汽車內飾設計流程

汽車內飾設計流程概述隨著我國汽車工業的發展，汽車制造商們越來越重視汽車車型的開發，其中汽車內飾的開發是僅次于車身的一項重要的開發內容，它除了是反映汽車內部空間的功能之外，還要讓乘客感到舒適，視覺的美觀，操縱的方便等等要求。汽車內飾包括儀表板、車門內飾、車頂內飾、柱內飾、側圍內飾等內部覆蓋件，廣義的還包括方向盤、汽車座椅、地板墊等內部功能件。汽車內飾通過多 種材料和多種生產工藝而達到不同的效果，一般內飾的材料多用塑料 ABS 和改性 PP 等，還有其他的如皮革，植絨布，泡沫、玻璃鋼等多種復合材料。生產工藝更 是多樣化，除了一般的注塑以外，還有如吸塑、吹塑、擠出、PU 發泡、熱壓、蒙皮、噴涂、電鍍、焊接等幾乎所有的塑料加工工藝，還有如儀表板先進的搪塑工藝 等。一個整車的內飾設計項目，首要的是設計效果圖。效果圖除了要美觀，風格要和車身相襯，還必須滿足各種功能要求，選配的附件盡量采用現有的或盡量 不要改變尺寸，各種功能件的位置要符合整車布置和人機工程的要求。一般要設計三到五個效果圖提供選擇，從中間選擇一個或綜合幾個效果圖重新制作一個。接下來根據平面效果圖制作油泥模型和數據模型，數據模型是運用逆向技術在油泥模型的基礎上建立的。有時也可以直接在三維設計軟件中構建數據模 型，以減少設計成本。在制作模型過程中必須進行人機工程校核，滿足各項法規要求和其他功能的要求，滿足各個選配附件的大小和位置要求，除此之外，還要進行 結構分塊，考慮各部件制造工藝和材料。滿足這些條件后，還得考察模型的表面光順性，一般外表面都必須達到 A 級曲面。完成數據模型后，可以渲染多個角度的效 果圖與平面效果圖對比，并進行修改，達到最佳的視覺效果。以上只是一個沒有結構的外表面模型，接下來的任務就是各個部件的結構設計。而為了更為直觀的檢驗安裝效果，我們通常需要在完成簡易安裝結構后制作手板樣件。手板樣件制作和試安裝除了檢驗安裝效果和誤差外，還能優化結構設計和檢驗部件的制造工藝。結構設計是一個比較繁雜的工作，需要的周期也是最長的。一般需要注意的問題有：部件的制造工藝性，結構的強度，安裝工藝性，部件之間的裝配間 隙、干涉檢查，運動校核和裝配順序等。這項工作是持續改進，逐步優化的過程。為了進行各項工藝檢查，我們除了檢驗數據模型，也對一些結構比較復雜的部件做 第二次手板樣件，確保安裝效果和制造工藝。在模具制造過程中，設計人員還應該及時發現問題和優化數據模型，只有到試制樣件裝車，狀態達到預期的效果后，并做項目總結，這樣一個成功的內飾項目才告結束。在整個設計項目中，一般通過各個過程的同步協作縮短開發周期，比如模具前期加工可以在最終數模確定前進行，并保留足夠的加工余量。采用多種檢驗手段，不同的檢驗內容分類檢查，發現問題，優化設計。在設計前考慮，設計后再檢查的方式來保證數模工藝質量。采用不同設計軟件的優勢，在不同的設計階段提高設計效率和數模質量，并制定設計數模標準和等級。汽車內飾的正向數字化設計與管理1 什么是正向數字化設計 在介紹正向數字化設計之前，有必要先提及“逆向工程”，這是在幾年前國內開發汽車零部件的比較時髦和先進的開發方式。將零件定位后，用光學或激光掃描設備對產品表面進行點云采集，然后將經過處理后的點云數據輸人專業的 CAD 三維設計軟件，設計出產品的三維數據，并力求設計的數據盡可能貼合掃描的點云。這種“拷貝不走樣”的“逆向工程”往往是在沒有產品三維數據或圖紙的情況下，參照實樣進行的一種還原性的設計活動，并不是真正意義上的自主開發。再進一步的“逆向工程”是在點云的基礎上，或在經過還原設計得到的三維數據的基礎上，對局部的外表面或結構進行差異化或優化設計，生成有別于原始產品的新的三維數據。這是一種改良性的設計，對于原始產品的依賴性依舊很大。這兩種方法參照原始產品的外觀造型和結構，具有見效快、驗證過程短、制造風險低的優點，但是致命的缺點是缺乏自主創新、產品競爭力低、容易引起知識產權糾紛。正向數字化設計是從概念設計開始，到完成產品全新的外觀造型和結構的三維設計的過程，通過借助先進的數字化設計手段（CAD/CAM/CAE 等），達到自主創新設計開發的目的。正向數字化設計的過程凝聚著設計師和工程師方方面面的智慧，整個設計過程中的控制和管理起至關重要的作用。2 如何開展正向數字化設計及管理汽車內飾的正向數字化設計過程主要包括：概念設計階段、創建初始外表面數模階段、油泥模型數控加工、外表面設計以及后期的三維零件設計工程檢查/CAE階段（見圖 1）。對正向數字化設計的管理就是協調控制好各階段工作，確保設計過程有序高效，滿足產品的設計和質量要求。2.1 概念設計階段這個階段主要由創意設計師負責，通過構思草圖來表現自己的設計、意圖。經過一輪對整體造型的評審和篩選后，會產生 2-4 組造型方案。然后將這幾組方案根據評審提出的要求進行調整和細化，繪制成二維效果圖。經過效果圖的評審后，最終確定造型設計方案。目前越來越多的年輕設計師喜歡在電腦上繪制效果圖。在計算機繪圖軟件高度發展的今天，借助 Wacom 筆和數位板，在電腦屏幕上制作的二維設計效果圖不但能夠同樣表現手繪的筆觸等效果，而且可以做到手工表現難以達到的藝術效果，并且在噴繪、剪貼、修改、復制、縮放、保存等方面更加方便。目前在汽車設計中常用的效果圖繪制軟件有：Alias Sketch Book，Painter 和 Photoshop。從概念設計到完成計算機繪制的設計效果圖是正向數字化設計開發的第一步。這一步是整個正向數字化設計開發過程的靈魂。2.2 創建初始外表面數模確定了設計方案后，接著就要將二維效果圖轉化為三維數字化模型。這個階段是承上啟下的關鍵一步，它要求數字化設計師理解設計方案，把握好產品形態和相互間的配合關系。由于二維效果圖是平面的，沒有量化的尺寸要求，所以在這個階段負責數字化建模的設計師與提供方案的創意設計師之間必須密切配合、互相溝通，確保三維數據的整體風格特征符合創意設計師的要求。在可能影響局部外觀的地方，如遇到斷面的形狀、產品的輪廓、特征線的走勢、零件間的斷差和間隙等造型方面的問題時，需要征求創意設計師的意見。從概念設計到創建初始外表面數模的過程是一個塑造產品空間的造型過程，是從“無形到有型”的過程。它需要設計師具備創意和對美感的把握，又能夠通過工程化的高級曲面建模完成對產品形體虛擬空間的塑造來表達自己的設計意圖。創意設計師被鼓勵掌握 Alias 等 CAS 計 算機輔助造型）軟件，將自己的設計方案用三維設計軟件表現，使其更貼近設計方案所要表達的設計意圖。但是在現實工作中，尤其在汽車設計領域能將這兩方面的技能掌握集于一身的人才極少。所以，通常設置創意設計師和數字化設計師兩個不同的設計職能崗位，創意設計師的主要職能是不斷提供好的創意，構思新的功能和外觀造型，并能夠通過效果圖表現自己的構思；而數字化設計師的主要職能是將二維設計方案轉換到三維數字化模型。當今世界汽車設計開發已將專業分工日益細化，無論從成本、時間效率方面來看，已不能將兩個設計崗位合而為一。    創建初始三維外表面數模也有不同的階段：第一階段是構建主要的型面，反映造型的總體特征，主要目的是提供給結構工程師、CAE 工程師做初步的空間總布置分析和人機工程校核，如駕控舒適性、駕駛員視野及盲區、反光等；第二階段要反映具體的產品分塊、面的過渡和連接、零件相互之間的落差和間隙，并形成初步的設計公差規定（DTS，Design Tolerance Specification） 文件，提供給結構工程師進行產品制造的可行性分析，比如拔模斜度、產品分塊的位置是否合理、零件之間的裝配關系、運動干涉、安全間隙等校核，并且結構設計師將據此開始產品的結構概念設計；第三階段是要將上面工程分析和校核中發現的問題在外表面數模上得以解決，并完成所有零件外表面的細節設計，包括零件的倒角。在創建初始外表面數模的過程中，以上每個階段都需經客戶評審，以確保初始數模的三維造型滿足客戶的要求。初始外表面數模還能夠生成三維渲染的效果圖。在汽車設計中將 Alias 和Maya 結合使用，體現產品的色彩、材質，在虛擬狀態下直觀地體現產品達的內容。經過評審確認后的初始三維外表面就可以用于數控加工油泥模型了。整體風格和造型特征，并與原先的二維效果圖對比，確定是否符合設計方案所要表    考慮到在后面油泥模型凍結前會對數控加工的油泥模型外表面和局部細節進行調整，從縮短項目的開發時間考慮，對初始外表面數模不要求很高的曲面質量，除主要型面之外，倒角一般達到一階（相切）連續就可以了。2.3 油泥模型數控加工以往制作油泥模型主要依靠手工，借助膠帶圖、劃線機和卡板等，通過油泥模型局部的斷面來逐漸完成整個油泥模型的制作，制作周期長、精度差。自 90 年代中期起，隨著 CAM 軟件的發展，以數控加工油泥模型代表的油泥制作先進方式在汽車造型設計中被廣泛運用。利用初始外表面數模，經過專業的 CAM 軟件編程，生成三軸或五軸的刀具加工軌跡（Cutter Path）后，可以直接加工出油泥模型，既快速又精確。一輛汽車座艙內飾造型的油泥模型可在一周內加工完成，極大地縮短了設計開發的時間和油泥模型的制作成本。此時的油泥模型反映的是數據設計的狀態，將初始外表面數模轉變成實體外觀模型。參與評審的人員對直觀的油泥模型提出一些調整建議。經過一輪或幾輪的調整后，油泥模型的造型和外表面才能正式凍結。2.4 外表面設計油泥模型一經凍結，就要對油泥模型掃描、采集點云數據，用于最終的外表面A 級曲面設計。在開展最終的外表面設計之前，需要將掃描的點云和初始三維外表面數模在相同車身坐標下進行對比，對沒有改動的主要型面繼續沿用。2.4.1 外表面設計的原則汽車內飾產品的外表面通常要求按 A 級曲面的標準來設計，在設計過程中總體上遵循下面兩條原則：在可見外表面上，半徑大于 3 的倒角都需要達到二階（曲率）連續；滿足 DTS 要求。DTS 是對設計公差的規定，在汽車內飾中主要針對產品的外觀特征、零件之間的段差、間隙等匹配關系進行定義。產品的外表面設計和最終產品裝配后的狀態都要符合 DTS 規定。因此它是體現產品外觀效果和精湛工藝的重要因素，并作為產品生命周期內尺寸管理的依據。DTS 應當在創建初始三維外表面數模過程中初步形成，在油泥模型上得到實際體現，在開始外表面設計之前獲得最終確定和頒布。因此 DTS 須經過造型的認可和工程的檢驗，它是由造型和工程共同確定的。換言之，DTS 雖在產品外表面上得以反映，卻是內外兼容的一項系統工程。2.4.2 外表面的曲面質量檢驗對外表面的曲面質量檢驗貫穿于外表面的整個設計過程中。檢驗主要包括以下幾個方面：    （1）工程性能檢查。主要檢查是否滿足模具制造的要求，如脫模方向與拔模角。（2）面的光順性檢查。主要檢查過渡曲面的路徑走向、曲面或局部的協調性、局部特征分界面等，目前常用的兩種檢查方法是高光線法和反射線法。（3）曲面間連續性檢查。檢查不同曲面之間的連接過渡是否達到內飾設計中對 A 級曲面的規范要求。不同的汽車 OEM 對內外飾產品 A 級曲面的標準有所不同，因此作為內飾開發供應商應該針對不同客戶在具體項目設計中對曲面質量要求適當區分，并可選用不同的設計軟件以達到對 A 級曲面的精度要求，滿足最佳的適用效果。2.5 正向數字化設計過程中的后期階段外表面數模設計完成并認可后，整個正向數字化設計過程就完成了 80%。因為大量的可行性分析和結構概念設計已在外表面設計過程中同步進行，確保后面的開發風險降至最低。后期階段的主要工作是零件設計、工程檢查和設計驗證。（1）零件設計。根據外表面數據進行三維零件建模，直到完成所有的零件設計。（2）工程檢查。由結構設計師負責零件設計中的工程檢查，檢查的主要范圍有：零部件空間布置：如有效儲物空間，煙缸、杯托大小，內部零部件之間的安全間隙等；匹配狀態控制檢查：如零件公差、公差累積、定位方式、可見分型線等；零部件強度、振動及噪聲控制檢查：如零件結構的合理性、緊固點布置和緊固方式等；裝配可行性：如裝配順序、裝配干涉、空間要求、輔助工裝信息等；制造工藝可行性：如基本壁厚、最小壁厚、表面縮痕、最小拔模角、可見分型線等。（3）設計驗證：包括 CAE 模擬分析和樣件驗證。汽車內飾的 CAE 模擬分析主要包括：人機工程分析：專門用于汽車內飾設計的人機工程分析軟件 GENPAD，它充分考慮了諸如可觸及區域、駕駛情況下的視野及反射區域、汽車儀表被方向盤遮擋范圍、出風口位置、膝蓋安全區域及頭部沖擊等各項因素，它可以迅速、準確地得到人們在駕駛狀態下五十多項的人機工程分析結果；    模態分析：用于迅速找到產品的薄弱之處；靜力分析：提供包括對線性、非線性、屈曲等問題在內的各種分析；頻率響應分析：模擬產品在汽車顛簸過程中剛度和強度的表現；熱載荷分析：模擬產品在光照等熱載荷作用下的產品變形和受力情況；空調及風道的流動分析：通過對空調系統內部的流場分析模擬氣流在不同管道中的分配、熱傳導和流動阻力；除冰分析：模擬前除霜風管對擋風玻璃的除冰效果，從而判斷其是否達到相應的法規要求；