逆向思维在汽车设计中的运用

唐偲蓓

（武汉理工大学，湖北 武汉 430070）

逆向思维在汽车设计中的运用

唐偲蓓

（武汉理工大学，湖北 武汉 430070）

在国内汽车研发模式仍处于不成熟、不规范的初期阶段，逆向思维在汽车设计中显得尤为重要。企业采用逆向思维，建立对标管理系统，采用对标的方式把自己的产品和竞争对手的产品进行细致比较，取优去劣，提升自身的产品水平。工程上，除了传统的正向设计，通过三维扫描获得产品或零件的3维点云数据，结合软件再建立数学模型是缩短研发时间提高效率的重要方法之一。

汽车设计；汽车对标；逆向工程

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.028

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-89-04

引言

自2009年起，我国汽车的产销量稳居全球第一，但在汽车设计及自主研发方面仍然依赖国外，却反自主创新和自主品牌的设计技术与领域知识。汽车作为一种运动机械，使用环境复杂，产量大，涉及的领域广，因此在汽车自主研发和创新的道路上困难重重。相比于国外成熟的汽车主机厂和零部件巨头们经过多年的实践经历，拥有一套从基础研究、应用研究、市场测验、市场推广的完整正向研发模式，我国的汽车行业发展时间较短，尚处于不成熟和不规范的初期阶段，其基本模式仍是逆向研发模式。

1、汽车对标

Benchmarking，即对标分析。通过将自身产品参数同同业先进产业产品进行比对分析，挖掘出产品的优势及特点，提升自身产品质量。通过确定对标内容，建立对标对象，收集对标数据，分析对标结果，形成对标评价，实施改善计划等步骤完成立杆比超。

1.1 对标内容

对给消费者提供汽车产品的汽车公司来说，一个汽车产品是有特定的市场定位和完整的产品生命周期的。在特定的市场和技术背景下，当一款老的汽车平台产品不再具有充分的市场竞争力，不能再给汽车公司带来足够的经营利润时，这个平台就需要重新开发、推陈出新了。根据特定目标市场及人群的消费习惯，对参考样车做局部的造型调整与修改，这些工作与全新车身开发相比存在工作量小、设计难度降低，设计风险小的优点。

让新一代产品平台具备明显的市场竞争力，是全部开发工作的重中之重。真正的开发工作启动之前，是一个产品策划阶段，怎么得到适当的开发目标就是这个阶段大致形成的。除了用各种方法探寻市场的反应，用对标的方式把自己的产品和竞争对手的产品进行细致的比较，提取其优点，提升自身产品的水平，是产品策划阶段很重要的工作。

这时对标的内容包括：市场份额、销售价格、营销策略、售后服务水平、配件维修价格、产品性能指标、法规适应性、生产物流成本、设计开发成本、固定投资、新技术应用水平等等，凡是与生产经营相关的一切数据、指标。这些才真正是对标的重头戏，关系到后续一切工作是否有一个清晰、正确的输入条件，只有这个大方向对了，整个项目才能比较顺利的发展。这个阶段，一般是公司的战略决策部门牵头组建工作组，调集市场、销售、采购、设计、制造、成本等各专业资深人员协同工作，可能还需要请专业的市场调查机构介入，协助开展市场调查。

1.2 对标工作流程

对于产品工程师要做的就是把汽车的各个零部件的设计特点，功能，配合，尺寸，工艺等等做好详细的收集整理。

围绕企业的样车拆解能力建设，细化样车Benchmark的流程，其中包括：

(1)整车对标：整车评价内容、评价标准、工作条件；

(2)总成对标：车身、底盘、动力总成、内饰系统、照明系统等工作标准；

(3)部件对标：材料分析、工艺分析、结构分析、工作标准、工作条件。

目前国内外专业做Benchmark的公司有：美国A2MAC1，法国的MAVEL公司和中国汽车工程研究院CAERI设计中心。

2、逆向工程

2.1 现代汽车设计流程

汽车是以技术复杂程度高、设计流程串并行且多进程、数据模型复杂且领域相关为主要特征的复杂产品。无论是开发全新产品还是只开发新外形和新车身，前期工作都包括项目确立开始一战略意向一决策一总布局及主结构几何定型一项目定型及投资确立。然后是具体的汽车设计部分。下图所示现代汽车设计流程与软件数据流，从造型概念设计、曲面构建、结构设计、力学分析与优化、安全分析和设计、工艺分析与优化、数字加工、样车制造到实验验证，包含了设计的多进程和大量的设计数据。

汽车车身是一种复杂的机械产品，由多种部件组合而成。当把汽车造型作为一个整体进行分析的时候，每个部件都是一个形态实体，都可具有特征性，则这个汽车整体造型可以看做是由各个特征组合成的特征集合。

汽车造型设计师根据构思的效果图，制作车身的全尺寸油泥模型，然后送到风洞实验室去评估汽车的空气动力学性能,再根据实验结果对模型进行反复地修改，直到获得满意的结果为止。那么，如何把最终的油泥模型精确而又快速地输人到计算机中去，是制造业面临的实际问题。基于这种状况，在CAD/CAM中又发展出一个相对独立的技术，称为逆向工程。它是将实物转变为模型的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称，还是将已有产品或实物模型转化为工程设计模型和概念模型，在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造的过程。

国内的逆向研发模式主要包括：市场需求、市场细分、集成创新、能力建设。暂时还缺乏具有核心技术的正向研发模式和能力。有专家认为，国内大体有五种所谓汽车研发模式：改进、模仿、国产化、联合开发、自主开发。这是一种从研发的内涵和性质建立的研发模式分类，也可以看做是汽车企业研发能力逐步发展和健全的过程。也有专家认为，中国建立一种公司本部集中研发主力车型和跟踪市场，变型车则外包给中立设计公司的研发模式具有重要的商务和战略意义。这种研发模式既关注研发模式的商务资源和技术资源的配置，又注重核心技术和能力的构建，具有重要的实践意义。

2.2 知识反求及其应用

随着测试技术，计算机软硬件技术的发展，设计人员不单单从传统的正向研发着手，而往往结合逆向工程进行高效的研发工作。

所谓逆向工程技术，是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型的过程。逆向工程技术与传统的正向设计存在很大差别。传统的产品设计一般需要经过效果图、造型设计和产品设计等过程。而逆向工程则是从产品原型出发，测量出产品表面的点云数据，进而获取产品的三维数字模型，使得能够进一步利用CAD/CAE/CAM等先进技术对其进行处理。一般来说，产品逆向工程包括形状反求、工艺反求和材料反求等几个方面，在汽车工业领域的实际应用中，主要包括以下几个内容：

(1)汽车新零件的设计，或者初始概念设计阶段的油泥模型数字化，汽车车身特征断面设计，主要用于产品的改型或仿形设计；

(2)已有零件的复制，损坏或磨损零件的还原，再现原产品的设计意图；

(3)数字化模型的检测，例如检验产品的变形分析、焊接质量等，以及进行模型的比较；

(4)汽车模具设计，在原有的CAD/CAM系统基础上,利用已有的覆盖件实物建立起完善逆向工程系统，在仿制的同时吸收与消化，并逐步形成有自主设计与生产覆盖件模具的规模，并使之成为在网络下集成一体化的系统，必将能够提高模具设计的自有生产水平，大大缩短现有的模具生产周期。

逆向工程的应用领域大致可分为以下几种情况：

(1)在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有模型的情况下，在对零件原形进行测量的基础上形成零件的设计图纸或模型，并以此为依据生成数控加工的代码，加工复制出一个相同的零件；

(2)当要设计需要通过实验测试才能定型的工件模型时，通常采用逆向工程的方法。比如航天航空领域，为了满足产品对空气动力学等要求，首先要求在初始设计模型的基础上经过各种性能测试如风洞实验等建立符合要求的产品模型,这类零件一般具有复杂的自由曲面外型，最终的实验模型将成为设计这类零件及反求其模具的依据；

(3)在美学设计特别重要的领域，例如汽车外型设计广泛采用真实比例的木制或泥塑模型来评估设计的美学效果。此外，如电脑仿型、礼品创意开发等都需用逆向工程的设计方法。

2.3 逆向工程技术实施的硬件软件

2.3.1 逆向工程技术实施的硬件

三坐标测量机和三维扫描仪。就测头结构原理来说，可分为接触式和非接触式两种。其中，接触式测头与被测物体直接接触，获取数据信息。其优点是准确性及可靠性高，与工件的反射性无关，但需要特殊夹具，且测头会磨损，测量速度慢，效率低。

非接触式测头则是应用光学及激光的原理进行的。测头通过实时三角测量，确定空间位置，通过观察投射在表面上的激光线完成表面采集，随着激光扫过表面，设备将根据三角测量的定位记录数据。

目前的3D扫描仪测量的精度相当高，可动态测量，且速度快效率高。例如加拿大CREAFORM公司新推出的handyscan 3D便携式激光扫描仪精度最高达0.03mm，具有无需外部定位系统，便携轻便，基准距离小，速度快，效率高，自动网格输出，扫描文件可以直接导入RE(Reverse Engine ering)/CAD软件等优点。

同时3D扫描仪几乎可以在产品整个生命周期中使用。在产品概念阶段，可进行竞争产品分析，测量产品或相关零部件，测量售后市场的零件或定制零件；进行粘土模型测量，虚拟模型与实务模型测绘，及造型及美学设计；在设计阶段，可进行CAD设计，快速成型设计及检测并进行有限元分析（FEA）、干涉分析、变形几何形状分析等。在维修应用中，可进行部件/工具的完工存档，零部件磨损分析及复杂装配体的拆卸。除汽车工业方面的应用，3D扫描仪还可应用于博物馆/文化遗产保护，保护、还原和数字化存档，多媒体/娱乐行业，计算机图形和特效。

2.3.2 逆向工程技术实施的软件

理论上，逆向工程应该能够按照产品的测量数据重建出与现有的CAD/CAM系统完全兼容的CAD模型，这也是逆向工程的最终实现目标。但是我们应该看到，目前人们所掌握的技术，包括纯理论上的和工程上的如曲面建模理论，都还无法满足这种要求。特别是针对目前比较流行的大规模“点云”数据建模，更是远没有达到可以直接在系统中应用的程度。

目前比较常用的通用逆向工程软件有Geomagic Studio、UG/Image ware、Rapid Form、ICEM Surf等。这些软件分别出自于不同的国家不同的公司，虽然在数据的计算方法、处理技术上可能会有所差异，但是它们处理点云的过程都是大同小异，基本是对点云进行修正、拼接、合并、成面，也可以说是遵循“由点到面”的次序进行。其处理后的三维模型数据都可以通过标准接口格式（例如：通过IGES、DXF、STL等多种格式相互转换）转换给各种顺向工程软件直接使用。

逆向工程的实施步骤：

(1)获取零件表面的点云数据；

(2)点云数据处理，具体过程是利用专业逆向工程软件如geomagic studio对扫描好的点云进行初期数据处理如数据拓扑的建立、数据除噪和滤波、坐标变换、数据精简、特征提取与数据分块等）具体操作有如去噪音点，填充孔，移除孤立面，优化边界等；

(3)重建CAD模型综合利用主流的正向设计软件如（CATIA，UG等）不同模块的长处，建立新零件，创建基准面及坐标系，拟合点云数据，构造出原产品的数字模型。

(4)对零件表面进行优化处理（如光顺曲线，优化结构，调整参数等），对重建的CAD模型检验与修正。

2.4 汽车逆向工程需要注意的问题

在实际设计中，现有的软件还存在着较大的局限性。在机械设计领域中，集中表现为软件智能化低；点云数据的处理方面功能弱；建模过程主要依靠人工干预，设计精度不够高；集成化程度低等问题。例如，Surfacer软件在读取点云等数据时，系统工作速度较快，并且能较容易地进行点线的拟合。但通过Surfacer进行面的拟合时，软件所提供的工具及面的质量却不如Pro/E、UG等CAD软件。在很多时候，在Surfacer里做成的面还需要到UG等软件中修改。但是，使用Pro/E、UG等软件读取点云数据时，却会造成数据庞大的问题，对它们来说，一次读取如此多的点是比较困难的。因此，在具体工程设计中，一般采用几种软件配套使用，取长补短的方式。 在汽车设计的过程中，应采用正向与逆向工程相结合的方法。

如上图所示的设计流程中，从一开始就将汽车设计的数据源分为两大类，第一类是如需要继续采用的车门模具和底盘布置等不变部分；另一类是需要重新设计的外形特征或者局部改进部分。

3、结论

到目前，我国汽车生产规模和制造能力已处世界前列，但是与世界先进的汽车研发水平相比，仍有较大差距，逆向思维在汽车设计上的运用，对标国外的成熟产品，采用逆向工程技术，消化吸收先进技术，并建立其模型，逐步修改完善，切实形成自己的产品。这是迅速填补我国汽车工业与世界先进水平差距的有效手段。本文主要介绍了汽车对标及逆向工程在汽车设计开发中的重要意义，阐述了其基本概念和运用，以及在运用过程中要注意的问题。

[1] 崔琼瑶.汽车覆盖件模具的反求[D].上海:同济大学,2002.

[2] 赵江洪,谭浩,谭征宇.汽车造型设计:理论,研究与应用[M].北京:北京理工大学出版社,2010.

[3] 来振华.顺向工程与逆向工程结合的数学化汽车设计流程研究[D].杭州:浙江大学,2005.

[4] 李书福.汽车已进入3.0时代电动车是趋势[N].中国商报,2014.

[5] 张欣宇.基于逆向工程的汽车外形设计方法的应用研究[D].武汉:武汉理工大学,2008.

[6] 庄继德,庄蔚敏.汽车系统集成与模块化技术[M].北京:机械工业出版社,2003.

[7] Martin M.V., Ishil Kosuke.Design for variety: developing standardiz -ed and modularized product platform architectures[J], Research in Engineering Design. 2002. 13: 213-235.

[8] 杨航.3D技术在机械零部件逆向工程中的应用[J].郑州:中州煤炭,2005.1:92-94.

[9] 赵宇明.汽车逆向设计中用NURBS曲线拟合点云数据[J].沈阳:东北大学学报:自然科学版,2005,26(7):680-682.

[10] 诸刚.逆向工程技术在汽车后视镜设计中的应用[J].工程塑料应用,2015,03:76-79

[11] 刘伟军,孙玉文.逆向工程—原理方法及应用[M].北京:机械工业出版社.

The application of reverse thinking in automobile design

Tang Caibei
( Wuhan University of Technology, Hubei Wuhan 430070 )

In the domestic automobile R & D model is still in the early stages of immature, not standardized, the reverse thinking is particularly important in the automobile design. Enterprises to adopt reverse thinking, to establish benchmar king management system, using benchmarking to their products and competitor products detailed comparison, takes its essence, goes to its dregs, to enhance the level of its products. In engineering, in addition to the traditional forward design, the 3 dimensional point cloud data of the product or part is obtained by 3D scanning, and the 3 dimensional model is one of the important ways to shorten the research time and improve the efficiency.

Automobile design; Benchmarking; Reverse engineering

U462.1

A

1671-7988(2016)10-89-04

唐偲蓓，（1993-），女，硕士研究生，就读于武汉理工大学。专业：车辆工程。