轿车车身本体三维设计（含UG三维图）

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Jetta sedan body text to an object, using three-dimensional modeling software UGNX8.0 sedan body styles, focusing on the curve structure, surface structure, surface transition connections and car body and vehicle surfaces block virtual assembly modeling. In order to achieve the requirements of energy saving and environmental themes, the body design is completed on the body to be lightweight design, to meet the cars with safety, comfort basis to achieve the purpose of saving and emission reduction. Lightweight design of the body, the body can guarantee a good performance and uniform stiffness reasonable force distribution, improve material utilization. Under the premise to ensure vehicle safety, achieve lightweight design car body structure from the perspective of fuel economy has important practical significance. Keywords: car body curved block design Body lightweight design UGNX8.0 目录 引言 1 1 概述 2 1.1 选题的目的及意义 2 1.2课题相关领域的研究现状 2 1.3设计步骤及内容 3 2 轿车车身设计的技术与要求 5 2.1汽车车身结构和设计要求 5 2.1.1汽车车身结构 5 2.1.2车身设计的要求 7 3 轿车车身三维模型的建立 9 3.1 UG软件介绍 9 3.2轿车车身的三维建模 10 3.2.1轿车车身基本参数 10 3.2.2轿车车身前围车头曲面的建模过程 10 3.2.3轿车车尾曲面的建模过程 17 3.2.4轿车车身侧面曲面的建模过程 20 3.2.5轿车车身上部曲面的建模过程 25 3.3真实着色 28 4 车身轻量化设计 29 4.1车身轻量化设计的必要性 29 4.2车身轻量化的主要途径 29 4.2.1采用轻质材料 29 I 4.2.2结构优化设计 31 4.2.3制造工艺 31 4.3轻量化与整车性能关系 32 总结 33 致谢 34 参考文献 35 II 引言 目前，汽车已成为现代生活不可缺少的一种交通工具。在发达国家，汽车的普及已经达到很高的程度，平均每个家庭拥有各种汽车2～3辆。在中国，私车的人均拥有量远低于发达国家水平，正是由于中国巨大的市场和汽车工业对国民经济的巨大推动作用，汽车工业已被国家确定为国民经济的支柱产业，是国家扶持和重点发展的产业之一。中国汽车工业经过几十年的风雨历程，已形成一个比较完整的工业体系，但与国际汽车工业的先进水平相比，尚有很大的差距。我国汽车工业的发展，走过了引进技术、合资生产及国产化工作之路。目前国家的汽车产业政策已调整为积极鼓励各企业尽快形成自主开发能力，企业也深感为适应汽车市场激烈竞争的需要，必须不断更新车型，开发品牌，才能设计制造出适合顾客需求的产品。 车身在整个汽车结构中，不论就重量还是就成本而言，都占有相当大的比重。车身结构的合理与美观直接影响到整车，车身结构设计直接决定整车的安全性、舒适性、美观性以及由车身外形与空气动力性能决定的操纵稳定性、动力性、经济性等。国内外汽车生产的实践也表明：整车生产能力的发展取决于车身的生产能力，汽车的更新换代在很大程度上也取决于车身。 现代科学技术的迅猛发展，尤其是电子信息技术的高速发展，工业生产方式正发生着巨大的变革，新的生产方式不断产生。汽车工业作为综合性的大型产业，也必须顺应这个发展趋势。有限元分析技术在汽车工业中越来越广泛的应用，正是这种趋势的表现。在采用有限元分析技术以后，发达国家的新车开发周期已由原来的5年缩短为24—36个月。当今的CAD／CAE技术己经成为衡量一个国家汽车工业技术水平的重要标志之一，也是衡量一个汽车制造公司技术水平的重要标志。它已成为一个汽车公司开发新产品、组织规模生产、加强市场竞争的重要手段。在缩短产品开发周期，提高产品性能、质量和可靠性，实现车身结构轻量化等方面，起到决定性作用。 UG NX是由美国UGS公司推出的面向制造行业的CAD/CAE/CAM的高端软件，是当今世界上最先进、最流行的工业设计软件之一。它集设计、分析和制造等功能于一体, 为工程技术人员提供了丰富的三维图形资源库,可以用于机械制造领域的计算机辅助设计、计算机辅助分析、计算机辅助制造等方面。更为可贵的是UG NX 实现了上面三种功能的有机集成, 可以实现虚拟产品开发、精确装配、加工仿真、运动仿真等过程。从而实现机械设计和制造集成化, 大大缩短了产品的开发设计周期, 节省了大量的材料、资金和人力, 给机械设计和加工带来了革命性的变革。 1 概述 1.1 选题的目的及意义 毕业设计是毕业前学习和训练的实践性环节，是让学生毕业前拓宽专业面，扩大知识面，适应市场经济的需要，满足专业教学的要求，衡量高等教育质量和办学效益的重要内容，本次毕业设计直接利用三维建模软件对捷达轿车车身进行设计。训练并掌握这种先进的设计思路和方法，为今后的学习和工作奠定基础。 汽车的车身外形除了对客户的个人喜好投其所好外，还对汽车速度以及安全方面有所影响，流线好的汽车，它的风阻相对会低，也就使车的油耗相对降低，相对的速度也就会快一些。造型是汽车的外观，是汽车评价中最直观、最负感染力的部分，好的造型对提高产品竞争力、反映企业文化有着重要意义。通过结合所学知识，对市场上的成熟车型进行设计研究，学习其在车身外形设计的先进方法和理念，丰富自己在车身设计领域的知识。 车身设计造型涉及诸如空气动力学，人体工程学、制造工艺学、美学、计算机图形学、结构学、材料学等学科，它是一种技术和劳动密集型相结合的产品，它的制造成本约占汽车总成本的一半，其设计成本比重在整车总设计中已属最大部分，所以车身设计成为制约着汽车制造和新车型开发的关键。车身设计是概念设计的重要内容，它是其它设计阶段的前提和基础，是汽车设计的最初始的步骤，是整车开发周期中至关重要的阶段。车身设计是否合理，将直接影响整车的使用性能甚至决定着整车设计的成败。 另外汽车对全球二氧化碳和有害气体的排放，燃料资源和矿产资源的消费等影响很大。为了构建今后可持续发展的汽车社会，各汽车厂家将解决上述问题作为最重要的课题来研究。因此，为了达到节能与环保主题的要求，这就要求我们首先要对轿车车身进行优化设计，在最短的设计周期完成最佳的优化设计方案，然后通过对选定合适的轻量化材料的轻量化设计方案，在满足汽车行驶的安全性、舒适性的基础上，带到降耗减排的目的。 本次课题则基于UG NX软件对捷达轿车车身模型的曲面进行设计，由此可见本次毕业设计有着重大的意义。通过本次毕业设计，可以熟练地掌握UG NX软件的各种强大的功能以及这些功能在汽车车身的曲面设计和加工中的应用。通过对捷达车身模型的造型设计，培养了独立思考和自主设计的能力，并使得自学和综合分析能力有所提高。因此本设计具有一定的实际应用意义。 1.2课题相关领域的研究现状 20世纪90年代初，轿车车身外部造型设计的主流主要是柔性与刚性的特点相呼应，构成棱角分明的外形。这种外形与现代发展起来的车身制造工艺很适应，也就是说，易于零件分块，易于冲压和分总成拼焊等等。因此，这种造型风格曾经持续若干年。 由于空气动力学是影响车身造型的最重要因素，根据节约能源、减小风阻系数和提高空气动力性能等原理而推出的楔形造型，后来也一度十分盛行，亦即：长头短尾，车头前端低矮，线条前低后高，尾部保持丰满并向上翘起的造型风格。近年来，因为棱角分明的外形很难大幅度地降低风阻系数，故汽车外部造型逐步突破棱角分明而趋向圆滑，尤其重视完美的局部造型以及加装各种导流板。事实上，这种圆滑、飘逸型的造型风格已博得广大消费者的理解和喜爱，并成为今天的车身造型主流。 今天的车身外部造型设计，在国外专业人员中被称作“流线形设计”。按照造型师们的新理念，汽车外形的连续完整性不应再依靠挺拔的棱角去表现，而是要由各种曲面光滑的连接以及微妙的光学效果与视觉效果显示出来。 现行钢制车身制造工艺的核心部分是冲压工艺和焊接工艺。用各种冲压设备组成的车身部件生产线具有效率高和精度易保证等显著优点。不过，从最新发展趋势来看。新材料与新技术的应用，正在挑战以上传统车身造型设计与制造工艺。新材料和新技术的出现，促使车身设计师们在突破传统的车身结构和生产方式方面进行了更多的探索和尝试。 利用三维设计软件对轿车车身进行设计，以计算机中的三维实体模型代替传统设计中的主模型，从而把大量人力从绘图、取样板、制表面、做模型等繁琐的劳动中解放出来，计算机辅助设计充分发挥了计算机运算速度快和精度高的特点，极大地提高了汽车车身设计的效率，缩短了开发的周期。目前用于车身设计的各种设计软件，系统都能够根据三维实体模型自动生成二维的车身图纸和用于数控加工的代码，同时当三维模型发生任意微小的改变时，系统都会自动地修改与之相关的图纸和数控代码。采用计算机辅助设计的方法还能够对车身造型进行优化设计，当采用传统的设计方法进行优化设计时，不但要花费大量的人力和物力进行主模型的制作，而且不能充分发挥主模型的作用。如果该主模型未被正式采用，它就将被设计人员抛弃，而不能重复使用。三维软件设计则是利用了软件提供的强大的实体造型功能，能够构造出更逼近于现实，更形象直观的车身三维模型。设计人员经过对各种造型的类比，从中挑选出一种集多项优点于一身的最为理想的设计方案。而其余的车身模型也被保存在一个车身数据库中，以便于将来对车身进行各种改型设计，同时该数据库还实现了车身零件的通用化和序列化。 我国各大汽车企业近几年来纷纷引进了UG、CATIA、PROE、CAD等先进的设计软件进行汽车车身开发和设计，并取得了较好的成果。 1.3设计步骤及内容 本次设计采用UG软件进行设计。UG是非常优秀的基于 Windows 的三维机械设计软件，具有全面的参数化特征造型功能。由于其易学易用、全中文界面、价格适中的特点，在我国越来越受到广大用户的欢迎，已广泛应用于机械、电子、建筑等行业。UG包括了世界上最强大、最广泛的产品设计应用模块,具有高性能的机械设计和制图功能，为制造设计提供了高性能和灵活性，以满足客户设计任何复杂产品的需要。UG优于通用的设计工具，具有专业的管路和线路设计系统、钣金模块、专用塑料设计模块和其他行业设计所需的专业应用程序。 本次设计的内容有： 1. 通过书籍杂志网络等媒体详细搜集关于UG的发展情况、影响及软件功能与特点； 2.仔细阅读研究学习指导老师下发的相关指导资料，从中学习一般专业论文的写作方法； 3.介绍轿车车车身的发展趋势； 4.捷达轿车车身的基本参数介绍； 5.介绍捷达轿车车身设计的内容与方法； 6.采用UG NX8.0作为本次论文软件平台，以捷达轿车真车车型作为具体建模模型； 7.对车身进行优化设计； 8.毕业设计总结。 车身设计具体步骤： 1.利用收集到的车身数据，使用UG的曲面设计功能构造出车身轮廓线，然后利用生成的轮廓线构造车身曲面。 2.依据参数化造型方法，结合车身的外形，采用车身曲面分块建模法。把车身曲面划分为多个比容易处理的曲面块，对各部分表面采取分块造型。 3.对车身表面分块造型后，将各部分装配到一起，然后进行车身各部分曲线的缝合，再进行曲面的缝合，最后进行光顺处理。 4.进行着色，修饰等处理，最后完成三维模型。 2 轿车车身设计的技术与要求 2.1汽车车身结构和设计要求 车身主要用来载运乘客或货物，相当于临时住所或流动仓库，受到质量和空间限制。它不仅影响到汽车造型的外观质量，而且也会影响汽车车身的选材、结构、加工工艺、生产技术等。车身是汽车的大总成，随着客户需求日益多样化和个性化，车身设计在汽车设计中越来越显示出主导地位。据统计，客车、轿车和多数专用汽车的车身质量约占整车质量的40％～60％；货车车身质量约占整车质量的16％～30％；而各车型车身的制造成本占整车的百分比甚至还略高于上述给出的上限值。 2.1.1汽车车身结构 轿车车身是轿车整车的重要组成部分．主要包括车身本体、外装件、内饰及内装件、附件及附属设备等。由于它是轿车上载人的容器，因此要求轿车车身应具有良好的舒适性和安全性。此外，轿车车身又是包容整车的壳体，能够最直观地反映轿车外观形象的特点。从而决定了现代轿车车身设计非常注重外形造型以符合人们对轿车外形的审美要求，而汽车人体工程学、汽车空气动力学、汽车造型及审美艺术、汽车车身新材料研究及开发、汽车车身结构强度分析、汽车车身设计方法及技术等方面的研究和应用。正是设计出具有良好性能的轿车车身的必要基础。 车身包括车身焊接总成(白车身)及其附件。为了保证车身的强度和刚度，白车身一般由车身骨架和覆盖件焊接或铆接在一起形成一个完整的壳体。车身焊接总成一般分为地板、顶盖、前围板、后围板、左右侧围板等几个部分。 车身壳体是一切车身部件的安装基础．通常是指纵、横梁和支柱等主要承力元件以及与它们相连的饭金件共同组成的刚性空间结构。车身壳体通常还包括在其上铺设的隔声、隔热、防振、防腐、密封等材料及涂层。 车身结构指构成车身整体的各个部件的布置形式以及部件之间装配的方式。按车身承受负荷的方式，车身结构可分为：非承载式，承载式及半承载式三种类型。 非承载式车身又称有车架式车身，是车身本体悬置于车架上的车身结构形式。大客车、载货汽车多采用这种结构形式。悬置是用弹性元件连接，车身本体基本上不承受行驶时道路对汽车的外加载荷。其优点是车架的振动经过弹性元件传到车身本体，因而大部分可被减弱或消除，因此厢内噪声小，车身本体变形较小，发生冲撞时车架可吸收大部分冲击能，可提高乘员安全性；在坏路上行驶时，车架对车身本体起保护作用；组装较方便。缺点是车架质量大，汽车质心高，上、下车不方便，车架制造工作量大，工艺精度要求高，且需使用大型设备，增加投资。 承载式车身又称无车架式车身。车身和底架共同组成车身本体的刚性空间结构，承受全部载荷。轿车多采用这种结构形式。其优点是具有较高的抗弯曲和抗扭转的刚度，自身质量轻，能更有效地利用客厢内空间。缺点是由于传动系和悬架直接装在车身本体上，道路载荷及振动直接传到车身，故必须采取有效的隔声、防振措施，车身损坏时修复较困难，对车身本体防腐蚀性要求高。 半承载式车身又称底架承载式车身。车身本体与底架用焊接或螺栓刚性连接。实质上是另一种无车架车身，不过加强了车身本体的底架而起着一部分车架的作用。发动机和悬架均安装在车身底架上，车身与底架成为一体而承受载荷。 车身本体俗称白车身。它指车身结构件及覆盖件的焊接总成，并包括翼子板、车门、发动机罩和行李舱盖在内的未涂漆的车身，形成车身的封闭刚性结构。 车身覆盖件指车身中包覆梁、支柱等的构件，具有较大空间曲面形状的表面和车内板件。在车身结构中的功用有：封闭车身、体现车身外观造形及增大结构强度和刚度等。 车身结构中的梁和支柱，又称车身结构件，是指支撑车身覆盖件的全部车身结构零件。由这些结构件便形成了轿车车身的载荷框架结构，它是车身承载能力的基础，对保证车身所要求的结构强 度和刚度非常重要。 发动机罩又称发动机盖，是最醒目的车身构件，是买车者经常要察看的部件之一。对发动机盖的主要要求是隔热隔声、自身质量轻、刚性强。发动机罩在结构上一般由外板和内板组成，中间夹以隔热材料。内板起到增强刚性的作用，其几何形状由厂家选取，基本上是骨架形式。发动机罩开启时一般是向后翻转，也有小部分是向前翻转。向后翻转的发动机盖打开至预定角度，不应与前挡风玻璃接触，应有一个约为10mm的最小间距。为防止在行驶时由于振动自行开启，发动机盖前端要有保险锁钩锁止装置。锁止装置开关设置在车厢仪表板下方，当车门锁住时发动机盖也应同时锁住。 车顶盖是车厢顶部的盖板。对于轿车车身的总体刚度而言，顶盖不是很重要的部件，这也是允许在车顶盖上开设天窗的原因。从设计角度来讲，重要的是它如何与前、后窗框及与支柱交界点平顺过渡，以求得最好的视觉感和最小的空气阻力。为了安全，车顶盖还应有一定的强度和刚度，一般在顶盖下增加一定数量的加强梁，顶盖内层敷设绝热衬垫材料，以阻止外界温度的传导及减少振动时噪声的传递． 行李箱盖要求有良好的刚性，结构上基本与发动机盖相同，也有外板和内板，内板有加强筋。一些被称为“两厢半”的轿车，其行李箱向上延伸，包括后挡风玻璃在内，使开启面积增加，形成一个门，因此又称背门，这样既保持一种三厢车形状，又能够方便存放物品。如果采用背门形式，背门内板侧要嵌装橡胶密封条围绕一圈以防水防尘。行李箱盖开启的支撑件一般用勾形铰链及四连杆铰链，铰链装有平衡弹簧，使启闭箱盖省力，并可自动固定在打开位置，便于提取物品。 翼子板是遮盖车轮的车身外板，因旧式车身该部件形状及位置似鸟翼而得名。按照安装位置又分为前翼子板和后翼子板，前翼子板安装在前轮处，它必须要保证前轮转动及跳动时的最火极限空间，因此设计者会根据选定的轮胎型号尺寸用“车轮跳动图”来验证翼子板的设计尺寸。后翼子板无车轮转动碰擦的问题，但出于空气动力学的考虑，后翼子板略显拱形弧线向外凸出。现在有些轿车翼子板已与车身本体成为一个整体。但也有轿车的翼子板是独立的，尤其是前翼子板，因为前翼子板碰撞机会比较多，独立装配容易整件更换。有些车的前翼子板用有一定弹性的塑性材料(例如塑料)做成，塑性材料具有缓冲性，比较安全。 前围板指发动机舱与车厢之间的隔板，它和地板、前立柱连接，安装在前围上盖板之下。前围板上有许多孔口，作为操纵用的拉线、拉杆、管路和电线束通过之用，还要配合踏板、方向机柱等机件安装位置。为防止发动机舱里的废气、高温、噪声窜入车厢，前围板上要有密封措施和隔热装置。在发生意外事故时，它应具有足够的强度和刚度。对比车身其他部件而言，前围板装配最重要的工艺技术是密封和隔热，它的劣势往往反映了车辆运行的质量。 车门是为驾驶员和乘客提供出入车辆的通道，并隔绝车外干扰，在一定程度上减轻侧面撞击，保护乘员。汽车的美观也与车门的造型有关。按车门数量不同，可以把轿车分为二门 三门、四门、五门车等。用于公务用途的轿车大部是四门，用于家庭用途的轿车既有四门也有三门和五门(后门为掀起式)，而运动用途的跑车则大都是两门。按车门用途不同一般有驾驶员门、乘客门和安全门之分。按位置分为：左(右)前车门、左(右)后车门、背门。按开启方式分为：顺开旋转式、逆开旋转式、水平滑移式、上掀式和推拉折叠式外摆式、内摆式等。 2.1.2车身设计的要求 汽车设计要考虑到汽车的使用性、人机工程学、节能及空气动力学等方面，所以对于汽车设计会提出以下几点要求： （1）舒适性 车身设计首先要满足人的要求。舒适性是评价在规定条件下，合理乘用时乘员感觉良好与否的标准。影响舒适性的有关因素是：座椅尺寸、形状及其空间与人体接触处的材质软硬度和质感、振动频率、视野，以及内饰对乘员心理的影响效果和乘坐的安全感。 （2）安全性 车身设计时安全性的考虑有两个方面，及正常行驶时的防护措施与发生意外事故时的补救措施。正常行驶时，乘员或运载的行李、货物不会由于车辆加、减速和急转向导致移动碰撞；内饰件的软化结构，无反射的材料表面，防止失效的门锁机构；座椅安全带、靠枕、扶手、脚蹬等的设置可在发生意外事故时对乘员、行李、货物减轻损伤。事故后救护手段的设置是安全性的进一步要求，国家的有关法规对汽车安全性有一系列的标准，例如安全槽的配置与使用、方向盘的防撞击软化结构、车身客厢部分的骨架加强、吸能保险杠等都是基于此的。 （3）可靠性 车身设计的可靠性是指车身设计既要保证在常规负荷下的车身结构及其附件的耐用性和有效性，又要考虑到在超负荷下的安全性。可靠性不是允许无限制的超过合理负荷去提高安全性，而是指在可能发生的非正常情况下，结构与机构仍可保证使用性能。车身的可靠性保证中有些是通过附加装置使原来的机构发生故障时仍可在一段时间内保持功能的措施，如车门的安全锁、门、窗框及局部骨架的加强设施，以及发动机罩的安全拉钩等。 （4）视野性 视野性是指驾驶员操作时，在不改变操作姿态的状态下对道路及周围环境观察的可见范围，或乘员在正常乘坐状态下对车外环境的可见范围。驾驶员的视野性必须满足在正常行驶操作姿势下随时能清楚的看到所有按国家道路法规所设置的一切指示和警告标志。为保证良好的视野和明快的造型效果而加大车窗时，不应使车内人员过分暴露，产生不安全感，而且乘员过多的看到侧、下方移动的物象会增加眩晕、烦躁的感觉。视野性是以使驾驶员“眼椭圆”为起点，画出眼椭圆而看到前方道路的距离来判断的，还可以在驾驶员眼椭圆的位置旋转摄像机拍摄全景照片，用以比较从座位处可看到前方的最近距离，也可以在驾驶员眼椭圆位置放一个光源，在夜间从这个光源向前、侧或后方的照影可显示驾驶员的实际有效视野。 （5）耐用性 车身的耐用性以整车的设计寿命为极限。实际耐用性主要是针对经常使用的机构而言的，要求它们在整车寿命期限内保证正常使用；要求车身结构保持原设计要求的状态；要求装饰不失去原设计的表面品质效果。由于车身机件或附件的使用率远非均等，所以对每部分结构或附件的耐用性要求也应根据使用情况而定。片面追求某个局部零件或附件的单项耐用性是没有意义的。 （6）乘用方便性 乘用方便性是乘员、驾驶员进出车厢及行李、货物装卸方便与否的评价标准。由于各种类型汽车的动力、传动、操纵等机构和车身本身结构的需要，车身布置对乘员、驾驶员进出和行李、货物的装卸可能产生妨碍和不便。例如：方向盘与车门和座椅的相对位置影响驾驶员的进出，车门高度、底盘与纵底梁的形状影响乘员的进出。近代轿车的门窗采用曲面玻璃，其主要原因之一是使车门上方开度加大，以改善乘员进出车厢的方便性。 3 轿车车身三维模型的建立 3.1 UG软件介绍 来自Siemens PLM 的NX使企业能够通过新一代数字化产品开发系统实现向产品全生命周期管理转型的目标。NX包含了企业中应用最广泛的集成应用套件，用于产品设计、工程和制造全范围的开发过程。如今制造业所面临的挑战是，通过产品开发的技术创新，在持续的成本缩减以及收入和利润的逐渐增加的要求之间取得平衡。为了真正地支持革新，必须评审更多的可选设计方案，而且在开发过程中必须根据以往经验中所获得的知识更早地做出关键性的决策。 NX是UGS PLM 新一代数字化产品开发系统，它可以通过过程变更来驱动产品革新。NX 独特之处是其知识管理基础，它使得工程专业人员能够推动革新以创造出更大的利润。NX可以管理生产和系统性能知识，根据已知准则来确认每一设计决策。 NX 建立在为客户提供无与伦比的解决方案的成功经验基础之上，这些解决方案可以全面地改善设计过程的效率，削减成本，并缩短进入市场的时间。通过再一次将注意力集中于跨越整个产品生命周期的技术创新，NX 的成功已经得到了充分的证实。这些目标使得 NX 通过无可匹敌的全范围产品检验应用和过程自动化工具，把产品制造早期的从概念到生产的过程都集成到一个实现数字化管理和协同的框架中。NX 产品开发解决方案完全支持制造商所需的各种工具，可用于管理过程并与扩展的企业共享产品信息。NX与UGS PLM 的其他解决方案的完整套件无缝结合。这些对于 CAD 、CAM 和CAE在可控环境下的协同、产品数据管理、数据转换、数字化实体模型和可视化都是一个补充。 CAD/CAM/CAE三大系统紧密集成。用户在使用UG强大的实体造型、曲面造型、虚拟装配及创建工程图等功能时，可以使用CAE模块进行有限元分析、运动分析和仿真模拟，以提高设计的可靠性；根据建立起的三维模型，还可由CAM模块直接生成数控代码，用于产品的加工。 UG实现了设计优化技术与基于产品和过程的知识工程的组合。UG软件能够为各种规模的企业提供可测量的价值，能够使企业产品更快地提供给市场，能够使复杂的产品设计与分析简单化，能够有效地降低企业的生产成本并增加企业的市场竞争实力。 UG主要客户包括，通用汽车，通用电气，福特，波音麦道，洛克希德，劳斯莱斯，普惠发动机，日产，克莱斯勒，以及美国军方。几乎所有飞机发动机和大部分汽车发动机都采用UG进行设计，充分体现UG在高端工程领域，特别是军工领域的强大实力。在高端领域与CATIA并驾齐驱。 第 35 页 共 35 页 3.2轿车车身的三维建模 3.2.1轿车车身基本参数 本文以捷达轿车车身为参考，利用UG软件进行车身建模设计，车身具体参数如表3.1所示。 表3.1 捷达轿车车身参数 车身参数 2013款捷达1.6L自动舒适版 车长（mm）： 4487 车宽（mm）： 1706 车高（mm）： 1470 轴距（mm）： 2603 3.2.2轿车车身前围车头曲面的建模过程 在轿车车身前围车头曲面的建模过程中，主要用到了以下命令： （直线）、（样条）、（对特征形成图样）、（通过曲线组）、（剖切曲面）、（基准平面）、（草图）、（偏置曲线）具体建模过程可对照论文做详细了解。 1.打开UG NX 8.0软件，导入汽车车身前视图、俯视图，后视图以及侧视图的tif格式的光栅图。导入过程如下：点击视图按钮→可视化→光栅图像，出现光栅图像对话框，点击指定TIFF图像按钮，出现选取图片对话框，选取准备好的tif格式图片，然后点击创建光栅图像按钮，就在工作界面创建出来插入的图片，过程如图3.1、3.2所示 图 3.1 光栅指令 图3.2 插入光栅图像 将导入的光栅图像调整比例，调整后，轴距达到原车长度，如图3.3所示。轴距已经设定到2602mm，在允许的公差范围内。 图3.3 测量光栅图像轴距 通过变化相对坐标系，来导入其余光栅图像，导入过程和上一步骤一致，具体的过程如图3.4所示。 图3.4 导入其余光栅图像 得到最终的光栅导入图，如图3.5所示。 图 3.5 光栅效果图 2.使用草图功能，利用样条曲线和直线、圆弧、修剪曲线等命令在光栅图像上根据车身外形图片描绘出车身前围轮廓线和车头弧度线，然后利用对特征形成图样命令形成多个按一定弧度分布的前围轮廓线，再利用通过曲线组命令建立轿车车身前围曲面。 建立步骤如下：点击（草图）命令，选取插入的车身侧面光栅图片为草绘平面，点击（艺术样条）命令，然后在图片上根据图片描绘前车头轮廓线，适当调整好后点击确定按钮。过程如图3.6所示。 图3.6 建立前围曲线 接下来创建引导线，首先点击（草图）命令，选取插入的车身俯视光栅图片为草绘平面，然后点击（艺术样条）命令，然后在图片上根据图片描绘前车头弧度轮廓线，适当调整好后点击确定按钮。过程如图3.7所示。 图3.7 建立前围曲线分布引导线 接下来创建前围曲线分布特征，点击插入→关联复制→（对特征形成图样），出现对特征形成图样对话框，选取前围曲线为特征，布局选沿，路径方法选偏置，选取车身俯视图创建的车头轮廓线为路径引导线，间距选数量和跨距，数量选6，位置选弧长百分比，跨距100%，点击确定按钮。然后按照同样的方法，把方向反向创建另一半前围曲线分布特征。过程如图3.8、3.9所示。 图3.8 对特征形成图样 图3.9 创建特征 接下来创建前围曲面，步骤如下：点击插入→网格曲面→（通过曲线组），出现通过曲线组对话框，点击创建的一条前围曲线，然后点击添加新集，再选取另一条前围曲线，再点击添加新集，依次把六条前围曲线选取完，然后点击确定按钮创建车身前围曲面。具体过程如图3.10所示。 图3.10 前围曲面的建立 3.利用同样的方法建立发动机罩轮廓线，然后使用通过曲线组和剖切曲面命令建立车身发动机罩曲面。 建立步骤如下：点击（草图）命令，选取插入的车身侧面光栅图片为草绘平面，点击（艺术样条）命令，然后在图片上根据图片描绘发动机罩曲线，适当调整好后点击确定按钮。然后点击插入→来自曲线集的曲线→（偏置）命令，出现偏置曲线对话框，选取创建的发动机罩曲线，距离500，点击确定，然后再利用相同的方法在反方向创建一条发动机罩曲线，然后点击插入→网格曲面→（通过曲线组），出现通过曲线组对话框，点击创建的一条发动机罩曲线，然后点击添加新集，再选取另一条发动机罩曲线，再点击添加新集，依次把三条发动机罩曲线选取完，然后点击确定按钮。过程如图3.11所示。 图 3.11 创建发动机罩曲线 接下来在车头前方绘制十字交叉线，点击（剖切曲面）按钮，出现剖切曲面对话框，在类型选取圆角-Rho，选取刚创建的发动机罩部分曲面的一边为起始引导线，选取前围曲面的一边为终止引导线，选取发动机罩部分曲面为起始面，选取前围曲面为终止面，选取绘制的十字交叉线的横线为脊线，点击确定创建发动机罩曲面。过程如图3.12、3.13所示。 图3.12 创建发动机罩曲面 图3.13发动机罩效果图 3.2.3轿车车尾曲面的建模过程 在轿车车尾曲面的建模过程中，主要用到了以下命令： （直线）、（样条）、（对特征形成图样）、（通过曲线组）、（剖切曲面）、（草图）具体建模过程可对照论文做详细了解。 1.使用草图功能，利用样条曲线和直线、修剪曲线等命令在光栅图像上根据车身外形图片描绘出车后围轮廓线和车尾弧度线，然后利用对特征形成图样命令形成多个按一定弧度分布的后围轮廓线，再利用通过曲线组命令建立轿车车身后围曲面。 具体步骤如下：点击（草图）命令，选取插入的车身侧面光栅图片为草绘平面，点击（艺术样条）命令，然后在图片上根据图片描绘后车尾轮廓线，适当调整好后点击确定按钮。接下来创建引导线，首先点击（草图）命令，选取插入的车身俯视光栅图片为草绘平面，然后点击（艺术样条）命令，然后在图片上根据图片描绘后车尾弧度轮廓线，适当调整好后点击确定按钮。接下来创建后围曲线分布特征，点击插入→关联复制→（对特征形成图样），出现对特征形成图样对话框，选取后围曲线为特征，布局选沿，路径方法选偏置，选取车身俯视图创建的车尾轮廓线为路径引导线，间距选数量和跨距，数量选6，位置选弧长百分比，跨距100%，点击确定按钮。然后按照同样的方法，把方向反向创建另一半后围曲线分布特征。过程如图3.14所示。 图3.14 建立后围轮廓线 接下来创建后围曲面，步骤如下：点击插入→网格曲面→（通过曲线组），出现通过曲线组对话框，点击创建的一条后围曲线，然后点击添加新集，再选取另一条后围曲线，再点击添加新集，依次把六条后围曲线选取完，然后点击确定按钮创建车身后围曲面。建立过程如图3.15所示。 图 3.15 创建后围曲面 2.使用相同的方法创建行李箱盖。 具体步骤如下：点击（草图）命令，选取插入的车身侧面光栅图片为草绘平面，点击（艺术样条）命令，然后在图片上根据图片描绘行李箱盖轮廓线，适当调整好后点击确定按钮。接下来创建引导线，首先点击（草图）命令，选取插入的车身俯视光栅图片为草绘平面，然后点击（艺术样条）命令，然后在图片上根据图片描绘行李箱盖弧度轮廓线，适当调整好后点击确定按钮。接下来创建后围曲线分布特征，点击插入→关联复制→（对特征形成图样），出现对特征形成图样对话框，选取行李箱盖曲线为特征，布局选沿，路径方法选偏置，选取车身俯视图创建的行李箱盖轮廓线为路径引导线，间距选数量和跨距，数量选6，位置选弧长百分比，跨距100%，点击确定按钮。然后按照同样的方法，把方向反向创建另一半后围曲线分布特征。接下来创建后围曲面，步骤如下：点击插入→网格曲面→（通过曲线组），出现通过曲线组对话框，点击创建的一条行李箱盖曲线，然后点击添加新集，再选取另一条行李箱盖曲线，再点击添加新集，依次把六条行李箱盖曲线选取完，然后点击确定按钮。过程如图3.16所示。 图3.16 创建行李箱盖曲面 接下来点击（剖切曲面）按钮，出现剖切曲面对话框，在类型选取圆角-Rho，选取刚创建的行李箱盖部分曲面的一边为起始引导线，选取后围曲面的一边为终止引导线，选取行李箱盖部分曲面为起始面，选取后围曲面为终止面，选取绘制的十字交叉线的横线为脊线，点击确定创建行李箱盖曲面。过程如图3.17、3.18所示。 图 3.17 将行李箱盖曲面和车后围曲面连接起来 图 3.18 车尾效果图 3.2.4轿车车身侧面曲面的建模过程 在轿车侧面曲面的建模过程中，主要用到了以下命令： （直线）、（样条）、（通过曲线组）、（拉伸）、（修剪体）、（圆）、（镜像特征）、（对特征形成图样）、（剖切曲面）、（草图）具体建模过程可对照论文做详细了解。 1.使用草图功能，利用样条曲线和直线等命令在光栅图像上根据车身外形图片描绘出车身侧面轮廓线和车身弧度线，然后利用对特征形成图样命令形成多个按一定弧度分布的车身侧面轮廓线，再利用通过曲线组命令建立轿车车身侧面曲面。 具体步骤如下：点击（草图）命令，选取插入的车身前视图光栅图片为草绘平面，点击（艺术样条）命令，然后在图片上根据图片描绘车身侧面轮廓线，适当调整好后点击确定按钮。接下来创建引导线，首先点击（草图）命令，选取插入的车身俯视光栅图片为草绘平面，然后点击（艺术样条）命令，然后在图片上根据图片描绘车身侧面弧度轮廓线，适当调整好后点击确定按钮。接下来创建后围曲线分布特征，点击插入→关联复制→（对特征形成图样），出现对特征形成图样对话框，选取行李箱盖曲线为特征，布局选沿，路径方法选偏置，选取车身俯视图创建的车身侧面轮廓线为路径引导线，间距选数量和跨距，数量选4，位置选弧长百分比，跨距100%，点击确定按钮。然后按照同样的方法，把方向反向创建另一半后围曲线分布特征。接下来创建车身侧面曲面，步骤如下：点击插入→网格曲面→（通过曲线组），出现通过曲线组对话框，点击创建的一条车身侧面曲线，然后点击添加新集，再选取另一条车身侧面曲线，再点击添加新集，依次把四条车身侧面曲线选取完，然后点击确定按钮创建车身侧面部分曲面。建立过程如图3.19所示。 图 3.19 车身侧面部分曲面建立 2.通过建立发动机罩与后备箱盖过渡曲面，再利用桥接曲面、剖切曲面、镜像特征等命令绘制车身侧曲面。 具体步骤如下：点击（剖切曲面）按钮，出现剖切曲面对话框，在类型选取圆角-Rho，选取创建的行李箱盖曲面的一边为起始引导线，选取发动机罩曲面的一边为终止引导线，选取行李箱盖曲面为起始面，选取发动机罩曲面为终止面，选取绘制的十字交叉线的横线为脊线，点击确定创建发动机罩与后备箱盖过渡曲面。过程如图3.20、3.21所示。 图3.20建立发动机罩与后备箱过渡曲面 图3.21 曲面效果图 选取十字交叉线的交点绘制一条贯穿车身的直线，再次点击（剖切曲面）按钮，出现剖切曲面对话框，在类型选取圆角-Rho，选取创建的发动机罩与后备箱盖过渡曲面的一边为起始引导线，选取车身侧面曲面的一边为终止引导线，选取发动机罩与后备箱盖过渡曲面为起始面，选取车身侧面曲面为终止面，选取绘制的贯穿车身的直线为脊线，点击确定创建车身侧面曲面。然后利用（镜像特征）命令，选取建立的车身侧面曲面，车身侧视光栅图像为镜像面创建另一车身侧面曲面特征。建立过程如图3.22所示。 图3.22 创建侧面曲面 3.使用草图功能在光栅图像上绘制车轮轮廓线，利用拉伸，修剪体等命令创建车轮特征。 具体步骤如下：点击（草图）命令，选取插入的车身侧视图光栅图片为草绘平面，点击（圆）命令，然后在图片上根据图片描绘车轮轮廓线，适当调整好后点击确定按钮，然后点击（拉伸）按钮，出现拉伸对话框，点击车轮曲线为拉伸对象，点击确定。过程如图3.23所示。 图 3.23 创建前车轮特征 接下来点击插入→修剪→修剪体命令，选取侧面曲面为体特征，选取拉伸的车轮曲面为修剪工具，点击确定。然后利用相同的方法创建其他车轮特征。建立过程如图3.24、3.25所示。 图3.24 创建后车轮特征 图 3.25 创建车轮效果图 3.2.5轿车车身上部曲面的建模过程 在轿车车身上部曲面的建模过程中，主要用到了以下命令： （直线）、（样条）、（偏置曲线）、（通过曲线组）、（拉伸）、（修剪体）、（桥接曲面）、（基准平面）、（剖切曲面）、（草图）等，具体建模过程可对照论文做详细了解。 1.使用草图功能，利用样条曲线和直线等命令在光栅图像上根据车身外形图片描绘出车身前挡风玻璃和车身后玻璃轮廓线，然后利用偏置曲线命令形成多个车身前后玻璃轮廓线，再利用通过曲线组命令建立轿车车身前后玻璃曲面。 具体步骤如下：点击（草图）命令，选取插入的车身侧面光栅图片为草绘平面，点击（直线）命令，然后在图片上根据图片描绘前挡风玻璃曲线，适当调整好后点击确定按钮。然后点击插入→来自曲线集的曲线→（偏置）命令，出现偏置曲线对话框，选取创建的前挡风玻璃曲线，距离选测量，测量距离为前挡风玻璃曲线到发动机罩与后备箱过渡曲面的边界，点击确定，然后再利用相同的方法在反方向创建一条前挡风玻璃曲线。过程如图3.26所示。 图 3.26 车身前后玻璃轮廓线创建 接下来点击插入→网格曲面→（通过曲线组），出现通过曲线组对话框，点击创建的一条前挡风玻璃曲线，然后点击添加新集，再选取另一条前挡风玻璃曲线，再点击添加新集，依次把三条前挡风玻璃曲线选取完，然后点击确定按钮，创建前挡风玻璃曲面。然后利用相同的方法创建后玻璃曲面。建立过程如图3.27所示。 图3.27 车身前后玻璃曲面创建 2.使用桥接曲面命令，选取前面创建的前后玻璃曲面建立车顶曲面。具体步骤如下：点击插入→细节特征→桥接，出现桥接曲面对话框，选取创建的前后玻璃边界为边，点击确定创建桥接曲面。建立过程如图3.28所示。 图 3.28 建立车顶曲面 3.选取前后玻璃曲面、车顶曲面和车身侧曲面使用剖切曲面命令建立车窗曲面。具体步骤如下：在车身里面创建一与车身侧面平行的矩形曲面，点击（剖切曲面）按钮，出现剖切曲面对话框，在类型选取圆角-Rho，选取创建的车顶曲面的一边为起始引导线，选取创建的矩形曲面的一边为终止引导线，选取车顶曲面为起始面，选取矩形曲面为终止面，选取绘制的贯穿车身的直线为脊线，点击确定创建车窗曲面。过程如图3.29所示。 图 3.29 车窗曲面建立 接下来利用镜像特征命令创建另一侧车窗。点击插入→关联复制→镜像特征，出现镜像特征对话框，然后选取创建的车窗特征，车身侧面光栅图片为镜像平面，创建车窗镜像特征。建立过程如图3.30、3.31所示。 图 3.30 镜像车窗曲面特征 图 3.31 镜像后模型图 3.3真实着色 在窗口空白处单击鼠标右键，选择真实着色，出现真实着色对话框，选取适合的颜色进行着色，得到的效果图如图3.32所示。 图 3.32 真实着色图 4 车身轻量化设计 4.1车身轻量化设计的必要性 降低车身质量是提高汽车燃油经济性的重要途径，对于车身占总质量30%~40%的轿车来说，车身结构的轻量化对于整车的轻量化具有重要意义。材料表明，汽车重量每降低100公斤，每百公里可节约0.6升燃油。大量使用铝合金的汽车，平均每辆汽车可降低重量300公斤(从1400公斤到1100公斤)，寿命期内排放可降低20%。由此可见，伴随轻量化而来的突出优点就是油耗显著降低。汽车车身约占汽车总质量的30%，空载情况下，约70%的油耗用在车身质量上，必须要减轻自重以提高整车燃料经济性为目的。车身的轻量化设计，可以保证车身具有良好的刚度性能和均匀合理的受力分布，提高材料的利用率。在保证汽车安全性的前提下，实现汽车车身结构的轻量化设计，从燃油经济性角度看有重要的现实意义。 4.2车身轻量化的主要途径 轿车车身轻量化技术主要包括轻量化材料的使用和结构的轻量化设计。前者是车身轻量化的主流，即采用轻量化的金属和非金属材料，主要是采用高强度钢材、铝镁合金、工程塑料、碳纤维、新型玻璃、陶瓷和各种复合材料；后者是利用有限元法和优化设计等方法，通过改进汽车结构，使部件薄壁化、中空化、小型化及复合化以减小车身骨架和车身钢板的质量来达到轻量化目的。实际上两者是紧密相连的，往往采用轻量化材料结合轻量化结构设计，在性能不降低的前提下获得轿车车身的轻量化。 4.2.1采用轻质材料 （1）超高强度钢板 传统的设计理念是通过提高零件的料厚来获得整车的碰撞性能和耐久性能 ,而现在可以通过选用高强度钢板、减少料厚的办法来获得更好的碰撞性能和耐久性能 ,同时又减少车身重量。现在的钢材分类为普通钢、高强钢和超高强钢板 ,如图4.1所示。 图4.1 钢材分类 普通钢屈服强度在 110～180MPa,烘烤硬化钢屈服强度在 130～300MPa,这两种材料一般用在车身的外覆盖件和地板零件上。 高强度钢屈服强度在340～550MPa,一般用作结构加强件。超高强度钢板一般指抗拉强度超过550MPa,主要有DP钢和MS钢 (马氏体钢 )。DP钢的抗拉强度在500～1000MPa,一般用于需要高抗拉强度、高碰撞吸能且成型较复杂的车身零件 ,如前舱大梁、B柱内外板等。MS钢抗撞强度有900MPa,1300MPa,由于MS钢强度极高 ,所以一般用滚压成型工艺生产 ,主要应用在门槛梁上。例如新 Civic,由于提高了高强钢的比例 ,汽车的安全性由 Euro NCAP4星提高到5星 ,车身的动刚度和 NVH性能得到了进一步提高 ,而车身重量却减少了2 kg。 （2）铝及铝合金 铝的密度为 2.7g/ cm³ ,约为钢的1/3。铝作为汽车材料有许多优点,如在满足相同机械性能的条件下、比钢减少质量 60 %、易于回收、在碰车中比钢多吸50 %的能量、不需防锈处理等。此外 ,传统的钢板成型压机都可以用于成型铝,只是工艺设计中应注意补偿铝板中较大的回弹量。因而铝被广泛应用于汽车上(尤其是轿车)。随着铝及铝合金制品工艺的成熟,铝及铝合金作为一种汽车轻量化材料,被越来越多地应用于各种车辆上。1978年世界中级轿车的车均铝材耗量为32kg ,1998年增加到85kg ,即20年内增长1.7倍。据预测 ,2008年每辆轿车的铝使用量将进一步上升到130kg ,与 1998年相比增长53 %。日本在铝合金材料应用方面发展比较快 ,自1985～1995年的10年间 ,日本汽车工业用铝量几乎增加一倍 ,达到100万吨 ,其中跑车平均每车用铝量达到250kg ,占整车的16. 4% ,各种轿车每车平均用铝量达到101kg ,占整车的8.8%。日本分析家认为,到2001 年用铝量平均将突破10%。1996年奥迪公司生产的全铝 A8轿车采用铝合金挤压车架,质量降低了35% ,抗扭强度增加了50%。该公司推出的A2小型轿车也将采用全铝车身,其年产量比A8大得多。美国的一项研究报告表明,采用铝材料,整备质量为1483.6kg的轿车,在保持全部性能的前提下,车身质量能降低 125kg。可见铝及铝合金制品对于车辆的轻量化作用重大,其前景非常可观。 （3）镁合金 镁合金是比铝合金密度更小的轻质材料。其耐热耐压耐腐蚀且易于回收利用。欧洲正在使用和研制的镁合金汽车零部件有 60多种。汽车用镁合金零件绝大部分是压铸件，对减小汽车质量、提高燃油经济性、保护环境、提高安全性和驾驶性、增强竞争能力等方面的效果显著，所以在汽车行业应用大有潜力。最近正在开发或已经开发成功的新型镁合金有耐蚀镁合金、阻燃镁合金、高强高韧镁合金和变形镁合金等。 （4）工程塑料 车身采用塑料材料具有质量小、易于加工和防锈防腐蚀的特点。目前汽车的保险杠几乎都是塑料件