車身設計的演變和發(fā)展

人們總習慣以藝術的觀點欣賞汽車的外型，而汽車猶如一個個流動的精度建筑物游戈在道路上，優(yōu)美的車身往往給人留下難以忘懷的印象。事實上汽車的車身造型是一個時代社會政治、經濟和文化等多方面生動的綜合反映，也鮮明拆射出這個時代的整個工業(yè)水平及完備程況。特別是汽車制造工業(yè)水淮的高低。1913年以前，從汽車誕生起，汽車車身千遍一律是木質馬車的改型，直到1915年世界上才出現(xiàn)第一輛由美國巴德公司為道奇轎車制造的全鋼車身，從此汽車車身跨進金屬結構的時代。那時能獲的一輛封閉式車身的汽車就是用戶的最大心愿。30年代流行箱式大車身，那時車速很低，設計師不需顧慮空氣阻力的大小。四、五十年代軍車大出風頭，為了打贏第二次世界大戰(zhàn)，各式戰(zhàn)爭用車，如吉普、牽引車、富秋莎炮車紛紛涌向戰(zhàn)場。60年代汽車在保持大功率的同時，車身開始講究安全性。70年代的能源危機使小巧玲戲的輕型轎車狠狠地賺了一筆，把曰本等推上了經濟大國的地位。80年代車身設計師要兼顧動力性、排污性及經濟性等多方面的要求。隨著電子技術的廣泛使用，結構緊奏強度高的流線型轎車現(xiàn)已大量行駛在道路上。展望未來，進入21世紀后，各種具有鮮明個性特征、多姿多采風格各異的轎車將會展現(xiàn)在世人面前。當代轎車車身已由傳統(tǒng)的車駕式結構向整體無架結構式轉化，這是一種緣于飛機的應力薄殼結構，質輕而強度非常高。與車架式車身相比，重量減輕了400KG以上，而車身內部空間切絲毫未減少，甚至還有擴大。現(xiàn)代車身設計師有了更優(yōu)質的材料和加工手段可選用，如超輕型高強度薄板鋼材、合金鋁材和各式塑料件，先進的加工工藝如三維激光加工等。當然現(xiàn)代車身也被要求具有高得多的防撞抗沖擊的能力，以及更嚴的清潔性，舒適性和智能性的要求，并要求給人以更美的藝術感受?？傊?，汽車車身是設計師的語言和藝術品，也是設計水準的最高檢驗。車身設計造型涉及諸如空氣動力學，人體工程學、制造工藝學、美學、計算機圖形學、結構學、材料學等等學科，它是一種技術和勞動密集型相結合的產品，它的制造成本約占汽車總成本的一半，其設計成本比重在整車總設計中已屬最大頭，所以車身設計成為制約著汽車制造和新車型開發(fā)的關鍵。設計車身時，首先想到的是如何處理各神曲率不同的復雜空間曲面，涉及曲面的建模、編輯、裁剪及平滑連接過渡等問題。過去傳統(tǒng)的設計過程一般分為初步設計與準確技術設好兩個過程，需經歷1:5小油泥模型、等尺寸油泥模型及樣車制造等階段。其中還必須經過多次的模型和實車的風洞阻力試驗，工作極其繁瑣艱辛，周期長達5年甚至更長，同時存在開發(fā)成本高、產品通用化系列化程度低和積累誤差大等缺點。隨著計算機的技術進步和廣泛使用，在車身設計中現(xiàn)已大量使用功能強的計算機技術，如曲面造型能力很強的美國計算機UG軟件系統(tǒng)，就為車身進行CAD/CAE/CAM設計提供了極良好的基礎。FEM有限元的車身設計導流式車身造型設計從汽車行駛速度造成的空氣阻力來看，汽車的百年發(fā)展史，其實質就是汽車如何克服氣動阻力的發(fā)展過程，車身的造型進步則生動的演繹著這個變化經歷?？梢院敛豢鋸埖卣f，在與氣動阻力作斗爭過程中推動了汽車車身的進步和開發(fā)。從最初的箱式車身發(fā)展到四十年代的甲殼式車身，就是得到當代空氣動力學在飛機機翼設計應用中的啟示而開發(fā)出來的，其氣動阻力系數(shù)比箱式車身大幅度的下降了15-20百分點，達到0、45-0、5的水平，把車速一下子解放到60-70km/h。但隨著車速進一步提高，發(fā)現(xiàn)凸起的甲殼蟲車身尾部，在汽車行駛時將會形成較大的旋渦流區(qū)，使汽車不適宜作高速行駛，不過在當時這已經是一個很大的飛躍了。隨后幾十年的技術進步，轎車車身跨越了〃船形〃車身的時代而演變到后來較低矮的〃魚脊型〃車身（圖二）。由于汽車的質心下降，車身的外曲面十分流暢，這使得車身的穩(wěn)定性大大增強，抗側風能力亦得提高，尾部旋渦區(qū)域明顯減小，直到當今的大多數(shù)轎車車身仍基本上是沿用這種造型。隨著轎車更高性能的要求和行駛速度更進一步提高，四處流逸的空氣流在車體底部，鉆進不同的形狀的機件內，猶如一個個小小的漏斗和風篷，嚴重的阻礙汽車快速前移，并且氣流還會使車體底部產生如飛機翼般的向上舉升力，在汽車高速行駛時會較大的降低輪胎對地面的抓地能力，嚴重影響車輛的轉向操縱的控制性能，并使牽引力顯著下降，出現(xiàn)象行駛發(fā)飄等敝病。通過空氣動力學對各種造型的深入研究，以及更大功率更大直的風洞出現(xiàn)和大量汽車模型的實驗，一種更理想的楔型車身造型出現(xiàn)在汽車市場，也就是行話稱為〃子彈頭〃式的汽車。這種形狀的車身就象高速行進的利斧把迎面來的氣流劈成上下兩部分。因為車身有一個微微向下彎曲的尖形頭部，外形又十分光滑流暢，使車身下部氣流會產生一個負升力，而車身上部沿車體輪廊的層狀氣流被理順得分明勻稱，而車尾的渦流則大為減少，造成車身表面氣體壓強分布較均衡，有助于解決氣動阻力與氣動升力的矛盾?？朔塑囕喿サ啬芰p降的弊端，有效的提高了高速氣流下的轉向陽花操縱穩(wěn)定性，增大了抗側風能力及直線行駛的穩(wěn)定性。為了克服普通魚脊式轎車在高速行駛時車前端的提升上舉力，應用氣體導流式原理有助于問題的解決，解決的方案并不復雜：一是保持車體底部的平衡，二是在轎車的前保險桿下方固定一條較寬的裙幅式風板，盡量減少流往車底的氣流。在車體的上下氣流差的作用下，增大了車頭的下沉力，能有效克服轎車行駛轉向系的發(fā)飄、操縱性能變壞的現(xiàn)象。同理，在車后部為克服因為尾窗的層流及渦流對尾底平流的壓力差而形成的車尾舉力，人們在尾部添裝了狹窄并微上翹曲的擾亂，以平衡壓力差，解決了高速行駛時車尾的懸浮現(xiàn)象。實驗證明，這種擾流板對降低油耗還有一定的益處。氣流造形的開發(fā)研究著重點是最優(yōu)化設計，大體上可分為兩方面的技術工作：一是氣動造形的局部最優(yōu)化設計，另一方面是氣動造形的整體最優(yōu)化設計。前者任務是確定車身的基本造形，必須達到車身的制造工藝學、人體工程學、美學及其他相關學科的各方面要求，并在此基礎上進行車身的局部修改，增加空氣動力附加裝置，實現(xiàn)減少氣動阻力和提高行駛穩(wěn)定性的目的。而整體最優(yōu)化工作的任務則是根據高氣動穩(wěn)定性和低氣動阻力的流線型要求，最終完成實用化車型的整體布置。由于兼顧局部和整體的最優(yōu)化設計，使車身美感和科學性達到和諧統(tǒng)一，從而追求車身造型的完美性和最優(yōu)化。定制車身是發(fā)展趨勢絢麗多姿、異采紛呈、個性鮮明的車身，是二十一世紀車身發(fā)展的趨勢，這既符號人類對美學、對個性的追求。既然人類服裝由統(tǒng)一的大批量生產朝按個人身材、愛好的量體裁衣過渡；住房由千篇一律的結構和外形向按住戶的要求、選擇形式各異的造型進行建筑，那么滾滾的汽車更可以朝〃我心中想要的式樣〃制造，這才真正標志著百年的汽車技術趨于成熟，體現(xiàn)了汽車產品的最終目的。展望未來，定制汽車車身是時代的特征和潮流，顧客不但可以自己選擇車身的圖案和造形，并以此進行定制生產，體現(xiàn)鮮明的個性和多樣性。甚至將來的發(fā)展，會使汽車的性能都要服從于車身的造型，把傳統(tǒng)的〃造型服從于性能〃的原則翻了個身。目前市場上悄然興起的車身改制業(yè)務，不就生動地體現(xiàn)人類對個性、對美學的執(zhí)著追求1999年問世的凱迪拉克EVOQ依沃克概念轎車，令人耳目一新為之振奮，這種別具一格的車身造型突破了轎車傳統(tǒng)的曲面和圓滑風格，外表幾何圖形線條異常突出，交叉的平面干脆利落，輪廓線尖削凸起，體現(xiàn)出若隱若現(xiàn)的鉆石般品質和雕刻型視覺，映射出現(xiàn)代型戰(zhàn)機的形影，滿足了現(xiàn)代青年人對品質、速度、藝術和高科技的追求。現(xiàn)代著名的汽車制造商已開始把車身定制業(yè)務當作增加市場份額和與對手的基本來考慮，在經營方向和制造工藝技術上作出可積極的準備。當前車身定制業(yè)務開展有較車車身的部分定制、全部定制及定制服務三種形式。所謂定制服務是指根據車主的特殊要求，如照明設計服務、改變車身外表圖案和顏色，更換車內座椅和車內的布置裝飾，以及為音樂愛好者設計藝術動聽的音樂等等，以滿足不同車主各式各樣的個性鮮明的多種要求。FEM(FINITEELEMENTMODE)有限元法是一種隨計算機技術進步而發(fā)展起來的計算方法，對分析復雜的幾何形狀受力情況和約束情況進行較大簡化后再粗略估算，與實際情況有較大差別。FEM在車身設計上的應用，是先將車身剖分成由有限個單元組成的數(shù)以千百計的離散組合體，再運用力學原理分析每個單元的受力特性，然后組集成各個單元的特性，從而得到車身的應力場和具能有效的分析計算及模擬車身的實際受力和結構形狀的變化，以及被約束的情況等。由于有元法計算精確，計算結果更接近實際，早在50年代就開始應用于飛機的設計，取得了很成功的經驗，后來很快推廣到汽車車身及零部件的設計中。目前FEM技術無論在理論研究上或實踐指導方面都發(fā)展到成熟的階段，它在處理大型等距離微機化及增強前后處理能力方面，以及在優(yōu)化結構設計智能型有限元自動估算誤差功能等都有了較大的進展。在FEM設計過程中，轎車車身可按簡化結構建模，如車身可按簡化結構建模，如車身上可A、B柱類件均是由若干個零部件圍成的承載結構，可簡化為梁薄殼結構單元；車頂蓋和地板等板狀支承結構，可簡化為板殼結構單元；它們靠一種稱之為彈性件來連結。由于各結構元屬細分法取得，則一個車身可簡化為成千個單位件和節(jié)點所構成，以此建立有限元車身力學模型。FEM的造型設計兩種，一般可分為概念設計、過程設計及準確設計三個階段，與之相對應要建立三個FEM模型。概念設計階段也稱簡單FEM，其任務是根據車身總體設計思想和預期使用條件，經過粗略有限元模擬以取得對下步設計的指導作用和取得相關數(shù)據，它對計算機的條件和計算時間都要求較低，可快帶獲取計算結果。過程FEM階段的任務是根據上步設計數(shù)