基于参数集成与收敛的汽车格栅设计研究

李卓 葛翔

摘要：为了优化汽车造型开发中的参数化设计流程，扩充参数化设计的使用方式。文章提供了一种工程参数与造型设计结合的参数化设计方法，该方法可以快速生成大量满足工程要求的最优方案。文章从造型工程参数出发，借助参数化软件和遗传算法对汽车前脸格栅造型进行设计，并使用CFD仿真实验对结果进行综合分析。用实例验证了该方法在参数化设计中应用的可行性与高效性。

关键词：参数化设计 汽车造型设计 工程可行性 计算机辅助设计 进气格栅设计

中图分类号：TB47 文献标识码：A文章编号：1003-0069（2022）11-0138-04

Abstract：To optimize the parametric design process in automobile modeling development and expand the use of parametric design. This paper provides a parametric design method combining engineering parameters with modeling design，which can quickly generate a large number of optimal schemes to meet engineering requirements. Starting from the modeling engineering parameters，this paper designs the car front grille with the help of parametric software and genetic algorithm ，and uses CFD simulation experiment to comprehensively analyze the results.The feasibility and efficiency of this method in parametric design are verified by an example.

Keywords：Parametric design Automobile styling design Engineering feasibility Computer aided design Grille design

引言

參数化设计是近年来汽车设计中一股新的潮流，通过计算机的逻辑计算，设计师可以更加精确且动态地生成造型。参数化设计是一种借助计算机运算能力来解决客观设计问题的工作方法[1]。设计师可以将其对设计的思考输入计算机中，通过对逻辑的有序编写来进行动态约束，从而生成相应的造型。各种参数可以在一定的组合方式中产生无数种方案。传统从视觉美学角度出发的设计思路，本质上还是一种基于人脑的黑箱生形的过程，而利用参数化设计的方式可以让设计产生更多可能。

本文通过Grasshopper参数化造型工具，将参数化造型设计方法与工程参数打通，利用遗传算法对结果进行集成收敛，生成满足产品性能的最优设计方案。最后对产生的结果进行CFD仿真实验，使格栅的造型设计与产品性能相匹配，为美学设计提供验证方法和实验依据。

一、参数化设计在汽车领域的应用背景

（一）参数化设计的基本概念

参数化设计的本质是可控量化参数通过计算机软件设定法则或者逻辑函数实现生成多元结果的过程[2]。其通过函数表达几何关系；用数字化的方法诠释设计中的逻辑方法；利用计算机的计算能力代替人脑的决策。拥有着计算机的数字逻辑背景，参数化设计通过逻辑建模可为广泛适用的工业化产品提供大量富有变化的形态结构样式，对于形成全新的产品形态产生了巨大贡献[3]。

（二）参数化在汽车设计中的应用方式

汽车设计中参数化设计拓展了表面肌理的多样性，逐渐成为近几年常用的纹理设计手段。目前参数化在汽车设计领域的主流研究分为以下两种。

第一种是依托于外观设计的产品纹理，拓展了表面肌理的多样性，逐渐成为近几年常用的纹理设计手段。当前环境下的汽车参数化设计中，参数化被应用于凸显电动时代下汽车造型的智能语义。如图1在2016年宝马发布的Next100概念车中，在轮包，格栅，仪表板的表面使用了宛如生物表皮般的参数化纹理。其表面纹理会随着车轮转向而发生变化，表层纹理逐渐张开露出隐藏的红色光源。

另一种是空间造型的参数化设计，经过参数化设计算法加3D打印得到的产品具有成型快，参数控制精准的特性，可以应用在个性化定制的中。目前结构优化算法在设计中的运用为个性化的定制指明了新的方向，如图2，2020年保时捷公司推出了3D打印的个性化赛车座椅，采用了3D打印填充层的设计，其填充层结构主要采用的是有序多孔结构，其单元结构具有规律性，每个单元的物理性能相似。通过调节每个单元的参数，并辅以拓扑结构优化，将原来实心的填充层转变为空心的结构，为客户提供了三种不同的座椅软硬度选择[4]。

（三）汽车参数化存在的问题

参数化设计的应用面窄，汽车设计的参数化设计装饰性大于实际用途。

目前参数化设计形式的创新能力不强。以设计师图像思维能力驱动的设计方法始终逃离不了设计师个人能力和经验主义的限制，参数化的软件只在辅助建模的阶段介入。

设计流程复杂。汽车是一个十分复杂的工业产品，其大多数零部件都需要满足一定的产品性能或者法律法规的要求，因此在设计过程中往往需要工程部门和设计部门的协作，通过多次反复修改使零部件达到要求。

随着计算机技术的发展，人类已经进入了高速发展的智能化时代，复杂又充满韵律感的参数化设计能给人带来全新的视觉冲击力。在这样的背景下，未来在汽车设计手段中可以借助参数化的软件，通过“以力生形”的方式，从参数和实际功能出发，让电脑智能对方案进行设计和优化。参数化设计生成无限多方案的同时，也能让工程和创意设计进行有机结合，以期优化整体设计流程，加强设计和工程部门的合作联系。

二、工程参数在汽车造型设计中的集成与收敛

（一）汽车设计中工程参数的应用

汽车造型设计是一个美学与工程学相互交融的过程，在开发的过程中设计师往往要在工程师的辅助下将造型与工程硬点匹配。众多汽车零部件中，最适合通过参数化进行设计的零部件包括进气格栅，前后灯组，音响孔，座椅散热孔[5]，与其相关的工程参数如表1所示。

各异性工程参数：零部件为了满足特定产品性能所具备的工程参数

共性工程参数：因为材料或制作工艺的要求而需要满足的工程参数

在前期造型开发阶段，主机厂会以有效进气面积的占比t（后文简称t值）作为工程临界值对造型加以约束。常见的乘用车为前置发动机，发动机舱内部元器件通过前端的散热器和前格栅进行散热，因此格栅的进气量就十分重要，足够的冷却气流才能保证前舱的各个零部件在适合的温度下正常运作。因此根据发动机功耗不同，不同的主机厂对进入前舱的冷却气流流量有不同的需求，考虑到进气、散热、风噪等，一般将t值控制为某一值。

如图3所示，定义散热器面积为S1，前格栅通孔在散热器的正投影面积为S2，则有效进气面积占比t表达为：t=S2/S1

（二）参数的集成

参数的集成包括造型工程参数与设计美学参数，其中造型工程参数如上文所示，由工程部门提供，对设计加以约束；设计美学参数包括造型，排列方式，数量等，由设计师根据设计要求提供。在传统基于NURBS的建模軟件中，参数的集成主要由数模师手动进行。设计师产出造型平面图后，数模师再根据工程部门给出的定义在三维软件中对数据进行制作和修改，从而对参数进行集成产生初期设计方案。这种设计方式的优势在于所见既所得，对三维数据的修改直接明了，更容易对造型进行直接控制。但不足之处在于数模师的重复劳动量大，也正因为所见即所得，其最终设计结果也完全由设计者本人经验和设计能力决定。

相较于传统的设计方法，参数化设计则利用其可动态调节的特性，大大简化了数模师重复劳动的过程。数模师的职责从制作NURBS三维模型的过程转变为通过对逻辑的有序编写，将建模过程转化成搭建函数的过程，在基础框架保持不变的情况下，设计师和工程师都可以通过改变函数中的自变量从而对造型的轮廓，疏密，大小，厚度等进行修改，在优化工作流程的同时也为工程参数在造型中量化提供了可能性。并且，利用不同参数的排列组合，软件就能够自动产生无数种设计方案，相较传统方法具有更强的变化性与随机性。但不足之处在于利用参数化设计不易对设计结果进行直接改动，出现任何问题需要从函数中寻找答案，相较于传统方法多了一步转化的过程。

（三）参数的收敛

在传统的设计方法中，初期对参数进行集成后产出的设计结果往往不是最优解，只有在数字模型完成后才能进行工程验证。在设计部门和工程部门的反复研究和验证中进行各项参数收敛，最终产出符合造型工程参数的方案。

若在设计中利用遗传算法收敛各项参数，获取设计最优解，则可以加快这种收敛的进程。遗传算法是通过数学的方式，利用计算机仿真运算，将问题的求解过程转换成类似生物进化中的染色体基因的交叉、变异等过程。与传统算法相比，能跳出局部最优，在适应度函数选择适当的情况下达到全局最优[6]。使用遗传算法对多变量的复杂函数进行求解，通常能够更快地获得较好的优化结果。调整相关参数和适度（Fitness），并设置相应的参数取值范围，算法就能够非常智能的收敛参数，快速得到最优解决方案。其内在作用方式如图4所示。

三、基于有效进气面积收敛的格栅参数化设计

（一）几何模型前处理

本例中的三维模型数据来自于某车厂的完整数据，然而真车的零件细节非常丰富，结构复杂，若完全按照现实情况进行实验对笔者现阶段来说显得不切实际，且造型设计属于整车开发的前期阶段，仅需满足基本工程要求，因此本文中建立简化仿真模型[7]（图5）替代整车进行仿真。

（二）参数的集成

参数的获取。前期的造型探索阶段以造型为主，对工程边界进行选择性遵守。前脸格栅所涉及的工程参数包括有效进气面积，拔模角度，方向，料厚等。其中拔模角度方向料厚等与材料有关，暂不计入考虑。本文的t值定义为某主机厂提供的工程临界值25%。造型上采用可密铺的四边形单体，由中心向两边进行由大致小的渐变，整体呈现带有弧度的倒梯形状态。通过调整该曲面UV两个方向上的单元格数量和每个单元的大小对整体t值进行调整。

程序编写。如图6所示，程序的编写包括五个部分，包括基本框架、翻边深度、开孔大小、整体厚度和t值计算。基本框架的编写方面使用Diamonds工具将曲面分成多个相接的四边形开孔，通过UV接口可以对四边形的排列数量进行编辑。翻边深度设定为4mm。开孔大小设定为由中心向两边的进行尺寸的渐变，两端尺寸由滑杆控制。整体厚度根据工程要求设定为2.5mm。

（三）有效进气面积占比计算模块和参数的收敛

t值的计算。将散热器面积和格栅通孔在散热器上的正投影面积输入计算公式便可获得t值，通过调整开孔数量和大小的值来使得t值符合工程边界条件。为了使遗传算法能正常运作，定义计算t值与标准t值差的绝对值为s（以下简称s值），用遗传算法求得s值最小时即可得最接近工程边界条件的设计结果。

对编写好的程序分组整理。将Diamonds工具的UV接口和控制开口大小的滑块与遗传算法电池的基因组接口进行连接，将s值与适度端口连接，设定编码方式后即可使用遗传算法进行参数收敛。

（四）格栅方案效果

遗传算法进行收敛，得出最优解决方案结果如表2所示。经过多次验证，笔者发现在遗传算法参数不变的情况下，格栅不同的初始形态会生成不同的计算结果。笔者设定了3种不同的初始状态，（1）和（2）在保持两端收缩系数一定的情况下改变UV方向的数量，（1）和（3）在保持UV方向的数量一致情况下改变了两端的收缩系数，其参数和优化结果如表2。最后s值分别收敛到了24.82%，24.72%和 25.02%，分别与标准值25%差0.18%，0.28%和0.02%，完全符合工程边界。

（五）实验结果的讨论

产生这种情况合理猜测是由于方程有多个解可以满足s值趋近于0，最终的结果会受第一次输入的数据影响；即优化结果在参数上和图形表现上都会围绕初始方案上下波动，尤其是UV方向的数量参数对此特征的反映明显。中心和两端系数在参数表现上无明显规律，因为单体大小的变化函数是一个复杂函数，其不只受中心和两端参数的影响，也受到单体数量和排列方式的影响。如在此例中，保持中心和两端系数一致的情况下，两端单体的开孔面积较中间部分大；UV方向上单体数量越多，单个单体的开孔面积越小。从图形表现来看，格栅中心排列的单体数量越多，其单体大小渐变越明显。因此设计师可以利用此规律训练算法，在搭建初期方案时向函数输入预期的数值，从而生成既满足设计又满足工程需求的方案 。

方案的选择。在具体固化的造型边界内，排布规律和比例是优化造型美感的重要条件。参数化设计本身的美感体现在单体规则排布的韵律美和复杂美，对比三次实验的结果，方案2的大小变化程度和整体韵律感最佳，因此本文选择方案2作为最终优化方案。参数化的设计方法给该方案带来具有流动感的产品形态，形成一种流动科幻的新型设计风格，其中间向两边渐消的纹理使前脸产生向前的速度感。将进气面积作为参数收敛的指标，利用理性的思维与感性的设计的奇妙碰撞，产生了一种新的有趣的设计手段，给经验主义的设计问题赋予了合理的科学的解释。

四、参数化格栅进气量与换热分析

格栅设计直接影响了进入前舱的气体流量和流向，对发动机前舱散热有重大影响。为验证优化后的可用性，采用CFD法对格栅进行分析[7]。将Grasshopper的输出模型转化成有限元模型进行风速和换热特性分析，分别得出36km/h、72km/h、108km/h三种不同速度下的工作情况。

（一）仿真条件定义

1）气体属性定义。换热仿真中使用的流体定义为可压缩性理想气体。（简称理想气体）

2）边界设置。设置入口为速度入口，环境温度为298K（25℃），出口为压力出口。

3）前舱内部零件发热功率定义为385.622kW/m3

（二）仿真分析

使用STAR-CCM+软件进行CFD仿真实验，分别在低速，中速，高速匀速直线行驶三种工况中，测试理想气体流过格栅的流速，和换热情况，并获取数据进行综合分析。设置三种速度分别为36km/h，72km/h和108km/h。

1.共轭换热计算：图7为三种不同工况下的共轭换热云图，从流场云图可看出，经过格栅处理想气体流速迅速增大，气体流速越大可以带走更多的热量。

從温度云图可以看出，三个工况下出口温度相对于入口位置的温度都是有所升高的，对其热交换律进行计算，计算结果如表3所示。

2.格栅内部流线：图8为36km/h，72km/h和108km/h下格栅内部流线图，展示了前舱内部理想气体的流动方向。从流线图可以看出，理想气体穿过格栅发生了扰动并穿过散热板和发动机部件，从出口流出，且车辆行驶速度越快，发生的扰动越强烈。

从共轭换热来看，气流流过参数化格栅中间单元通孔密集的处时，流速迅速升高，此处温度随之降低，给散热器带去良好的散热效果，且车速越高，流过通孔的气体质量流速越大；计算结果表明，格栅的设计能够满足前舱所需的热交换律，且车速越高，单位时间内带走的热量越多。因此从换热角度来看，此参数化格栅设计方案合理。

从流场来看，流经参数化格栅的理想气体流量较大且流线分布合理，其中在格栅中部扰动较大，速度较快，在两边开孔较小的地方扰动较少，速度较慢，此时靠近散热器的空气气压降低，向外做功后温度降低，随后掠过前舱发热的部件。因此，从内部流线图来看 ，此参数化格栅设计方案也是合理的。

结论

针对汽车的参数化设计聚焦于装饰性的问题，本文提出了一种基于参数集成与收敛的设计方法，将工程参数与创意设计结合，达成了“以力生形”的效果。这种设计方法让设计不再停留于感性的创意层面，而是利用工程约束使得设计结果更具有逻辑性和可验证性，让造型与产品性能相匹配，同时优化了工程部门和造型部门的工作流程。

本文用这种方法对汽车前格栅的造型设计进行了实践，并利用CFD仿真技术验证了其可用性。不足之处在于此设计方法是针对前期造型设计流程所提出的，是为设计师提供的一种新的方案生成手段，并不能完全替代后期工程部门的验证，后期优化调整还需要结合整车的完整数据进行探讨。后续的研究可以结合整车设计，加入对风阻，防撞性能的研究。从国际汽车格栅设计的发展趋势来看，主动进气格栅将成为未来主流，利用此方法可以实时调整格栅有效进气面积，启发主动进气式的参数化格栅的开发。

基金项目：全国高等院校计算机基础教育研究会项目“新工科视域下参数化美学设计的课程建设及实践”（2021-AFCEC-456）。

参考文献

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