汽车车身流线型设计研究

　　汽车，一个神奇的工具，也是人类历史上最伟大的发明，如今随着时代的发展，它已经演变成为当今人类文明的重要标志之一，它存在的价值已经与普通的代步工具无法比较，而是成为了人们生活中不可或缺的一部分。汽车已经演变成了一种文化，而且与我们的生活息息相关。并且在如今的生活中，轿车可谓是无处不在。

　　最早的机动蒸汽机于1705年由纽可门通过自己刻苦的钻研以及探索发明出来，是一台只需要机械做功的蒸汽机。随着这种蒸汽机的出现与使用，使得人类历史上的第一次工业革命被拉开了序幕。同时也意味着汽车开始进入人类社会：

　　1769年，世界上第一辆蒸汽驱动三轮汽车诞生。

　　1804年，脱威迪克(Trouithick)设计并制造了一辆蒸汽汽车，这辆汽车还拉着十吨重的货物在铁路上行驶了15.7公里。

　　1831年，X的哥德史沃奇.勒(ColdsworthyGur-ney)将一台蒸汽汽车投入运输，最早的汽车运输服务就此诞生，这台运输车走完全程约需45分钟。此后的三年内，伦敦街头也出现了蒸汽驱动公共汽车。因为当时的人们对汽车还未像现在这样有良好的认知与熟悉，蒸汽汽车在城镇行驶的时候，对居民来说是一种很大的恐惧。话说回来，当时的汽车由于只是研究的不透彻，到处都是缺陷，比如质量重，速度慢，还经常损坏道路，对市民的生活造成很多不便。市民们当时曾呼吁取缔这种汽车。为了保证市民的正常生活，英国XX发布了“红旗法规”，也是因为这条法规，使得英国在以后的汽车研究中停滞不前，被其他工业国家所超越。

　　1898年在法国，开办了一场备受瞩目的汽车大赛（历经巴黎与波尔多，近1200公里的汽车大赛），也是当时自汽车发展开始到当时的首次汽车大赛。自从那一次的大赛结束，汽车的制造都朝着一个目的发展：速度。回首过去的百余年，不管汽车工业如何发展，速度一直都是人们所追求的重点。

　　假如单单以汽车的造型划分，那么克莱斯勒就是第一个将空气动力学运用到汽车外形设计的品牌。1934年，它设计出了世界上第一辆流线型轿车“气流”。该设计打破了传统汽车的设计概念。即使二次世界大战使得全球的经济发展处于停滞状态，也在不同程度上影响了汽车经济的发展。不过从客观的角度上来思考，二战期间，各国在军备竞赛

　　上所带来的机械设计技术的进步，同时也是为以后汽车的成长做出了不小的贡献。在此期间，随着飞机的制造水平不断的提高，便使得空气动力学得到了很好的发展，同时造就了一大批空气动力学专家级学者，也因此得以使空气动力学运用到汽车的设计上。这其中，宝马（BMW），就是一个最具有代表意义的品牌。20世纪中期，随着外国自由主义思潮的兴起，为培养汽车文化带来了很好地社会环境。因此很容易的就将自由精神与速度联想到了一块，并且因为汽车流线型的多变风格，汽车便代表了渴望脱离约束的人们的物质宣言。20世纪末期，传统的汽车设计融入了大量的电子技术。汽车在设计的过程中加入了大量的电子元素，因此被设计出来的汽车不论是在外型还是速度上都有了更高的性能体验，还有就是单单为了用于享受和娱乐的设备被加入此中，从此汽车演变成为了私人的享受器材。正因为汽车的这种性质化的改变，促使自身的消费群体进一步的扩大。随着汽车的需求量的增大，人们对其外观的追求也逐渐变高，因此时尚的外观也成为人们对汽车的另一类追求。

　　轿车是指用于载送人员以及其随身物品之类，并且座位布置在两轴之间的汽车。包括驾驶者在内，座位数最多不超过九个。一般轿车强调的是以乘员为中心的舒适性。而且是从经济性考虑出发，选择马力适中、排量小、耗油量小的发动机。在中国内地的行驶证管理方面，轿车特指区别于货车、皮卡、SUV、大巴、中巴的小型汽车，俗称为“小轿车”。

　　依据我国大陆标准可以将轿车划分为：微型轿车（排量/1L以下）、普通级轿车（排量为1.0~1.6L）、中级轿车（排量为1.6~2.5L）、中高级轿车（排量为2.5~4.0L）、高级轿车（排量为4L以上）。

　　在世界轿车发展史上，轿车消费家庭化是从经济型轿车的发展开始的，在绝大多数发达国家中，家用轿车市场的主流都是经济型轿车。当今世界上，环保、节能、紧凑型的经济型轿车倍受消费者的青睐，发展经济型轿车产业更受到各国XX的鼓励和支持。各轿车制造商也大力推出各种小型车以迎合市场的需求。在中国，因为人口众多，人均可利用资源水平较低，同时，由于中国人均所得水平不高，整体消费能力相对低下，要启动家用轿车市场，走轿车消费全民化的路子，发展经济型轿车产业，是较为经济、理想的选项，符合中国的国情。

　　中国从20世纪80年代中叶发展经济型轿车产业，现在以形成一定的规模。经济型轿车的市场也在不断的成长，成为中国家用轿车市场和出租车市场的主体。进入2000年，中国经济型轿车新品陆续问世，社会各界对经济型轿车期待良久，业内人士关心备至，加上新车型的不断涌现，中国经济型轿车面临一个市场导入期，将对中国轿车市场产生重大影响。由于诸多因素的影响，中国经济型轿车产业的发展道路多年来一直良多坎坷。

　　自从我国加入WTO以后，国门洞开，进口轿车就像脱缰的野马越过低矮的门槛，挤占经济型轿车应有的市场份额，国内的经济型轿车市场因此产生了强烈的冲击，国内轿车消费环境，也使经济型轿车步履维艰。而国家宏观经济环境持续走好，国民消费能力不断提高，是经济型轿车能够战胜恶劣的环境而继续保持发展势头的原动力，但毕竟代价高昂。在未来的发展道路上，经济型轿车产业和市场注定也面临着许多机会和威胁。尤其在汽车研发这一块，国内汽车工业由于各种原因和世界先进水平仍然有很大的差距。近二十年的合资企业和所谓“市场换技术”的策略，虽然造就了相当的制造能力，但却没有提升国内汽车开发水平。反之，跨国企业为了其利益不断扼杀国内自主研发能力，造成其严重落后的现状。目前国内车身设计绝大多数只能做逆向工程。不过值得庆祝的是，这个问题已经逐步得到了改观，“自主研发”已经成为业界目前最热的话题。各自主品牌纷纷推出自己的新作，尽管当中许多还是夹杂了国外设计力量的作品，但它代表国内自主研发力量正在努力追赶世界水平。

　　中国是一个计划经济占主体地位的国家，在市场上意识不强，对价钱敏感度也较差。以前的轿车是按计划分配的模式出售。现在的通俗分类法：以价格为主，技术规格为辅。即把20万元以上的轿车解释为中高级轿车；15万元~20万元的轿车为中级轿车；10万元左右的或者10万元~15万元的为普通轿车；同时还有微型轿车和经济型轿车都是价格低于10万元以下的轿车。

　　在汽车百余年的发展中，车身的制造与设计经过了无数个发展时期，各具独特的风格。传统设计方式分为初步设计和技术设计。初步设计采用缩小的比例，需要绘制车身布置图，彩色效果图和雕塑1:5的油泥模型。技术设计阶段多采用1:1的比例，需要绘制线性图，制作车身主模型，取样板等步骤。

　　现代设计方法可以分为工程设计和概念设计两个阶段。国外车身设计是以三维模型为基础的。跟着科学技术的提高，尤其是这些年计算机辅助技术的飞速成长，使得如今的车身设计技术拥有全新的面貌。该技术将计算机超高速的计算性能、精确的处理信息的能力与人类的创造思维能力以及推理判断能力联合在了一起，为车身的设计提供了全新的技术方式，很大一定程度上将车身造型设计的效率提高，降低了车型开发所需时间。

　　在这次的设计中，我根据现在的发展趋势，利用计算机辅助设计（CAD），完成对车身的设计。首先利用AutoCAD软件对车身流线型总布置进行设计，并且画出相应的工程图，之后再利用Catia、Alias等软件进行渲染输出，最后攥写设计说明书。

　　汽车造型设计是指汽车在基本参数被确定以后，进一步使汽车获得具体形状和艺术面貌的过程，它包括外形设计和室内造型设计。汽车造型设计是汽车设计过程中一个重要的构成成分，应使汽车拥有美观的艺术形象，杰出的空气动力学性能，杰出的工艺性，杰出的适用性，并思量质料的装饰效果。我此次的研究是汽车车身流线型设计。

　　依据承载方式的不同，能把车身区分为非承载式，半承载式和承载式三种不同类型。非承载式车身和承载式车身划分的依据则是按照有无刚性车架划分。非承载式车身的结构特点是有独立的车架，所以也称为车架式车身。车架的主要结构型式分为边梁式、周边式、中梁式、综合式和钢管式五种。无论任何结构的车架，均必须保证以下性能：

　　（1）有足够的强度。保证在各种复杂受力的情况下车架不受破坏；要求有足够的疲劳强度；保证在汽车大修里程内，车架不致有严重的疲劳损伤。

　　（2）有足够的完全刚度。保证汽车在各种复杂受力的使用条件下，固定在车架上的各总成不致因为车架的变形而早期损坏或失去正常的工作能力。

　　（3）有适当的扭转刚度。当汽车形势与不平的路面时，为了保证汽车对路面不平的适应性，提高汽车的平顺性和通过能力，要求车架具有合适的扭转刚度。通常要求车架两端的扭转刚度大些，而中间部分的扭转刚度适当小些。

　　（4）尽量减轻质量。由于车架较重，对于钢板的消耗量相当大。因此，车架应按等强度的原则进行设计，以减轻汽车的自重和降低材料消耗量。在保证强度的条件下，尽量减轻车架的质量。通常，要求车架的质量应小于整车整备质量的10%。

　　非承载式车身结构的优点在于：

　　（1）除了轮胎与悬架系统对整车起到缓冲吸振作用以外，挠性橡胶垫还可以起到辅助缓冲、适当吸收车架的扭转变形和降低噪声的作用，既可延长车身的使用寿命，又能提高乘坐的舒适性，目前此种车身结构形式仍然较为广泛的被采用于高级轿车和部分中级轿车上。

　　（2）底盘和车身可以分开装配，然后总装在一起，这样既可简化装配工艺，又便于组织专业化协作。

　　（3）由于有车架作为整车的基础，这样便于汽车上各总成和部件的安装，同时也易于更改车型和改装成其他用途的车辆，货车和专用汽车以及非专业厂生产的大客车之所以长期保留有车架，其主要原因就是在于此。

　　（4）发生撞车事故时，车架还可以对车身起一定的保护作用。

　　非承载式车身的缺点在于：

　　（1）由于设计时不考虑车身承载，故必须保证车架有足够的强度和刚度，从而导致整车自重增加。

　　（2）由于底盘和车身之间装有车架，使整车高度增大。

　　（3）车架是汽车上体积最大而且质量最大的零件，所以必须具备大型的压床、焊接、工装和检验等一系列较复杂昂贵的制造设备。

　　半承载式车身是一种过渡型的结构，车身下部仍保留有“车架”，不过它的强度和刚度可稍低于非承载式的车架，为了有所区别，一般将它称为“底架”。它具有有整车重量难以减轻；车身地板高度受底盘的限制而难以降低；车架构件的制造需要大型压力机及装焊、校验等一系列昂贵生产设备；底盘结构调整不易，改进成本高，开发周期长等特点。

　　承载式车身

　　承载式车身的结构特点是没有车架。车身由底板、骨架、内蒙皮和外蒙皮、车顶等组焊成刚性框架结构，整个车身构件全部参与承载，所以称为承载式车身。由于无车架，因此也称为无车架式车身。

　　承载式车身的优点在于：

　　（1）质量轻，整体弯曲和扭转刚度好。

　　（2）车室底板底，车辆高度尺寸小。

　　（3）以薄板加工为主，且可用点焊焊接，所以易于批量生产。

　　承载式车身的缺点则是路面和发动机等的噪声以及振动容易传入车身；因为用整个车身来确保刚度，所以很难改造。

　

　　美学主要研究美的存在，美的认识和美的创造。具有美感的汽车车身造型应该是符合由人类长期实践总结出来的美学基本原则，是外在形式美和内在科技美的统一。一个优秀的汽车车身造型师也应该在美学基本原则的基础上，针对不同消费群体来进行不同的设计，而且根据独特的设计思想，可以成为推动其实现目标的技术手段。

　　轿车车身的造型演变主要经历了马车型、厢型、甲壳虫型、船型、鱼型、楔形几个阶段。由于本次设计是关于流线型车身设计，于是借鉴奥迪A6L的风格设计，确定本次造型风格。该车在流线型车身表面捏出很多折线，棱角分明，锋芒毕露。旨在通过这种前卫时尚稳重的外观，表现一种力量与自信，让车在静止状态就诱惑人们有驾驶的欲望

　　从外形设计方面来看，奥迪A6L标志性的车身设计很好地把经典、复古和现代、时尚融为一体，在透露着奥迪创始人霍希在30年代时统治德国顶级豪华车市场时的威严的同时，还表现出奥迪自战后复兴以来突出运动和科技特点的品牌理念。该车的尾部上方的棱角是将圆润的流线型改为略微翘起的，此改变拥有扰流板的功效，能使在高速行驶时的车辆获得足够的附着力，以便于增强车辆在高速行驶状态下的操控性和安全性，同时也让尾部造型显得更为硬朗与运动化。总所周知，奥迪产品被公认为极致经典的低悬式车窗设计以及类似跑车的车顶轮廓现在变得更具张力，动感十足：低平的腰线向后上扬的肩线把整个车身勾勒出蓄势待发、呼之欲出的动感神态。而发动机舱盖中部醒目的弧形设计更突显了全新奥迪A6L的强劲动力和出众性能。除了车身尾部的灯组设计外，车身可分为上下两个部分。依次首先是整个行李箱盖的设计，有曲线营造出来的立体感极为突出，当中的重点所在仿佛就是被连在一起的扰流翼。车尾下方则是一体式的保险杠，虽然线条明显较车身来得简单，但是硬朗的线条仍然很认真的刻画出来，可谓彻头彻尾。

　　车身设计的特别之处还远远不止这一些，在感官方面它同样可以提供美妙的体验。车体上的凹陷部分与凸起部分与光线交相辉映，柔和的曲线与强烈的直线互相补充，光滑的钢铁质感为汽车的每一个细微部位都带来了非常豪华的感觉。

　　与原车型的区别在于，本次设计将原本的奥迪A6L的“大嘴”造型舍弃，而采用大众Passat的前脸造型，一体化设计更显低调却又不缺奢华，加上组合前灯的配合，隐约间流露出平易近人的气质，满足该车应具有的市场价值观。与车身硬朗的线条相比较，圆润风格的后视镜及防滚架为整车张扬的性格增添了几分收敛，使视觉上更显得平衡

　　自汽车被制造出来以后，经过100多年的不断努力，结构和性能均有了质的变革和发展，越来越深入的体现着机械工程学、人体工程学和空气动力学等诸多学科研究的成果。在当今汽车领域里，人体工程学与机械工程学要素，已经到达了相当高的发展阶段，而空气动力学要素还具有更大的发展余地。随着汽车车速的不断提升，需要的性能也越来越高，以及在高速行驶时保证汽车的动力性、经济性、操纵稳定性和冷却通风、降低风噪等的需要，汽车的空气动力性能渐渐地为人们所认知，空气动力学已成为研究汽车车身设计中的基础学科之一，也是汽车车身水平评估的重要依据。

　　为了减少空气阻力系数，现代轿车的外形一般用圆滑流畅的曲线去消隐车身上的转折线。前围与侧围、前围、侧围与发动机罩，后围与侧围等地方均采用圆滑过渡，车尾后箱盖短而高翘，发动机罩向前下倾，后翼子板向后收缩，挡风玻璃采用大曲面玻璃，且与车顶圆滑过渡，侧窗与车身相平，前后灯具、门手把嵌入车体内，车身表面尽量光洁平滑，车底用平整的盖板盖住，降低整车高度等等，这些措施有助于减小风阻系数。

　　车身的造型设计首要目的就是解决空气阻力的问题，1934年雷伊教授首次采用了风洞和汽车模型开展了车身空气阻力实验，测量了各种形状的车身空气阻力系数。得出结果——流线型车身既美观同时空阻系数也最低。于是流线型的车身被广为应用到汽车生产中。1934年生产的克莱斯勒小客车就是最早采用流线型车身的产品。1936年林肯轿车又较之进步了许多，精心设计了其车身附件是该车整体看起来颇具动感。1937年德国天才费尔南德·保时捷开始设计类似甲壳虫外形的汽车。甲壳虫汽车堪称汽车设计史中的经典，其仿生学的设计理念不只使具有很好的空气动力性，独特的造型也是他风靡一时，时至今日仍然引领了驾驶和乘坐的舒适度。由此可见，汽车作为一个工具，它的使用功能也是至关重要的。

　　轿车造型，对空气动力性能有一定的要求。纵观现今轿车设计，流线型车身，丰富的扰流件设计，圆润的曲线，无不体现优异的空气动力学性能。

　

　　在本次设计中，车身的前部保持着圆润的线条，低平的发动机罩提供了较低的气动阻力。车尾设计成短平的是为了减少从车顶向后部作用的负气压，有效防止后轮漂浮。前端底部的扰流板，可以减少进入底部的气流量，还能使底部气流顺利地向尾部或侧面流动，并保持一定的流速，使气动升力系数下降。和行李箱盖上端翘起连在一起的扰流翼，将从车顶冲下来的气流组滞，形成气动负升力，压迫驱动轮紧贴地面，保证动力可以有效的输出。

　　本次进行模拟的软件是COMSOLMultiphysics，COMSOLMultiphysics为COMSOL公司其旗舰产品。COMSOLMultiphysics起源于MATLAB的Toolbox，最初命名为Toolbox1.0。后来改名为Femlab1.0（FEM为有限元，LAB是取自于Matlab），这个名字也一直沿用到Femlab3.1。

　　COMSOL公司是全球多物理场建模与仿真解决方案的提倡者和领导者，使工程师和科学家们可以通过模拟，赋予设计理念以生命。它有无与伦比的能力，使所有的物理现象可以在计算机上完美重现。COMSOL的用户利用它提高了手机的接收性能，利用它改进医疗设备的性能并提供更准确的诊断，利用它使汽车和飞机变得更加安全和节能，利用它寻找新能源，利用它探索宇宙，甚至利用它去培养下一代的科学家。

　　从3.2a的版本开始，正式命名为COMSOLMultiphysics，因为COMSOL公司除了Femlab外又推出了COMSOLScript和COMSOLReactionEngineering等一系列相关软件。这两款软件也相当于Femlab的工具箱，也是为了满足科研人员更高的要求。如在COMSOLScript中，你可以自己编程得到自己想要的模型并求解；你也可以通过编程在COMSOLMultiphysics基础上开发新的适用本专业的软件，也就是一个二次开发工具。所以COMSOL只是个公司名，软件名应该是COMSOLMultiphysics，但由于现在大家都习惯了，也就不再计较这些了。

　　Multiphysics翻译为多物理场，因此这个软件的优势就在于多物理场耦合方面。多物理场的本质就是偏微分方程组（PDEs），所以只要是可以用偏微分方程组描述的物理现像，COMSOLMultiphysics都能够很好的计算、模拟、仿真。

　　COMSOLMultiphysics是一款大型的高级数值仿真软件。广泛应用于各个领域的科学研究以及工程计算，被当今世界科学家称为“第一款真正的任意多物理场直接耦合分析软件”。模拟科学和工程领域的各种物理过程，COMSOLMultiphysics以高效的计算性能和杰出的多场双向直接耦合分析能力实现了高度精确的数值仿真。

　　COMSOLMultiphysics是以有限元法为基础，通过求解偏微分方程（单场）或偏微分方程组（多场）来实现真实物理现象的仿真，被当今世界科学家称为“第一款真正的任意多物理场直接耦合分析软件”。用数学方法求解真实世界的物理现象，COMSOLMultiphysics以高效的计算性能和杰出的多场双向直接耦合分析能力实现了高度精确的数值仿真。目前已经在声学、生物科学、化学反应、弥散、电磁学、流体动力学、燃料电池、地球科学、热传导、微系统、微波工程、光学、光子学、多孔介质、量子力学、射频、半导体、结构力学、传动现象、波的传播等领域得到了广泛的应用。

　　大量预定义的物理应用模式，范围涵盖从流体流动、热传导、到结构力学、电磁分析等多种物理场，用户可以快速的建立模型。COMSOL中定义模型非常灵活，材料属性、源项、以及边界条件等可以是常数、任意变量的函数、逻辑表达式、或者直接是一个代表实测数据的插值函数等。

　　预定义的多物理场应用模式，能够解决许多常见的物理问题。同时，用户也可以自主选择需要的物理场并定义他们之间的相互关系。当然，用户也可以输入自己的偏微分方程（PDEs），并指定它与其它方程或物理之间的关系。

　　COMSOLMultiphysics力图满足用户仿真模拟的所有需求，成为用户的首选仿真工具。它具有用途广泛、灵活、易用的特性，比其它有限元分析软件强大之处在于，利用附加的功能模块，软件功能可以很容易进行扩展。

　　车身总布置设计是在整车总布置的基础上进行的。根据自己查阅的数据及技术要求，可以得到汽车的基本尺寸，轴荷分布范围以及水箱、动力总成、前后桥、传动轴与车轮等的轮廓尺寸和位置。据此在参考同类车型有关的数据，初步确定前后悬长度、前后风窗位置和角度、发动机罩高度、地板平面高度、前围板位置、座椅布置、中部空间控制尺寸、方向盘位置角度与操纵机构和踏板的互相位置等。

　　轿车车身的布置在很大程度上是受到底盘布置形式的约束的。底盘的布置形式常见的有四种：发动机前置前驱，前置后驱，后置后驱和中置后驱。本次设计中采用的为前置后驱的方案。前置后驱的优点有：在拼合良好的路面上启动、加速或爬坡时，驱动轮的负荷增大(即驱动轮的附着压力增大)，其牵引性能比前置前驱型式优越；轴荷分配比较均匀，因而具有良好的操纵稳定性和行驶平顺性，并有利于延长轮胎的使用寿命；发动机、离合器和变速器等总成临近驾驶室，简化了操纵机构的布置；转向轮是从动轮，转向机构结构简单、便于维修。它的弊端则是：由于采用传动轴装置，不仅增加车重，还影响乘坐的舒适性；同时降低动力传东西的传动效率，影响了燃油经济性和动力性；纵置发动机、变速器和传动轴等总成的布置，使驾驶室空间减小，影响乘坐舒适性；同时，地板高度的降低也受到限制；汽车正面发生碰撞时，易导致发动机进入车厢，会对前排驾驶员造成伤害；在雪地或易滑路面上启动加速时，后轮推动车身，易发生摆尾现象。前置前驱的优势在于：动力系统结构紧凑，驱动轴短，动力输出损耗低。在操控方面，前前驱车天生具有转向不足的特性，容易驾驶。在布局方面，没有传动轴经过车厢，可以降低车身中间的隆起，增大车厢可用空间。其缺点是起步时，前轴负荷会减少，导致轮胎附着力降低，影响动力输出。另外，前轮要负责驱动、转向和大部分的制动力，所以磨损严重。而前置后驱车正好相反，优势为起步加速能力强，四轮负荷平均。所以大多数的赛车还是使用后轮驱动。按照操控性能来讲，最理想的布置方式是中置发动机后轮或四轮驱动。

　　初步设计时，必须确定前轮轴线与车身和动力总成相对的位置。设计为轴荷分布50:50，因此应该完成凸包、传动轴的布置和动力总成布置。接着，动力总成、底盘、车身三者共存于一个整体之内，彼此之间需要相互制约同时也需要联系密切，所以车身总布置和整车总布置工作需要反复交叉进行。

　　参考现有的车型后，确定本次设计基本参数如图：

　　人体工程学是一门“研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的各种因素；研究人和机器及环境的相互作用；研究人在工作中、家庭生活中和休假时怎样统一考虑工作效率、人的健康、安全和舒适等问题的学科”。人体工程学起源于欧美，原先是在工业社会中，开始大量生产和使用机械设施的情况下，探求人与机械之间的协调关系，作为独立学科有40多年的历史。第二次世界大战中的军事科学技术，开始运用人体工程学的原理和方法，在坦克、飞机的内舱设计中，如何使人在舱内有效地操作和战斗，并尽可能使人长时间地在小空间内减少疲劳，即处理好：人-机-环境的协调关系。及至第二次世界大战后，各国把人体工程学的实践和研究成果，迅速有效地运用到空间技术、工业生产、建筑及室内设计中去，1960年创建了国际人体工程学协会。

　　及至当今，社会发展向后工业社会、信息社会过渡，重视“以人为本”，为人服务，人体工程学强调从人自身出发，在以人为主体的前提下研究人们的一切生活、生产活动中综合分析的新思路。

　　其实人-物-环境是密切地联系在一起的一个系统，今后“可望运用人体工程学主动地、高效率地支配生活环境”。

　　2003年来，人体工程学联系到室内设计，其含义为：以人为主体，运用人体计测、生理、心理计测等手段和方法，研究人体结构功能、心理、力学等方面与室内环境之间的合理协调关系，以适合人的身心活动要求，取得最佳的使用效能，其目标应是安全、健康、高效能和舒适。人体工程学与有关学科以及人体工程学中人、室内环境和设施的相互关系。

　　早期的人体工程学主要研究人和工程机械的关系，即人机关系。其内容有人体结构尺寸和功能尺寸，操作装置，控制盘的视觉显示，这就涉及到了心理学，人体解剖学和人体测量学等，继而研究人和环境的相互作用，即人-环境关系，这有涉及到了心理学，环境心理学等。至今，人体工程学的研究内容仍在发展，并不统一。

　　汽车车身设计则是要以人（驾驶员，乘客）为中心，从人体运动、心理和人体生理出发，研究布置和设计等方面如何适应人的需要。它主要包括：确定人体模型、人体H点、头廓包络线、驾驶员手伸及界面、眼椭圆、驾驶的最舒服姿势、座椅的形状、仪表板的布置、方向盘的形状以及它们之间的相互位置关系、校核操作的轻便性、上下车方便性、视野性、乘坐舒适性等方面内容。

　　2.2.1H点人体模型

　　车身的内部布置的出发点是乘客，既要保证安全性又要考虑舒适性。跑车的操纵机构和内部空间的布置，以及驾驶员与乘客座椅的尺寸和布置等参数均以统计数据作为依据。用统计均值制作如图的尺寸样板

　　用来确定基本的布置尺寸。该样板按腿部尺寸统计值的代表性分为三种：代表性为90%的人体样板腿最长，用于基本布置；代表性为50%和10%的样板较短。用90%的人体样板确定了司机座椅的最低和最靠后位置后，就可再用50%和10%的人体样板检查座椅的中间位置，以及最高，最前的极限位置。

　　H是人体身躯与大腿的交接点，即胯点。当H点人体模型按照有关标准的规定安放在汽车座椅上时，模型上H点在车身中的位置便是汽车实际H点的位置。我国H点人体模型的标准参见GB/T11559-89.

　　2.2.2眼椭圆及其的定位

　　汽车驾驶员眼椭圆是驾驶员以正常驾驶姿势坐在座椅中的时候，他的眼睛位置在车身中的统计分布图形。眼椭圆也是车身设计中的一个重要的工具性图形之一。在车身设计中，为了便于设计或者校核用，常将几种典型的百分位眼椭圆制成样板。

　　眼椭圆样板在车身侧视图上的定位步骤如下：

　　1） 根据设计已确定的H点水平调节量以及眼椭圆百分位，在样板组中选取相应的样板。

　　2） 在车身侧视图上最右H点向上做垂直工作线，并量取635mm，过该店做出水平工作线。并根据靠背角确定垂直工作线和水平工作线的偏距。

　　3） 通过计算，定位轿车车眼椭圆在车身俯视图上的位置。

　　2.2.3本次设计的人体工程部分

　　汽车的使用主体是人，无论驾驶还是乘坐或者是其它使用功能。所以二战后福特公司打破了以往车身设计者单凭艺术美观和迁就机械装置的造型设计习惯，提出了以人为主的设计思想，把人体工程学引入车身设计当中。设计师将发动机舱置于车体前端，将整个车室置于前后两轮之间，最大限度的保证了车内的空间，后方为行李箱。这样的设计类似于船的造型，所以被称为船型汽车。此种造型将车身分为三个部分，成阶梯分布不仅有效的保证了各部分的使用性，同时也提供了车身造型丰富变化的基础。

　　下面是完成的人体工程布置图

　　本次设计车身总布置采用的软件是AutoCAD。AutoCAD是XAutodesk公司推出公司首次于1982年开发的自动计算机辅助设计软件，用于二维绘图、详细绘制、设计文档和基本三维设计，现已经成为国际上广为流行的绘图工具。AutoCAD具有良好的用户界面，通过交互菜单或命令行方式便可以进行各种操作。它的多文档设计环境，让非计算机专业人员也能很快地学会使用。在不断实践的过程中更好地掌握它的各种应用和开发技巧，从而不断提高工作效率。AutoCAD具有广泛的适应性，它可以在各种操作系统支持的微型计算机和工作站上运行。自AutoCAD1.0版起，经过不断的改进和完善，AutoCAD已经经历了即使多次版本升级。今天，AutoCAD在世界上被翻译成了18种语言，拥有数百万正式用户，成为世界上最畅销的图形软件之一，也是我国在目前应用最广泛的软件之一。AutoCAD凭借自己强大的功能和庞大的用户群，已经成为事实上的行业标准。

　　首先根据汽车车身制图标准QC/T490-2000制定坐标原点。然后根据车型尺寸、轴距、轮距、离地间隙等基本数据，定出几个关键点（例如前端点，发动机罩最高点，风窗玻璃最高点等），由这些点的坐标构造主要轮廓线。在这个过程中，除了满足行业标准，还应充分考虑造型要求和人体工程学。主要轮廓线绘制出来后，重新取点做样条曲线，注意在有弯角的地方和曲率变化大的地方应多取几个点，以提高曲线对轮廓线的拟合程度。由于三视图之间的投影关系，第三视图上的曲线可以有前两个视图完全确定，因此在绘制的时候应该将其安排在最能反映曲线形状的视图上。例如贯穿车身的肩线，就应绘制在侧视图和俯视图上，再向前后视图投影。必要的话还需要继续调整位置以满足造型需求。总而言之曲线绘制应尽可能精确。

　　绘出主要曲线后，还应对其进行加工处理，为三维造型打好基础。利用ALIAS提供的曲线编辑工具进行处理和光顺。完成后再导回AutoCAD继续绘制曲线。这一过程将AutoCAD便捷的制图手段和ALIAS强大的曲线编辑相结合，取众家之长，提高了效率。

　　这里有一个问题需要特别指出来。就是在画对称曲线的时候，必须设法保证镜像后曲线的二阶连续。解决的办法有两个：一是先绘制一半的曲线，在对称线（或者对称面）处，指定曲线端点方向与之垂直，然后再做镜像。另一种方法则是先绘制一边曲线，但是没有达到对称线（或者对称面），先做镜像，然后再做它们的桥接曲线（可以使两个对象桥接参数一致的曲线）。第二种方法更简单，不过合并出来的曲线很有可能曲率梳在空间分布上出现突变，需要继续编辑。

　　2.3.1气动力与力矩

　　汽车空气动力学是研究空气流经汽车时的流动规律及其与汽车相互作用的一门科学。

　　气动力的大小与相对运动速度的平方、汽车的迎风面积以及取决于车身形状的无量纲气动系数成正比，如果只考虑气动力，是不会有气动力矩产生的。作用于运动汽车上的气动力和力矩，分为互相垂直的三个分立和三个绕轴的力矩。

　　空气阻力是指空气对运动的汽车的阻碍力，是运动汽车受到空气的弹力而产生的。汽车行驶时由于前面的空气被压缩，两侧表面与空气的摩擦，以及尾部后面的空间成为部分真空，这些作用所引起的阻力。空气阻力可分为压力阻力和摩擦阻力，压力阻力根据阻力源的不同，又分为：形状阻力、干扰阻力、内循环阻力及诱导阻力，汽车的速度，接触面积，空气密度等都会影响空气阻力的大小。

　　空气阻力系数：

　　2.3.2空气动力学基本理论

　　1）理想流体和不可压缩流体以及定常流

　　理想流体：假象的不具有粘性的流体，当空气绕物体流动时，若速度不太大，温度变化很小时，可处理为理想流体。

　　不可压缩流体：压强和温度变化不大时可处理为不可压缩流体；不可压缩的流体密度设为常数。

　　定常流：流体运动所占据的空间称为流场，在流场中的任何一点处，如果流体微团流过时的流动参数—速度、压力、温度、密度等不随时间变化，这种流动就称为定常流，否则为非定常流。

　　2）流体的基本方程

　　连续性方程：

　　伯努利方程：

　　3）边界层及其分离现象

　　雷诺数=惯性力/粘性力

　　当雷诺数极低时（Re<1）,惯性力的影响可以忽略，粘性力支配整个流场，此时阻力系数值较大；

　　当雷诺数处于中等时，层流边界层形成，并在流经物体后部脱离分离，此时阻力系数值变化不大；

　　当雷诺系数较大时，在流动分离之前的边界层，流动已经转化成湍流；

　　当雷诺数很大时，阻力系数则是个常数，与Re无关。

　　压力系数：

　　V——车身某点处气流速度

　　V∞——远处气流速度及压力

　　2.3.3车身表面的压力分布

　　1）发动机罩：负压力。这个区域中的逆向压力梯度趋向于阻碍边界层气流在这个区域中产生阻力。近年来，发动机罩线条的细部设计主要着重于避免气流在发动机罩上的分离及其产生阻力的缺陷。

　　2）在靠近挡风玻璃和前隔壁班底部附近：气压升高。这个高气压区域是通风，空调控制系统吸入空气或发动机进气通道的理想区域。这个区域中的高气压常常伴随着较低的速度，有助于防止挡风玻璃上的挂水期被气动力所扰乱。

　　3）车顶部区域：气压再次降为负。这个区域中的低气压迹象可以在敞篷车车顶蓬布的波动翻腾中看见。

　　4）后窗玻璃到行李箱盖：由于持续连续的弧线，所以向下沿着后玻璃窗到行李箱盖上的压力保持较低。正是在这个区域中气流分离最可能发生。在这个区域的车身轮廓角度和细节的设计要求密切关注空气动力学。由于压力较低，汽车两侧气流将吸入这个区域，并促使气流分离。两侧的气流被拖入后部的低气压区域，汇合流过汽车顶部气流形成拖在车尾部的涡流。

　　分离区域的大小直接影响空气阻力，同时气流在车辆后方发生向下弯曲的程度对后部的空气升力产生影响。随着气流向下弯曲，由于压力的减小导致车后部产生更多的空气升力。

　　本次模拟选用COMSOLMultiphysics软件的原因是因为该软件具有：

　　1）求解多场问题=求解方程组，用户只需选择或者自定义不同专业的偏微分方程进行任意组合便可轻松实现多物理场的直接耦合分析。

　　2）任意独立函数控制的求解参数，材料属性、边界条件、载荷均支持参数控制。

　　3）内嵌丰富的CAD建模工具，用户可直接在软件中进行二维和三维建模。

　　4）完全开放的架构，用户可在图形界面中轻松自由定义所需的专业偏微分方程。

　　5）全面的第三方CAD导入功能，支持当前主流CAD软件格式文件的导入。

　　6）强大的网格剖分能力，支持多种网格剖分，支持移动网格功能。

　　7）大规模计算能力，具备Linux、Unix和Windows系统下64位处理能力和并行计算功能。

　　8）丰富的后处理功能，可根据用户的需要进行各种数据、曲线、图片及动画的输出与分析。

　　9）专业的在线帮助文档，用户可通过软件自带的操作手册轻松掌握软件的操作与应用。

　　10）多国语言操作界面，易学易用，方便快捷的载荷条件，边界条件、求解参数设置界面。

　　计算机流体学（CFD）是以理论流体力学和计算数学为基础，把描述空气运动的连续介质数学模型离散成大型代数方程组。建立可在计算机上求解的算法。

　　描述汽车流场的流体力学基本方程组为三围不可压缩不定常N-S方程组，对其可用线性或非线性的方法进行求解。

　　数字仿真中的线性方法主要有涡格法和面元法；非线性方法包括Euler法，雷诺平均N-S方程组法、大涡模型、和直接数值模拟DNS法等。

　　数值模拟是一个极有前途的方法。但其也存在着不足。如：

　　因没有完全搞清楚湍流等气流流动状态特性，对有些问题没有普遍适用的数学模型；

　　在数值计算上收敛速率和精度有待改进。

　　RANS代码中包含了经验的输入参数，截断误差，网格相关近似，湍流模型等因素，使得数值模拟结果和实验结果存在差异。

　　数值工具的发展取决于对空气复杂流动特性的更深入的了解和更精确数学模型的建立。因此，数值计算不可完全替代物理实验，两者是互补的关系。

　　2006年南京航空航天大学张奇硕士学位论为《高速车辆车头改进的空气动力学特性研究》对汽车在60m/s、70m/s、80m/s速度下的外流场情况进行数值模拟和分析，得出高速时的外流场分布特性，并在此基础上，提出具有指导意义的车身前部改进方法。

　　建立几何结构，利用COMSOLMultiphysics软件，进行建模，首先创建2D模型，然后增加物理场接口（k−ε的湍流模型）和选择研究模型的状态（稳态），接着开始构建如图所示的简单车身几何模型，再来通过增加材料（空气），之后通过生成计算网格（节点数196059）得到如下图所示的情况。

　　选择求解器和方程：2D标准k−ε的湍流模型

　　确定边界类型以及边界条件：

　　入口边界条件为选取远端来流方向为速度的入口，同时设置速度方向为X=60m/s，出口边界则是压力出口，并将出口处的相对压力设为0。湍流耗散度ε为0.01，湍流动能k为0.024。

　　求解计算

　　通过改变车头前缘发动机罩的高度值H，即改变发动机罩的倾斜角（图3.3a），同时改变发动机罩与挡风玻璃交接的位置，从而改变挡风玻璃的倾角Y（图3.3b），再对多组不同参数下的模型进行外流场的数值模拟。

　　下图为不同车头尺寸条件下的阻力系数值：

　　通过各组模拟以及外流场速度分布图可以得知，在不同的弧度曲面下，车头的迎风阻力不同。因此，车头的设计应该具有良好的弧度曲面，这样可以降低车身的空气阻力，从而减少压差阻力，达到改善汽车表面的气流，减少摩擦阻力的作用。

　　试验结果表明大圆弧过渡对流场的改善更为明显。所以在设计车身时，单一曲面的车头可以减少因表面突变带来的气流阻滞，使得汽车在行驶过程中更为顺畅。