汽车造型特征的工程可行性分析.pdf

DIGITAL DOMAIN数字化园地2009年第5期39汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M变形刚性增强，弯曲外侧管壁材料的径向位移减小，因此成形后的d有所减小。t0/d0较小时，外侧管壁材料抵抗弯曲切向拉变形的能力减弱，如图中t0/d0=0.1的薄壁管弯曲变形后，d接近6%，与图3中对应的1Cr18Ni9Ti管d的试验测试值相比，同样变形条件下，有限元模拟结果略为偏大。从图5中产生最大短轴变化率的有限元模拟结果可以看出，该横截面上的较大等效应力分布在管材弯曲外侧。在其他弯曲变形条件相同的情况下，由于t0减小，将增大管壁材料的弯曲变形应力，有限元模拟结果显示出随t0/d0增大而减小的变化倾向对于t0/d0=0.1的1Cr8Ni9Ti薄壁管，max值超过400 MPa，已经接近材料的强度极限。管材弯曲变形过程中，弯曲内侧管壁作用有较大的切向压应力和周向压应力，但有限元切片位置选择在弯曲中心角分线附近，由于这个位置的管坯已经完成了弯曲变形，因此值较小。并且注意到，随着t0/d0增大，产生最大短轴变化率的横截面上弯曲内侧等效应力减小。4 结论 (1)弯管外凸侧材料受到弯曲切向拉应力作用产生径向位移和管壁变薄，形成弯管横截面短轴。而所谓弯管横截面长轴位于弯曲切向应力变号的应力中性层附近，径向变形非常小。因此，弯管横截面短轴变化率大于长轴变化率。(2)管材弯曲变形因相对弯曲半径增大而缓和弯管横截面扁平化变形相对减弱。管材相对壁厚越小，弯曲变形刚性减弱，可能发生的材料径向位移增大，因此弯管横截面扁平化变形具有增大的变化倾向。(3)根据有限元模拟结果，弯曲中心角平分线上弯管横截面的最大等效应力产生在弯曲外凸侧，并且等效应力最大值随相对管壁厚减小而增大。汽车造型是美学、结构力学、空气动力学等多学科约束的一个综合性设计问题。由于国内的汽车设计工程起步较晚，多数的汽车设计与制造公司在汽车造型设计之初忽略了对汽车造型特征进行大量工程可行性的研究，造型的设计过程和结果评价一般还是靠造型师的经验，所以造型设计往往是在“发现错误”与“返回修改”的过程中反复，浪费了大量的人力、时间而无法取得好的设计结果。所以本文开展汽车造型特征的工程可行性分析的研究具备很大的工程价值，为汽车设计工程中的造型设计工作提供较为有效的帮助，提高汽车造型设计的准确性、高效性和动态性。1 汽车造型的工程可行性研究分析 工程可行性分析是为汽车造型服务的，是决定新造型能否工程化的一项重要且基础性的工作。汽车造型在满足外观美观的要求下，必须通过工程可行性分析才能保证后期生产出的车辆能满足消费者的用途和为消费者提供一款安全可靠的车型。汽车造型特征的工程可行性分析一般从以下三方面来进行研究分析。1.1 整车人机工程布置合理性 整车人机工程的研究主要从驾驶者安全性、操作方便性和舒适性方面进行考虑。（1）行人保护的研究分析 行人保护相关的法规要求在国内还没有强制要求，但以人为本的思想已经慢慢地深入到汽车造型上。由于行人保护需要检测部门做试验来检验是否满足法规要求，见图1图3。在造型阶段就需要针对行人保护的布置空间要求来进行研究分析。（2）前、后开度及上、下车方便性的研究分析 上、下车方便性也是在进行外造型设计时需要考虑的一个重要方面，通过对人体生理和汽车结构相互关系的研究，可以得到人体上、汽车造型特征的工程可行性分析同济大学汽车学院 张金磊 雷雨成AT&MDIGITAL DOMAIN数字化园地汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M2009年第5期40下车方便性的角度和相关尺寸范围。首先，应该确定设计中车门立柱的布置是否符合要求，图4给出了前座不能翻倒的轿车车身立柱与座椅相对位置的推荐值。当车门立柱直立时，前、后座入座都会感到很不便，如果将门立柱适当倾斜，则可以大大改善入座的方便性，见图5。其次，侧壁的倾斜度对上、下车的方便性也有很大的影响。如图6所示，当K值（车门上缘与门槛之间的间距）为零时，乘客的上身必须倾斜30以上才能进入车内，入座很费劲，轿车的K值一般取100150 mm（视车身高度有所变化），则人的上身只需稍许倾斜即可入座。必须指出，当K值过大时，下车时也不方便；同时，将由于上下比例失调而影响汽车的外观，而内部空间也利用不好，影响乘员的头部空间和乘坐舒适性；而且玻璃升降占用车门内腔的空间太大也会使车门增厚。所以在造型阶段就应该对其进行分析，确保乘客上、下车方便。（3）组合仪表可视性及人眼的舒适性分析 汽车在行驶过程中，必须要保证符合要求的国标人体坐在座椅上能清晰地看到组合仪表上的信息，并且人眼在行车过程中无炫目和不舒服的感觉。对于外造型而言，主要受前风窗玻璃的角度和曲率的影响，因此必须进行充分的校核，确保行车安全。图7给出了组合仪表遮光性及前风窗玻璃对光线的折射要求的校核图，保证无论来自外部还是内部的光线通过前风窗玻璃折射后都不能进入人眼区域。1.2 外造型强制标准及标准的研究分析 汽车在出厂销售前必须通过汽车产品强制性项目检验，在汽车造型阶段需要完成强制标准检验报告。（1）驾驶员前方视野要求 驾驶员应能看到保险杠前方 12 m远处，5 m高度的红绿灯。（2）整车外廓尺寸 根据国标的要求，车辆最大尺寸（长宽高）为12 000 mm 2 500 mm 4 000 mm。在满载时，外后视镜底边离地高度小于1 800 mm时，其单侧外伸量不得超出汽车最大宽度处200 mm；在汽车的顶窗或换气装置处于开启状态时不得高出300 mm。在2007年国家产品目录中规定了小排量汽车两厢式总长小于4 m，车宽小于1 800 mm的要求。（3）汽车牌照板及其位置 a.牌照国标规格及安装空间校核 校核选用牌照为国标尺寸430 mm140 mm的牌照。b.牌照安装位置要求 前牌照位于车辆前保险杠上，(b)外界入射光源通过组合仪表无法进入人眼图7 组合仪表避光性校核(a)人眼看组合仪表不受反射光干扰图1 人体头部撞击区图2 人体上腿部与发动机罩前缘碰撞试 验图3 人体下腿部与保险杠碰撞试验图4 立柱与座椅相对位置的推荐值(b)门立柱有一定放入倾角图5 立柱倾斜对入座方便性的影响图6 外造型对上、下车方便性的影响(a)门立柱没有倾角DIGITAL DOMAIN数字化园地2009年第5期41汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M安装于前牌照架上的牌照应垂直或近似垂直于车辆纵向对称平面。前牌照中点不得处于车辆纵向对称平面左方；前牌照、牌照架不得超出车辆前端右边缘；前牌照应基本垂直于水平面正面允许后仰不大于15。后牌照中点不得处于车辆对称面的右方；后牌照及后牌照架不得超出车辆后端左边缘；当后牌照上边缘离地高度不大于1.20 m时，后牌照正面允许有不大于30的上仰角（空载）；安装于后牌照板架上的后牌照下边缘离地高度应不小于0.30 m；安装于后牌照板架上的后牌照应有如下4个平面组成的可视范围，即通过牌照两侧并且呈向外30的2个铅垂平面，通过牌照上边缘与水平向上呈15的平面，经过牌照下边缘的水平面。c.后牌照照明装置要求 装置的安装应使照明区域任意位置上的光入射角不大于82，入射角从照明装置至距离牌照架最远的极端位置测量。照明区域的最小可见范围应符合：在垂直截面，85，85；在水平截面，60，60；具体含义见图8。（4）整车外部照明装置要求 a.前组合灯 前照灯法规要求 高度：离地高度不小于500 mm，不大于1 200 mm。横向：离车辆纵向对称平面最远的基准轴方向上的视表面外缘到车辆外缘端面的距离应不大于400 mm；在基准轴方向上，两视表面相邻边缘间的距离不小于600 mm。前位置灯法规要求 高度：离地高度应不小于350 mm，不大于1 500 mm。横向：两灯间距不小于600 mm，外缘距车侧不大于400 mm。前转向信号灯法规要求 横向：在基准轴方向上，转向信号灯视表面边缘到车辆外缘端面之间的距离不大于400 mm；两相邻视表面内边缘之间的距离应不小于600 mm。高度：不小于350 mm，不大于1 500 mm。前雾灯法规要求 高度：离地面高度不小于250 mm；在基准方向上，整个视表面应在近光灯视表面最高点以下。横向：灯的外缘距车侧不大于400 mm。b.后组合灯 后雾灯法规要求 高度：离地高度不小于250 mm，不大于1 000 mm。制动灯法规要求 高度：离地高度应不小于350 mm，不大于1 500 mm。横向：两灯间距不小于600 mm，外缘距车侧不大于400 mm。后位置灯法规要求 横向：在基准轴方向上，离车辆纵向对称平面最远的视平面上的点到车辆外缘端面的距离应不大于400 mm；在基准轴方向上，两视平面内缘间的距离应不小于600 mm，若车宽小于1 300 mm，则该距离可减至为不小于400 mm。高度：离地高度不小于350 mm，不大于1 500 mm；若车型结构不能保证在1 500 mm以内，则可增至2 100 mm。倒车灯法规要求 高度：离地面高度不小于250 mm，不大于1 200 mm。横向：无特殊要求。后转向信号灯法规要求 横向：在基准轴方向上，转向信号灯视表面边缘到车辆外缘端面之间的距离不大于400 mm；两相邻视表面内边缘之间的距离应不小于600 mm。高度：不小于350 mm，不大于1 500 mm。回复反射器法规要求 高度：离地高度不小于250 mm，不大于900 mm。横向：回复反射器间距不小于600 mm，外缘距车侧不大于400 mm。侧面转向信号灯法规要求 高度：离地距离不小于500 mm，不大于1 500 mm。纵向：距车前端距离不大于 1 800 mm。可视死角上限：距离1 800 mm处可视死角不大于5。（5）护轮板空间 在车轮中心向前30和向后50两个辐射平面所形成的区域内，护轮板的宽度必须足以覆盖整个轮胎宽度。护轮板的后缘应位于车轮中心上方150 mm平面以下，且护轮板的边缘与这个平面的交点必须位于轮胎纵向中间平面的外侧。在第一条描述区域内，护轮板下边缘与车轮中心的距离不超过轮胎静力半径的2倍。（a）垂直截面 （b）水平截面图8 后牌照照明装置DIGITAL DOMAIN数字化园地汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M2009年第5期42 （6）后视镜安装要求 后视镜的固定方式应使它不致移动而明显改变其视野区域，或因振动而使驾驶员对图像产生错觉。（7）视野 汽车后视野必须符合标准GB 150842006机动车后视镜的性能和安装要求中的规定。驾驶员借助外后视镜必须能在水平路面上看见一段宽度至少为2.5 m的视野区域，其右边与汽车纵向基准面平行。且与汽车左边最外侧点相切，并从驾驶员眼点后10 m外延伸至地平线，见图9。对于M1类和总质量小于2 000 kg的N1类汽车，驾驶员借助外后视镜必须能在水平路面上看见一段宽度至少为4 m的视野区域，其左边与汽车纵向基准面平行且与汽车右边最外侧点相切，并从驾驶员的眼点向后20 m延伸至地平线。此外，驾驶员还必须能看见宽度大于1 m的路面区域，该区域受平行于汽车纵向基准面的平面限制，并且通过汽车的最外侧点。该区域从通过驾驶员眼点的垂直平面后4 m开始。见图10。（8）汽车外部凸出物 车身外表面不得有任何朝外的尖锐零件，以及由于其形状、尺寸、朝向、硬度等在碰撞事故中可能增加擦伤、撞伤的危险性或加重被撞者伤势的凸出物。车身外表面凸出零件的圆角半径不得小于2.5 mm，这一要求不适用于凸出车身外表面不到1.5 mm的零件以及凸出车身外表面1.5 mm以上，5 mm以下但零部件朝外的部分是圆滑的零件。1.3 造型阶段的工程设计及生产可行性分析 造型阶段的工程设计及生产可行性分析是确保汽车造型能符合工程设计及后期生产阶段顺利进行的必要事项，在造型阶段我们主要是依据造型的主断面设计分析来解决工程设计及生产可行性的问题。（1）主断面制作的意义 主断面是车身设计的重要工程内容，是验证车身造型的重要手段，其主要功能是确定车身造型是否能够满足车身结构要求、车身与底盘总成件、车身附件、内饰件、外饰件的安装关系，以及进行工程可行性的检验。主断面是在车身关键控制部位截取，一般按不同类型的车型大约取5570个主断面。（2）主断面制作及要求 主断面设计主要体现某重要区域的结构设计是否符合要求，各零部件的布置是否合理、该处重要设计硬点以及该结构的强度是否满足要求等信息。一般主断面上所要表达的信息有：零部件的配合关系；外观的间隙和段差及重要外观圆角；密封间隙及有重要要求的零部件间的间隙；安装硬点及焊接边宽度信息表达；运动间隙或安装空间的表达等。图11给出一个典型的主断面所要表达的参数及各个参数具体数值，是重要的指导性文件，为工程设计提供设计依据和理论基础。在造型阶段针对每个主断面都需要做类似上述的审查和校核，是确保后期工程设计和生产顺利的重要环节，是进行工程可行性研究的重要内容之一。2 结束语 本文从整车人机工程布置合理性、汽车外造型强制标准及法规的要求、造型阶段的工程设计及其生产可行性分析这三个方面对汽车造型特征的工程可行性进行研究分析，理论依据充分，实践性强。通过大量的实践得以证明，本文所提出的汽车造型特征的工程可行性方法，可以避免因造型阶段考虑不周全所产生的结构问题、生产制造问题，为汽车开发赢得宝贵时间，大大缩短汽车开发周期。图11 A柱上段主断面图9 驾驶员、乘客两侧外后视镜的视野要求图10 III 类后视镜视野AT&M找检测仪器,请上:www.QCT（QC检测仪器网）免费开商铺，请登陆:天下机械网电话：[phone] 85411214 传真：[phone] E-mail：qctest