构的准确性要满足输入的各项条件及要求。CFD分析利用CAD模型进行CFD分析，能够及早发现造型方案中存在的缺陷，获得最佳的空气动力学特性，缩短车身开发时间和成本。四、车身造型的美学基础汽车造型的艺术性，是通过造型设计师的创作反映到汽车的形体上的，造型设计师需要采取完美的艺术形式去反映一定的思想内容。即用高度的艺术技巧把正确的审美观和思想感情表达在汽车的艺术形象上。(一)整体感、比例规律和线形组织整体感：重复表现、主次分明比例规律：协调的比例线形组织：比例曲线重复、有组织的线条(二)车身造型的动感采用仿生学方法使汽车的外形与自然界的运动物体的外形相似。使汽车具有流畅的线条和光顺的车身表面。强调水平划分线和削弱垂直划分线。人的视觉规律人的视觉常常受物象吸引力的支配而变化，在车身造型时要充分考虑这一点。人会把物象感知为歪曲的形象，形成错觉。白色的图形比同样尺寸的黑色的图形看起来要大些，光滑的表面比同样尺寸的粗糙的表面看起来大一些，饱和红色的图形比饱和蓝色的同样尺寸的图形看起来要小一些。浅色车漆可以避免太阳把车身晒得过热，而且还可以缓和高光点与车身色彩的强烈对比。为了使汽车显得矮而长和重心低而稳，常常将汽车下部喷上深色车漆；如果要使汽车显得短而轻，其下部可喷上浅色车漆。(三)车身表面的光学艺术效果车身表面就像一面光亮的镜子，必须按照球面镜的光学规律去分析其反射效果。曲线过渡得不光顺的车身，其光学效果差。研究车身的光学规律，不仅是为了检验车身是否光滑，更重要的是赋予汽车合理的形状。(四)汽车的色彩设计首先要考虑的是主色调，即选择正确的色彩去反映主题思想。汽车其他各部分的色彩，应围绕主色调进行变化，以达到多样统一的效果。室内的色彩设计，要在保证驾驶人操作方便的基础上减少疲劳，并给乘客营造出舒适、闲静的休息环境。此外，要注意室内色彩和外部色彩的关系，使之围绕汽车的主色调进行变化。因此，室内色彩的明度和纯度都不宜过高，在设计时应注意以调和为主。为了避免刺目的光线反射，仪表板通常采用黑色或深暗的色彩，并避免装置会分散驾驶人注意力的饰物。地毯色彩的明度和纯度都应较低，纹样不应层叠累赘，并避免与底色有明显的对比。顶篷的色彩对人的心理影响较大，既不应一般用中等明度、中等纯度或明度稍高、纯度稍低的色彩较为适宜。座椅的色彩要与顶篷、地板相互协调，但有时可采用纯度略高的色彩使室内稍微增添活跃的气氛。采用深色的侧窗玻璃会增加室内娴静的气氛。五、车身造型特征(一)车身造型特征在一款车型的开发中，基于相同的车身结构布置，通过所表现出的不同造型，如腰线、前照灯、尾灯、侧面轮廓、轮罩、侧窗等，可以表达不同的设计概念与不同的造型方案。车身造型特征认知部位重点(二)车身造型特征线1、造型特征线线条既包含了可以联系点和面的重要造型信息，又没有了点的琐碎及面的冗余，因此线在对造型特征的表达中比点和面都更有优势。汽车草图的表达主要涉及三种特征线形：顶端线(CrownLine)：汽车侧面轮廓线。造型线(FormLine)：汽车造型块面（如侧窗、风窗等）的轮廓线。区域线(AreaLine)：面与面的边界线。2、典型车身造型特征线分析顶端线车身的顶端线是从侧视角度观察到的位于车身顶部、体现车型的空间曲线，属于侧面轮廓的一部分，该形线带有汽车风格造型信息。顶端线是草图和建模的起点，对车身造型风格与类型产生重要的影响。三厢车中顶端线夹角对造型风格的影响腰线汽车的腰线带有汽车外观意象信息，能够增强车身侧围刚度，它是在侧窗下沿线下方与之成一定夹角的空间曲线。在概念草图中腰线总是会被着重考虑，设计师认为腰线是汽车连通前后围造型的关键，是气韵和光感流动的表达。因此，一般把腰线归为主要特征造型。腰线基本类型归类(三)车身比例汽车设计是从侧面开始的,侧面的车身比例分为：整体比例、前后比例和上下比例，这些比例对汽车的外形有着重要影响。1、整体比例：用轴距除以车高，便可得到汽车的整体比例值。三厢轿车C柱与行李舱盖的关系对于三厢车现在普遍采用的方法是将A柱、C柱与车顶的交角模糊处理，让原本的三根线条“无缝对接”形成一根长线条，使车顶不再孤立存在，车身更流畅，整体感更强，并从视觉上形成向后的延伸感。(三)车身比例2、前后比例与发动机的布置型式有关，与轿车级别和风格有关。(三)车身比例3、上下比例从发动机盖与前窗的交接点引出一条水平线，将车身分为上、下两个部分即为上、下比例。如今的轿车A柱和C柱倾角在增大。为了保证车顶有足够的长度，便将车窗整体上移，但车高不变，躯干的高度也随之被动增加，上、下比例值由此变小。上下比例的变化示意图大众捷达车造型如今车窗变窄、躯干加高似乎不可避免。车窗变窄会影响视野，躯干加高则会使车身显得短。为了解决这对矛盾,大众汽车捷达采用了以下办法：将侧窗下沿线降低，使侧窗面积得到保证；从前灯到尾灯组之间拉出一条贯穿前后的肩线，从视觉感受上降低躯干的高度，并与车身下方的裙线合力“削薄”车肚。第四章车身概念设计第二节空气动力学基础一、概述•汽车空气动力学是研究汽车与空气运动之间相互作用规律以及气动力对汽车各性能影响的一门学科。•汽车空气动力学特性是汽车的重要特性，它直接影响着汽车的动力性、燃油经济性、操纵稳定性、舒适性和安全性。•其重要性在于：在确定汽