淺談解析汽車的正向、逆向開發(fā)流程

無論正向研發(fā)還是逆向開發(fā)，尤其是研發(fā)出一款成功的產(chǎn)品，對于車企，特別是現(xiàn)在的自主品牌而言，都是相當重要的標志！

那么，汽車的正向、逆向研發(fā)過程究竟是怎么樣的？包含了哪些階段和什么內(nèi)容？

01

車身正向開發(fā)流程

汽車車身除了要有漂亮的外表和與眾不同的個性特征，同時還要能安全可靠地行駛，這就需要整個設計過程融入各種相關知識，包括車身結構、制造工藝要求、空氣動力學、人機工程學等。細化開發(fā)流程與同步開發(fā)手段，對于設計出消費者認可的新車型至關重要。

汽車車身設計簡單理解是根據(jù)一款車型的多方面要求來設計汽車的外觀及內(nèi)飾，使其在充分發(fā)揮性能的基礎上藝術化。汽車車身除了要有漂亮的外表和與眾不同的個性特征，同時還要能安全可靠地行駛，這就需要整個設計過程融入各種相關的知識：車身結構、制造工藝要求、空氣動力學、人機工程學、工程材料學、機械制圖學、聲學和光學知識。從一個靈感到最后實現(xiàn)，需要一系列的步驟。得到市場的認可，性能優(yōu)良的內(nèi)“芯”，再加上一襲新衣包裝，才是新車待嫁時。下面，讓我們看看正向設計如何為一款新車設計“嫁衣”。

1、項目策劃

項目策劃包括：項目計劃、可行性分析、項目決策及組建項目組等幾個方面。圖1為項目策劃階段的示意圖。

圖1 項目策劃階段示意圖

汽車企業(yè)的產(chǎn)品規(guī)劃部門必須做好企業(yè)產(chǎn)品發(fā)展的近期和遠期規(guī)劃，具有市場的前瞻性與應變能力。項目前期需要在市場調(diào)研的基礎上生成項目建議書，明確汽車形式及市場目標?？尚行苑治霭ǎ赫叻ㄒ?guī)分析、競爭對手和競爭車型、自身資源和研發(fā)能力的分析等。

項目論證要分析與審查論點的可行性和論據(jù)的可靠性與充分性。經(jīng)過這一階段，要開發(fā)一個什么樣的車型，類似于同行什么等級的車型，其性價比方面有哪些創(chuàng)意與特點即展現(xiàn)在我們面前。

項目策劃的最后階段是組建項目組：組建新品開發(fā)項目小組、確立項目小組成員的職責、制定動態(tài)的項目實施計劃、明確各階段的項目工作目標、規(guī)定各分類項目的工作內(nèi)容、計劃進度和評價要求。

2、概念設計階段

概念設計在新產(chǎn)品開發(fā)中有著重要地位，因此，新產(chǎn)品概念設計流程再造是新產(chǎn)品開發(fā)流程再造成敗的關鍵所在。一個全新的汽車創(chuàng)意造型設計分為以下幾部分：

1）總體布置草圖設計：繪制產(chǎn)品設計工程的總布置圖（如圖2），一方面是汽車造型的依據(jù)；另一方面它是詳細總布置圖確認的基礎，在此基礎上將產(chǎn)品的結構具體化，直至完成所有產(chǎn)品零部件的設計。

圖2 某車型的總布置草圖

2）造型設計：包含外型和內(nèi)飾設計兩大部分。

設計階段包含創(chuàng)意草圖和效果圖設計：在這一過程中，要比較競爭對手的產(chǎn)品，拓寬思路，勾畫出多種效果圖，再從中選擇較為滿意的幾種效果圖，供專家小組評審。圖3、4分別為造型設計階段的草圖與效果圖。創(chuàng)意的過程需全面融入產(chǎn)品設計與產(chǎn)品制造的要求，這個階段要進行多方面的評審與修改，直到最后確定效果圖方案。

圖3 前期設計草圖

圖4 設計方案效果圖

3）油泥模型制作階段

概念設計的最后階段是制作油泥模型：制作3~5個1：4油泥模型，制作小比例模型主要是為了節(jié)約成本及時間。對外觀評審后，選定其中一個制作1：1油泥模型；根據(jù)總布置圖構建1：1的主模型線圖，接下來制作1：1的油泥模型。在制作油泥模型的過程中，還需要組織多次總布置驗證，各領域的問題都要考證造型的合理性，直到最后的油泥模型凍結。

圖5 外型油泥模型

圖6 內(nèi)飾油泥模型

3、產(chǎn)品設計工程階段

油泥模型凍結后，就全面進入到了產(chǎn)品設計階段。產(chǎn)品設計工程是汽車自主創(chuàng)新開發(fā)中最為重要的一步，它貫穿整個汽車開發(fā)的全過程，包括整車總體布置、汽車工程分析、產(chǎn)品結構分析、具體總成與零部件的詳細設計以及它們之間的相關協(xié)調(diào)工作。這一階段耗時最長，如果撇開后期的設計改進時間不算，一般需要1年左右的時間。

在產(chǎn)品設計階段，有必要讓供應商提前介入，使產(chǎn)品的設計做得更經(jīng)濟、合理。要充分利用產(chǎn)品設計的手段，加快產(chǎn)品設計進程，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。利用三維軟件對產(chǎn)品零部件進行裝配，做各種斷面與干涉檢查，使產(chǎn)品結構尺寸準確無誤；利用有限元分析軟件對產(chǎn)品結構進行有限元模擬分析，產(chǎn)品性能模擬分析要達到合格水平。

1）整車總布置設計

在前面總布置草圖的基礎上，細化總布置設計，精確地描述各部件的尺寸和位置，為各總成和部件分配準確的布置空間，確定各個部件的詳細結構形式、特征參數(shù)、質(zhì)量要求等條件。主要的工作包括：發(fā)動機艙詳細布置圖、底盤詳細布置圖，內(nèi)飾布置圖、外飾布置圖以及電器布置圖（如圖7）。

圖7 整車總布置圖

圖8 車身造型三維數(shù)據(jù)

2）車身造型三維數(shù)據(jù)生成

油泥模型完成后，使用專門的三維測量儀器（ATOS）對油泥模型進行測量，生成點云數(shù)據(jù)，工程師根據(jù)點云使用汽車A面制作軟件來構建外表面（如圖8）。車身造型數(shù)據(jù)完成后，通常要用這些數(shù)據(jù)來重新銑削一個樹脂模型（如圖9），目的是驗證車身數(shù)據(jù)。

圖9 重新銑削一個樹脂模型

3）主斷面設計

主斷面設計作為車身設計中的一項重要工作，被越來越多的車身設計團隊認可，通過主斷面設計可以前瞻性的將車身結構的設計方案呈現(xiàn)出來，最大限度地指導詳細設計（如圖10）。

圖10 主斷面圖

4）白車身設計

汽車車身工程是目前世界汽車工業(yè)中研究最活躍、發(fā)展最迅速的一個領域。汽車白車身是汽車其他零部件的載體，是以“鋼結構”為主的支撐部件，它是一個復雜的體系，其零部件數(shù)量眾多、結構復雜，制造成本約占整車的40%~60%，通常有300~500多個形狀復雜的薄板沖壓零件（如圖11），在55~75個工位上大批量、快節(jié)奏地焊接而成。

圖11 某轎車白車身結構設計

轎車車身結構設計是以車身造型設計為基礎進行車身強度設計和功能設計，以期最終找到合理的車身結構型式的設計過程的統(tǒng)稱，其設計質(zhì)量的優(yōu)劣關系到車身內(nèi)外造型能否順利實現(xiàn)和車身各種功能是否能正常發(fā)揮。所以，它是完成整個車身開發(fā)設計的關鍵環(huán)節(jié)。

結構設計必須兼顧造型設計的要求，同時應充分考慮諸如結構強度、防塵隔噪性能以及制造工藝等多種設計要求。優(yōu)良的結構設計可以充分保證汽車整車質(zhì)量的減小，進而達到改善整車性能、降低制造成本的目的。

完成車身結構設計首先需要明確車身整體的承載形式，并對其做出載荷分析，以便能使載荷在整個車身上分配合理。在此基礎上，進一步做出局部載荷分析，確定各梁的結構形式和聯(lián)接方式。因通常轎車存在使用目的和級別上的不同，故常常會產(chǎn)生具體結構上的差異，最終導致它們在功能和價格上的差別。總之，車身結構設計是一個涉及到多方面因素的綜合工程設計問題，常成為車身設計開發(fā)中的難點。

5）內(nèi)外飾工程設計

（A）內(nèi)飾件設計

轎車的內(nèi)飾件設計包括：轎車車廂的隔板、門內(nèi)裝飾板、儀表板總成、扶手、地毯等零部件和材料。相對于車上其他部件而言，雖然它們對車輛的運行性能沒有什么影響，但其面目一覽無遺，代表了整部車子的形象，孰優(yōu)孰劣，決定著轎車的聲譽、檔次以及人們的選擇意向。另外，對于轎車來講，雖然內(nèi)飾件只是一些輔助性的零配件，但它們要承擔起減振、隔熱、吸音和遮音等功能，對轎車的舒適性起到十分重要的作用。

（B）外飾件設計

汽車外飾件設計包括：前后保險杠、散熱器罩、前后外擋泥板、擾流板、玻璃、車門防撞裝飾條、行李架、天窗、后視鏡、車門機構及附件以及密封條。

6）工程分析階段

在國外，很多大汽車設計公司建立高性能的計算機輔助工程分析系統(tǒng)，其專業(yè)CAE隊伍與產(chǎn)品開發(fā)同步地廣泛開展CAE應用，在指導設計、提高質(zhì)量、降低開發(fā)成本和縮短開發(fā)周期上發(fā)揮著日益顯著的作用。CAE應用于車身開發(fā)上成熟的方面主要有：剛度、強度（應用于整車、大小總成與零部件分析，以實現(xiàn)輕量化設計）、NVH分析（各種振動、噪聲，包括摩擦噪聲、風噪聲等）、機構運動分析等；而車輛碰撞模擬分析、金屬板件沖壓成型模擬分析、疲勞分析和空氣動力學分析的精度有進一步提高，并已投入實際使用，完全可以用于定性分析和改進設計，大大減少了這些費用高、周期長的試驗次數(shù)；虛擬試車場整車分析正在著手研究。此外，還有焊裝模擬分析、噴涂模擬分析等。

在我國，CAE技術在汽車設計上的應用也很廣泛，提高了設計的效果和效率。

4、樣車試制和試驗階段

1）樣車試制階段

樣車試制是驗證與完善產(chǎn)品設計的一個過程。樣車的試制要嚴格按照設計數(shù)據(jù)進行，要能夠切實反映產(chǎn)品的本來面貌，以便發(fā)現(xiàn)真實存在的問題。盡管現(xiàn)在擁有先進的設計手段，包括工程計算、工程仿真與模擬等，但樣車的試制和相關試驗是一定要進行的，因為產(chǎn)品的諸多細節(jié)問題在設計階段是無法提供全面的數(shù)據(jù)，并加入工程計算體系的。目前的車身試制手段主要有中熔點、鑄鐵簡易模、工序件等。

2）樣車試驗階段

試驗要嚴格按照國家相應的標準進行，真實地出具相應的試驗報告，為產(chǎn)品的確認與修改提供依據(jù)，為今后產(chǎn)品的正式投產(chǎn)鋪平道路。在樣車試制階段，設計人員要經(jīng)常跟蹤產(chǎn)品的試制工作，清楚了解現(xiàn)場的進展情況并及時處理可能出現(xiàn)的問題，這對產(chǎn)品的設計修改十分有利。產(chǎn)品的測試報告反映產(chǎn)品的現(xiàn)實狀況，是今后該新車型上目錄的重要依據(jù)，要符合國家法規(guī)與各項強制性檢查與試驗標準（如圖12、13）。

圖12 道路試驗

圖13 碰撞試驗

5、生產(chǎn)準備階段

這一階段包括產(chǎn)品工裝的設計與制造、產(chǎn)品檢查與調(diào)試設備的準備、工裝夾具的驗證、生產(chǎn)線的調(diào)試等。生產(chǎn)準備的全面完成將一直持續(xù)到試生產(chǎn)乃至批量生產(chǎn)階段。在進行樣車試制的同時，要著手進行相關的生產(chǎn)準備工作。車身開發(fā)，從某種意義上講不容許產(chǎn)品設計有重大的修改，所以從產(chǎn)品設計的開始，每一步都必須考慮成熟。在產(chǎn)品設計部門不斷地向生產(chǎn)準備部門提供設計文件的同時，生產(chǎn)準備方面也可根據(jù)自身的專業(yè)設計要求與產(chǎn)品設計人員及時溝通，這將對產(chǎn)品設計和生產(chǎn)準備起到共同的促進作用。

6、批量生產(chǎn)

這一階段主要聯(lián)合供應商進行質(zhì)量控制，將新車的整車質(zhì)量打造得盡善盡美，為新車的上市做好準備。

目前，中國的自主品牌在追趕國外先進水平，開發(fā)的程序與手段大同小異，如何在這條道路上加快我們追趕的速度，細化開發(fā)流程與同步開發(fā)手段無疑是我們的有效方法。

02

汽車逆向設計全程解析

與案例講解

眾所周知，車身的開發(fā)它需要大量資金的積累、技術的積累、人才的積累。我國汽車業(yè)尚沒有形成很強的研發(fā)能力，很多專家認為：過去多年我們走的開發(fā)思路，一是完全自主開發(fā)，一切從零開始，這種開發(fā)思路實踐證明不成功，因為我們沒有那么大規(guī)模支持，更沒有那么多的技術、管理積累；二是圖省事，簡單"拿來主義"，購買技術，這樣技術永遠掌在別人的手里，不可能形成自主開發(fā)能力。

逆向工程技術就是迅速解決提升我們汽車車身研發(fā)水平重要手段之一。我們提升汽車自主開發(fā)能力，趕上世界水平唯一的辦法，必須采取站在巨人的肩膀上，要消化、吸收、改進、創(chuàng)新。韓國、曰本都曾經(jīng)走這條路，他們不是簡單的把別人的車拿來裝配，而是真正地消化、吸收，通過消化、吸收學習，縮短與世界水平的差距，逐步培養(yǎng)起自己的自主開發(fā)能力，因此成為今天的汽車開發(fā)世界強國。

逆向工程技術正是消化、吸收先進技術重要方法之一，尤其在車身開發(fā)方面，逆向工程技術是送我們走上巨人肩膀的強大武器。我們福田公司車身開發(fā)人員正是利用這先進技術開展了歐曼重卡車身的研發(fā)，并取得了成功。

1、逆向設計的概念

逆向工程（ReverseEngineering-RE）是對產(chǎn)品設計過程的一種描述。

在工程技術人員的一般概念中，產(chǎn)品設計過程是一個從無到有的過程，即設計人員首先在大腦中構思產(chǎn)品的外形、性能和大致的技術參數(shù)等，然后通過繪制圖紙建立產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型，最終將這個模型轉入到制造流程中，完成產(chǎn)品的整個設計制造周期。這樣的產(chǎn)品設計過程我們稱為“正向設計”過程。逆向工程產(chǎn)品設計可以認為是一個“從有到無”的過程。簡單地說，逆向工程產(chǎn)品設計就是根據(jù)已經(jīng)存在的產(chǎn)品模型，反向推出產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)（包括設計圖紙或數(shù)字模型）的過程。

從這個意義上說，逆向工程在工業(yè)設計中的應用已經(jīng)很久了。早期的船舶工業(yè)中常用的船體放樣設計就是逆向工程的很好實例。隨著計算機技術在制造領域的廣泛應用，特別是數(shù)字化測量技術的迅猛發(fā)展，基于測量數(shù)據(jù)的產(chǎn)品造型技術成為逆向工程技術關注的主要對象。通過數(shù)字化測量設備（如坐標測量機、激光測量設備等）獲取的物體表面的空間數(shù)據(jù)，需要利用逆向工程技術建立產(chǎn)品的三維模型，進而利用CAM系統(tǒng)完成產(chǎn)品的制造。因此，逆向工程技術可以認為是將產(chǎn)品樣件轉化為三維模型的相關數(shù)字化技術和幾何建模技術的總稱。逆向工程的實施過程是多領域、多學科的協(xié)同過程。

作為一種新產(chǎn)品開發(fā)以及消化、吸收先進技術的重要手段,逆向工程和快速原型技術可以勝任消化外來技術成果的要求。它們的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)產(chǎn)品設計開發(fā)模式,大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)的時間周期,提高產(chǎn)品研發(fā)的成功率。

當今，各個行業(yè)越來越注重產(chǎn)品的外觀設計，以此來吸引顧客，最終在商業(yè)上取得成功。這點在消費產(chǎn)品的設計中體現(xiàn)的尤為突出。特別是手機、數(shù)碼相機、汽車等行業(yè)。

2、順、逆向工程在設計流程中的比較與分析

逆向工程，顧名思義與順向工程的設計流程不同，其過程是依靠已經(jīng)存在的零件或是產(chǎn)品原型的表面所得到的資料來建立3DCAD模型，而不是透過設計圖。

圖1：兩個設計流程的主要差別在于傳統(tǒng)的順向工程是概念設計、產(chǎn)品規(guī)范到產(chǎn)品設計圖，而逆向工程則是由測量到的資料來反推得到3DCAD模型。

如圖1所示，其兩個設計流程的主要差別在于傳統(tǒng)的順向工程是概念設計、產(chǎn)品規(guī)范到產(chǎn)品設計圖，而逆向工程則是由測量到的資料來反推得到3DCAD模型。順向的產(chǎn)品開發(fā)程序是設計師依據(jù)產(chǎn)品企劃時所定的規(guī)劃與設計構想，繪制草圖及效果圖，并且依據(jù)效果圖制作手工模型，或以建構CAD幾何模型，最后進行NC或RP（RapidPrototype）的加工程序。然而導入逆向工程設計程序后，設計師仍是依據(jù)產(chǎn)品設計企劃時所定的規(guī)范與設計構想，但效果圖或精細描繪則已不是必備的程序了，取而代之的將是直接運用逆向工程對PU泡沫或油土模型進行點資料掃描，并交由CAD系統(tǒng)進行編修與重建，最后進行NC或RP的加工程序，從開發(fā)角度看，這個流程中可以明顯發(fā)現(xiàn)順、逆向工程的差異如圖2所示。

圖2

單純?nèi)鞒棠嫦蚬こ虝a(chǎn)生以下問題：資料量大、調(diào)取數(shù)據(jù)麻煩、曲面定位（Location）、曲面的連續(xù)性控制等。采用混合式設計流程，僅需要對修改部分作局部逆向工程快速重建、從而能縮短整個設計制造的程序。如圖3所示。

圖3

3、逆向設計的基本流程

圖4 汽車設計項目實際流程

逆向工程是將實物轉變?yōu)镃AD模型的數(shù)字化技術、幾何模型重建技術和產(chǎn)品制造技術的總稱，逆向工程是汽車產(chǎn)品開發(fā)的新方式。目前基于CAD/CAM系統(tǒng)的數(shù)字掃描技術為實物逆向工程提供了有力的支持，在進行數(shù)字化掃描、完成實物的3D重建后，通過NC加工就能快速地制造出模具，最終注塑得到所需的產(chǎn)品，通過逆向工程技術，在消化、吸收先進技術的基礎上，建立和掌握自己的產(chǎn)品開發(fā)設計技術，進行產(chǎn)品的創(chuàng)新設計，是提高汽車設計能力和制造效率的捷徑。

逆向工程的簡單過程是：利用數(shù)字化掃描設備掃描實體模型，將數(shù)據(jù)導入計算機，利用逆向工程軟件處理獲取的點云數(shù)據(jù)，行程曲線、曲面、實體模型，對實體模型進行修正，形成最終的三維模型。相比正向建模，逆向工程建模的速度更快，效率更高。逆向工程隊對計算機處理器、內(nèi)存和顯卡的性能有綜合要求，特別是要保證實時數(shù)據(jù)采集和處理，必須配置較高的內(nèi)存和性能強大的顯卡。

逆向工程的結構體系

逆向工程系統(tǒng)主要由三部分組成:產(chǎn)品實物幾何外形的數(shù)字化、CAD模型重建、產(chǎn)品或模具制造。逆向工程中的關鍵技術是據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和模型的重建。

逆向工程流程圖

（A）數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是逆向工程的第一步,其方法的得當直接影響到是否能準確、快速、完整地獲取實物的二維、三維幾何數(shù)據(jù),影響到重構的CAD實體模型的質(zhì)量,并最終影響產(chǎn)品的質(zhì)量。

圖6 數(shù)據(jù)采集

（B）數(shù)據(jù)處理

對于獲取的一系列點數(shù)據(jù)在進行CAD模型重建前,必須進行格式轉換、噪聲濾除、平滑、對齊、歸并、測頭半徑補償和插值補點等處理。

圖7 運用CATIA軟件進行數(shù)據(jù)處理

（C）模型重建

將處理過的測量數(shù)據(jù)導入CAD系統(tǒng),依據(jù)前面創(chuàng)建的曲線、曲面構建出原型的CAD模型。

圖8 重新建模

簡單理解汽車逆向設計流程：拿到實物產(chǎn)品----進行產(chǎn)品公析抄數(shù)------抄數(shù)機進行抄數(shù)數(shù)據(jù)文件STL格式-----Surfacer或Geomagic進數(shù)據(jù)處理格式為igs------進行Pro/E等三維軟件中進行繪圖，當今主要流行的三維CAD軟件如UG、IMAGEWARE、CATIA、I-DEAS、Pro/Engineer。

4、實例講解：

逆向工程技術及其在車身開發(fā)中應用

數(shù)據(jù)處據(jù)工作流程：對掃描數(shù)據(jù)進行處理→拼合掃描點云→以點云產(chǎn)生初步的表面→對雜訊點進行處理、刪除→根據(jù)處理后的點云以及零件特征，進行零件三維曲面、結構重建，得到零件的三維數(shù)學模型和線架構圖。下面以某產(chǎn)品前圍某零件為例說明。

圖9 拼合后的掃描點云圖10掃描點云生成初步的表面

圖11 刪除雜訊點后的掃描點云

圖12 根據(jù)點云建立零件的三維數(shù)學模型和線架構

文中主要針對目前設計流程布局規(guī)劃合理性進行了探討。結合實際項目中所遇到的障礙和問題，提出順、逆向工程相結合的觀點，從而達到優(yōu)化設計流程，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期的目的。順、逆向工程的結合不僅可以解決設計流程中的設計與實體模型互動問題，也為設計師的概念發(fā)散提供了一個可靠的實物平臺。在后續(xù)研究中，將更多考慮新興技術，非接觸掃描技術，虛擬現(xiàn)實技術的進一步應用。在整個設計流程中，將虛擬與現(xiàn)實之間的時時互動作為一個應用重點。部分取代現(xiàn)有實體模型，從而進一步縮短研發(fā)周期。提高產(chǎn)品競爭力。