个性化需求下的汽车轮毂参数化形态设计研究

沙强 闫文丽

摘要：为获取汽车轮毂参数化形态设计的步骤和方法，以期能为我国汽车轮毂设计产业添砖加瓦。本文首先分析了汽车轮毂发展现状，得出轮毂个性化定制和快速设计成为轮毂设计领域的未来发展趋势之一;其次总结了个性化定制中存在的问题，以及个性化需求下汽车轮毂参数化形态设计的方法;之后结合实际情况，探讨汽车轮毂参数化形态设计的步骤和方法。得到参数化形态设计在轮毂设计中应用的方法步骤。该方法可为参数化形态设计在轮毂设计中的应用提供参考。

关键词：个性化需求;参数化设计;汽车轮毂

中图分类号：TB472

文献标识码：A

文章編号：1003-0069（2020）03-0036-04

引言

近几年，中国汽车市场趋于成熟，国内售后市场的发展潜力开始逐步释放，配件业务在整车企业未来发展战略中的地位也逐步提升，个性化需求影响下消费者对造型设计要求提高，多样、个性的轮毂造型设计也成为丰富汽车市场、增加市场竞争力的手段之一。在新能源、智能化技术的推动下，汽车产业本身也经历着一场变革，不管是产品、技术还是模式都经历着一场彻底的改变。在当前信息时代，计算机技术已经广泛地渗透到设计界的各个领域，而计算机技术中的参数化技术也逐渐发展成熟，为造型设计提供了很多新的方法和路径，如今在众多设计领域都有很多成功的应用案例【1】。本文为使轮毂造型与汽车整体设计风格一致，个性化设计采用的是客观个性化定制方法，而非消费者主观定制。

一、参数化设计方法

随着科学技术的发展，计算机技术的应用广泛而深刻地影响着制造与设计行业。参数化技术作为计算机技术的一个分支，它的应用给设计行业带来了一次巨大的飞跃和更新，成为一次基于技术更新的设计革命。最初，参数化是作为参数化技术应用于工业生产流程中的数字化，随着相关生产条件和数字技术的发展，建筑设计行业率先将参数化技术应用于设计过程，这是一次革命性的设计创新，形成了一种创新性的设计方法，即参数化设计方法。参数化设计方法的核心是各个元素相互之间的关联与逻辑，即形成一个各个元素都与设计结果相联系的初始参数模型，这类参数模型便于操作，可不断修改设计元素参数，能帮助设计师快速修改模型，形成多种不同设计方案。概括来说参数化设计方法是寻找设计元素的参数、设定单元形的变化规则和选择哪款软件建模的三个关键过程组成【2】。最近几年参数化设计方法渐渐应用到了汽车设计当中，不论是车身外观设计、内饰设计还是轮毂设计中，都能看到参数化的身影，这对汽车设计的发展提供了很好的帮助，同时也带来了新的挑战。轮毂作为汽车设计中不可缺少的一部分，如何将参数化设计方法应用到汽车轮毂设计中，并且与汽车整体设计风格相匹配，是本文所要探讨的问题。

二、个性化需求下汽车参数化设计应用现状

现代制造体系中的大批量生产的产品，已经不能满足人们对于精神、文化、情感、个性的需求。参数化设计作为个性化设计的一个设计方向，通过有规律的单元形变化形成独特外观，能成为产品独一无二的特征。近几年，参数化设计应用于汽车设计中的案例越来越多，如2016年3月宝马发布的概念车Vision;Next;100，是参数化设计方法在汽车设计中应用的开端，车身部分形态和轮包周围形态采用可运动的参数化结构，与传统汽车设计模式形成鲜明的对比，车身科技感与未来感十足;2018年雷诺发布的概念车EZ-ULTIMO，腰线以上区域采用菱形参数化装饰;2019年DS概念车XE-Tense，车身的不对称设计，以及三角形鳞片状参数化大灯极具设计感;2019年发布的奥迪概念车AI：ME以及起亚概念车Imagine;By;KIA，车身设计都加入参数化，增加其品牌辨识度。在参数化设计的思潮影响下，一部分设计师开始把参数化设计方法应用到汽车轮毂设计中。参数化设计在汽车轮毂外观设计中的应用，可以分为参数化工程设计方向应用和参数化形态设计两种类型，其中参数化工程设计方向很早就应用于汽车设计中，发展较为成熟;对参数化形态的设计，近几年才开始应用于轮毂设计过程中，其主要是对轮毂形态的表皮进行设计，在表皮上加入规律排布的单元形，形成独特的纹理特征。

现阶段国内外轮毂个性化定制渠道通常采用专业定制网站，消费者只可以进行材料、颜色和尺寸等方面的定制，但是不能进行形态定制;消费者直接参与的轮毂个性化形态定制方面，仍然没有合适的途径、方法和以理论为基础的设计流程【3】。参数化设计方法在汽车轮毂形态设计中的融入需要设计界不断地去探索，并逐步地调整方法以适应轮毂形态设计的发展需要。

三、汽车轮毂参数化形态设计体系的提出

在对汽车轮毂形态进行设计时，参数化设计方法可以更好地提高轮毂形态设计效率，因此建立专业的轮毂参数化形态设计体系，使设计师设计轮毂时有据可循。在参数化设计方法基础上，针对上中提出的轮毂定制中存在的问题，提出以轮毂结构知识为基础、结合轮毂单元形参数、以计算机辅助设计为核心的汽车轮毂参数化形态设计体系框架，以期促进参数化设计在轮毂形态设计中更进一步的应用。汽车轮毂参数化形态设计流程如图1所示：

四、汽车轮毂参数化形态设计的优化对策

建立相应的汽车轮毂参数化形态设计体系之后，将轮毂参数化形态设计的基础内容进行强化，对单元形参数管理，使轮毂参数化形态与整车造型匹配，提高参数化设计在轮毂设计中的应用价值。

（一）轮毂外观形态参数

轮毂的结构包括轮辋、偏距、胎圈座、轮缘、轮辐、气门孔、槽底七部分，按造型形式分为轮辐式、盘状式和网状式三种。轮毂形态设计除标准件外，主要考虑正面片的轮辐布局、排列和侧视轮辐曲线特征两个方面。轮毂因其功能结构限制必须呈同心圆中心对称，轮辐呈发射状造型。轮毂正面片形式对轮毂整体形态影响最大，研究应首先从正面片的形式构成及变化规律特征入手。因此轮毂形态主要以研究正面片的形式特征为主，侧面轮辐曲线特征为辅。轮毂侧面片形式特征主要有平面、内凹和外凸三种形式。轮毂要承载一定的压力并拥有一定的弹性和韧性，因此要选择合适且受力好的结构，内凹和外凸形式因其受力结构好应用居多，而侧面为直线形式因受力结构不理想较少选择。侧面造型形式如图2所示：

轮毂形态正面片设计需要用平面构成中发射构成的理论进行研究。从发射构成的角度研究轮毂形态，即轮辐相当于发射构成中的基本型或者骨格;又因轮毂功能结构限定，必须在同心圆内且只有一个发射中心，故采用发射构成中的离心式、向心式、同心式发射。之后建立起发射构成的变化形式与轮毂形态之间的映射关系，从理论上解析轮毂形态设计，理性的探讨轮毂形态设计方法。以下为轮毂三种构成形式的结构图，如图3所示：

合理组合点、线、面与基本形、骨骼线，不仅可以使轮毂的结构与形态达到协调统一，还可保证轮毂形态符合标准、设计合理【4】。

（二）参数化图形参数

在轮毂形态设计中加入参数化设计方法，运用参数及逻辑的调整获得多种设计结果，能有效激发设计师灵感，得到满意的设计初概念，再将其深化得到最终的产品形态。在选取参数化单元形时，由功能和形态出发，从自然和生活中提取灵感，形成独特的轮毂参数化形态设计风格。参数化单元形态来源有两个方面，一种是由点、线、面等基本元素构成的几何形态，根据构成原则排列、组合得到新的图形，即欧氏几何图形;另一种是不图形基本属性，图形的大小和形状都可以发生改变，所有几何元素都可以变形且属性不变的拓扑几何图形。单元形的构成形式分为二维状态、三维状态，不同形态特征可以给人们的视觉和心理带来不同的感受。本文中参数化单元形的构成方式采用规则式构成、韵律式构成、动态式构成。由此可总结构成方式为二维规则式构成、二维韵律式构成、二维动态式构成、三维规则式构成、三维韵律式构成、三维动态式构成6种构成方式。

参数化软件平台，包括3大类软件，分别为：数据可视化软件;数据、形态和结构分析软件;造型软件，及其对应的程序语言。参数化设计平台软件如表1所示：

（三）在轮辐中的应用方式

参数化轮毂形态设计在不同风格和车型应用中，分为轮幅整体为基本形应用和轮幅局部基本形应用。不同的应用方式，带來的视觉效果是不同的。下表为局部应用与整体应用对比如表2所示：

（四）规则矩阵法

轮毂各个组成要素之间具有相对独立性和关联性，因而采用“规则矩阵”的方法，把轮毂形态设计中的参数要素与参数化要素依照一定的规则结合，用纵横两个方向的规则矩阵表，直观地表达各个影响因素之间的逻辑关系。具体排布如下表，其中表中A为欧氏几何图形，B为拓扑几何图形，1为二维规则式构成、2为二维韵律式构成、3为二维动态式构成、4为三维规则式构成、5为三维韵律式构成、6为三维动态式构成如表3所示：

（五）轮毂参数化设计的应用举例

参数化设计方法影响下的轮毂形态的设计流程，包括根据车型特点选定轮毂参数、选定参数化图形参数、选定应用方式、生成形体、调整参数五大部分。本文案例轮毂外观参数选择内凹型离心式造型，参数化图形选定三维韵律式构成与欧式基本几何形结合，参数化图形在轮毂中采用局部应用，软件选择犀牛与插件Grasshopper，之后根据限定生成参数化轮毂模型，对模型中的参数进行调整、渲染、装车。轮毂参数化形态设计具体流程如下：

1.车型选取及特点提取

本案例选定车型中，格栅构成方式采用韵律式变化。为使参数化轮毂造型与车身整体风格协调、匹配，提取格栅构成方式特点，应用于轮毂参数化形态设计过程之中，如图4。

2.轮毂参数的选定

轮毂外观参数的选定，轮毂侧面片选用受力性能好的内凹式，轮毂构成方式采用离心式。轮毂外观参数选定图如图5所示：

由此限定规则矩阵表中的区域如表4中灰色区域所示，通过规则矩阵限定区域，可以简化下一步参数选择过程：

3.参数化图形参数的选定

参数化图形参数选定三维韵律式构成（5）与欧式几何形（A）结合。参数化图形参数选定如图6所示：

由此限定规则矩阵表中的区域如表5中黄色区域所示：

4.应用方式

参数化图形在轮毂形态设计中采用局部应用方式。应用方式如图7所示：

由此限定队则矩阵表中的区域如表6中红色区域所示：

5.选择软件

当轮毂参数、参数化图形参数、结合方式选定之后，选择应用软件，本文软件选择三维数字化软件犀牛与其插件Grasshopper配合使用。软件如图8所示：

6.生成模型参数限定后，应用建模软件进行参数化轮毂形态设计建模，生成模型如图9所示：

7.调整参数

模型生成后，对控制参数的电池参数调整，使模型更符合设计要求，调整参数页面如图10所示：

8.最终模型

参数调整后，得到最终模型（图11），之后对其渲染（图12），装车（图13），设计完成。

通过建立相对应的参数化设计体系，将轮毂参数化形态的不同设计内容细致分类，对轮毂参数与参数化图形参数进行管理，通过规则矩阵表对参数限定，为下一步参数选定提供直观参考，提高参数化设计在轮毂形态设计中的应用价值，促进轮毂参数化的发展。以上步骤为参数化轮毂形态设计步骤，具体应用时，应注意提取车身形态中的特点进行轮毂形态设计，使轮毂形态与实际车型搭配更加和谐。

结论

参数化设计方法有很多优点，它不仅能将数据算法应用于设计过程中，也能使感性的设计拥有理性的理论支持，使设计师的设计效率得到提升，形成全新的设计方法与思路【1】。在消费者不断增加的个性化需求影响下，参数化设计方法打破批量生产造成的同质化僵局，通过从车型中提取元素进行参数化形态设计，不仅能满足消费者对轮毂形态独一无二的要求，又能与汽车整体造型匹配。本文总结了汽车轮毂参数化设计应用，初步探讨了轮毂参数化形态设计体系。但轮毂作为汽车的一部分，随着汽车的出现而诞生，汽车车型、风格不同，与其匹配的轮毂形态、结构也不尽相同，在装车时要选用与车身风格、造型、色彩、结构搭配的轮毂，使其真正实现科学与技术的完美结合。但由于参数化轮毂设计具有多学科结合和实践性极强的特点，本文提出的体系及结合方法仍需行业的实践与验证，进而对其调整和优化。

参考文献

[1]宋健.个性化需求下的产品参数化设计方法理论研究[J].家具与室内装饰，2018（05）：018-019.

[2]张琳.景观参数化设计初探[J].建筑工程技术与设计，2015（22）：586-586.

[3]吴俭涛.基于象元的形态设计方法及应用研究[D].燕山大学，2016.

[4]刘真.基于整车形态的轮毂造型设计与结构分析[D].华北电力大学，2012.

[5]沙强，徐骞.以用户认知为导向的智能化汽车造型设计研究[J].设计，2018（02）：140-141.

[6]康泰，张世琪，杨磊.汽车轮毂造型设计方法分析[J].科技创新导报，2017（24）：106-107.

[7]杨晓君，王宁，王晓春等.车辆色彩设计技巧探讨[J].设计，2016（02）：032-033.

[8]沙强，赵唐寅.以视觉心理学为导向的汽车侧面造型探究[J].设计.2019（09）：016-018.