计算机虚拟仿真技术在汽车设计中的应用

摘 要：随着科学技术的不断发展，计算机技术与工业设计的结合日益密切，逐渐朝着智能化、精细化、高端化的方向发展。虚拟仿真技术通过计算机打造三维空间实现与现实真实体验，将其应用于汽车设计中，可以极大地提升产品设计的精度，降低设计成本和周期，为汽车设计领域带来便利。汽车作为当前人们生活中不可或缺的工业产品，不断提高汽车的舒适性、安全性和智能化水平成为当前汽车设计的重要目标。因此，需要详细阐述计算机虚拟仿真的概念及特征的基础，分析其对汽车设计带来的积极意义，具体探讨虚拟仿真技术在汽车设计中应用，为汽车设计带来的新的手段和方法。

关键词：虚拟仿真 汽车设计 应用

随着计算机技术的不断发展，计算机辅助设计越来越被应用到汽车设计之中。近年来，国内外汽车行业的发展受技术和市场的影响越来越大，以计算机虚拟仿真技术为代表的众多高新技术为汽车设计带来新的机遇。计算机虚拟仿真技术一经出现，便迅速地利用到工业设计中，利用计算机打造虚拟三维立体空间，设计者可以在虚拟的空间中感受到近乎真实的触觉、视觉及听觉体验。而将计算机虚拟仿真技术应用到汽车设计之中，它可以无障碍、无阻滞地实现对三维立体空间的事物的观察和操作，生动地模拟出实际的工业生产场景[1]，不断优化汽车设计的空间。在降低汽车设计成本的同时，进一步优化设计理念和方法。

1 计算机虚拟仿真概念及特征

1.1 概念

计算机虚拟仿真技术依赖于网络技术和通信技术的发展，是以控制理论、相似原理、数模与计算技术、信息技术、系统技术及其应用领域相关专业技术为基础，以计算机和多种专用物理效应设备为工具，借助系统模型，对实际的或设想的系统进行动态试验研究的一门新兴综合性学科[2]，本质上是多个学科和领域的集合。但不能简单地将计算机虚拟仿真技术理解为计算机学科的一部分，计算机技术只是促成了计算机世界和虚拟世界的结合，而虚拟技术则实现着工程科学和人文学科的结合。因此，虚拟仿真技术具有明显的优势，第一，经济性。直接的实验或实践耗费巨大，而虚拟仿真将真实的实验数字化体现，且可以重复使用修改。第二，隔离性。大型实验和设计影响因素较多，增加了不确定性，而虚拟仿真技术可以隔离这些不确定因素，保障实验的绝对化。第三，安全性。虚拟仿真技术可规避部分实验中的危险。第四，快捷性。虚拟仿真技术可以快速地实现实验及设计的修改完善，提高工作效率。

1.2 特征

1.2.1 沉浸感

虚拟仿真技术首先为设计者提供了一个近乎真实的三维视觉场景，随着技术的不断提高，这种模拟仿真场景将更加逼真。在这种亦真亦幻的场景中，加上触感和声感传感器的作用，可以让设计者在接近真实的环境中进行设计和修改。而从汽车体验的视角来看，驾驶体验也是汽车设计中需要考虑的因素之一，汽车驾驶时对速度、空间的感官体验最为明显，而且驾驶视角、盲区这些因素也是必须考虑设计点之一。在虚拟仿真设计环境中，设计者可以达到“所见即所得”的设计过程，在沉浸式的体验中查找问题，弥补不足，进一步提升设计效率。

1.2.2 交互性

虚拟仿真技术其实弱化了现实和虚拟之间的界限，为二者构建了便捷的连接体验，借助大量的科学器件，让用户在虚拟的环境中获得真实的感受，也可以将用户在现实环境中的体验在虚拟中“重现”出来。尤其重要的是，虚拟仿真技术可以实现对用户的“量身定做”即根据用户的需求进行合理匹配，比如现实中用户借助传感器进行运动，在虚拟仿真中给予反馈。不同于这几年兴起的3D、4D电源，虚拟仿真技术更注重用户在虚拟环境中的交互。对于汽车设计来讲，虚拟仿真技术可以提升用户在驾驶之中的黏合度，提升驾驶体验。在设计的早期及时发现潜伏的问题，进行调整修正、实现优化，具有节省资金、可重复性、无风险性等优点[3]。

1.2.3 智能化

就技术源头而言，目前市场上出现的众多高新技术几乎都涉及几种关键技术，比如计算机技术、人工智能技术等。虚拟仿真技术本质上还是以计算机控制技术为基础，依靠通信技术实现人机交互，人工智能技术则进一步提升了二者之间的联系和感知。虚拟仿真技术在为人们提供良好的交互式体验的同时，还可以根据人的需求，身体的变化，在分析模拟的基础上，提高用户的体验。在汽车设计之中，依靠虚拟仿真技术智能化特点，可以进一步简化设计流程，提升驾驶体验，保障设计安全具有重要的作用。

2 计算机虚拟仿真技术对汽车设计的价值及必要性

计算机虚拟仿真技术对汽车设计领域的影响是广泛的，具体而言，虚拟仿真技术实现了设计理念的更新和方法的创新，在节约成本的同时提高了设计效率。

2.1 计算机虚拟仿真技术对汽车设计的价值

2.1.1 变革设计理念

在传统的汽车设计过程中，汽车设计师仅仅负责汽车的设计和生产，而对于销售方面则交由专业人员进行，生产和销售是分开进行的。而虚拟仿真技术的出现则变革了之前的设计理念，虚拟仿真技术在汽车设计中不仅仅是对汽车外形的设计，还体现在汽车全流程设计，这就需要汽车设计师在设计时需要站在更高的角度和全面的视角来对车辆进行设计，还需要根据用户的体验进行实时优化，借助虚拟仿真技术设计师可以实现与经营和销售团队的实时互动交流，更好地实现车辆的设计优化。

2.1.2 创新设计方法

在传统的汽车设计中，多依赖二维平面图进行设计，虽然借助计算机辅助设计二维图已经优化到极致，但平面图纸无法实现所见即所得的效果。在虚拟仿真技术的应用下，可以使汽车设计更加的立体化和三维化，可以使设计师在不同角度进行立体式查看，实现设计方案的任意翻转、放大、缩小，可以准确发现模型中存在的问题，并且可以同步对其进行缩放操作[4]。

2.2 计算机虚拟仿真技术对汽车设计的必要性

将计算机虚拟仿真技术应用到汽车设计中有较强的必要性。第一，车辆外形设计的需要在传统的汽车设计中，由于多以二维图的形式开展设计，在车身空气动力学方面存在不足，在成本和方法的影响下，无法完全开展风动检测和实验，车身的风阻设计存在不足，影响车辆的整体性能和操作。第二，车辆操作性提升的需要。当下，消费者对车辆的操作性要求越来越高，传统的汽车设计无法模拟真实的驾驶体验，且检测效果不能实时更新在设计上。第三，装配科学化的需要。传统的汽车装配受到各种因素的影响，存在影响整车质量的弊端，急需新的技术方法支持。

3 虚拟仿真技术在汽车设计中的应用路径

3.1 车身造型空气动力学特性检测

在汽车外形的设计进程中，车身是否符合空气动力学的要求，直接决定着车辆的造型，比如在驾驶汽车的过程中，不同车辆的外在造型对空气的阻力系数是不一样的，这些关键性的指标数据对汽车的稳定性、可操作性及车辆的能耗都产生直接影响。对于车辆的风阻系数影响的关键因素中，车身造型是关键的一环。因此，在进行汽车设计时，车辆的外观设计一定要符合风阻的要求，因此需要对车辆的空气动力学指标进行实验。在传统的实验过程中，主要利用风洞进行风阻实验，其具体的过程是将车辆按比例缩小，后将模型放入风洞中进行风动检测，然后查看模型表面的气流变化，以验证相关指标数据，但是风动实验也存在一定的问题，比如在模型的制作过程中，难免会存在一定的误差，这导致在实际实验中的数据与车辆实物存在一定的误差；而为了减少误差的产生，就需要一比一地制作出车辆模式，但是大尺度的车辆风动测试往往流程较为复杂，且模型制作和风动的过程造价较高，加重了汽车制造商的负担；而且车辆外形设计不是一成不变的需要不断地修改完善，这就代表着每一次的修改就需要进行风动测试，这些流程和花费绝非一般的车辆制造商所承担。再者，这些设计方法东辉存在一定的制作误差，在消耗大量的资金的同时，最终无法达到设计本意的效果。这些存在的问题就需要设计师采用新的设计方法来弥补，而计算机虚拟仿真技术则更好弥补以上存在的问题。

在汽车设计中采用虚拟仿真技术，可以利用其建立虚拟的风洞模型，将汽车设计的各项数据模型在虚拟风洞中进行呈现，在虚拟的风洞中，实验着可以测试不同速度、路面、天气情况下，车辆整体及各部分在行驶的空气流体路径和动态展示效果。在虚拟仿真技术的加持下，这些抽象的概念都可以用真实的图像展示出来，在其中可以实时展示车辆设计数据的变化。这种模式下，可以省去车辆模型制作的过程，降低成本的同时，也减少了不必要的数据误差，便利汽车设计师及时调整设计方案，缩短设计周期。在消费者的角度来看，在虚拟仿真的基础上，他们可以真实触摸或感知车辆在行驶过程中的各项数据表现，更直观地感受车辆的性能。在虚拟的环境中消费者可以一比一地感受车辆的空气动力学数据，对车辆有更加直观地感受。同时，汽车车身的CAD数字模型还可随时更改而实时更新[5]。

3.2 车身造型和内外饰的评价与审查

在新车的研发过程中，为了真实地反映车辆的外形和细节，往往需要将车辆按照一比一的比例制造出来，全比例的样车制作和设计预期的颜色喷涂，才直观地感受车辆的魅力。除了外形之外，车辆内部装饰也是车辆设计的重点之一，只有恰如其分的内饰设计才能最终确定车辆的线条。除此之外，还需要对车辆模型比例进行分析，以确定其是否符合大众的审美习惯。最后，汽车研发的决策者对全尺寸的车辆模型进行审查，以最终决定是否正式生产该汽车。再生产之前，需要考虑的因素较多，比如，门把手的设计是否符合要求、车门是否符合设计要求、驾驶员和乘客的视野是否有受阻现象，汽车仪表盘是否与方向盘有冲突及是否存在遮挡现象、座椅高低及调节是否符合人体工学要求等，这些重重因素都是整车质量评价的指标数据。在大部分情况下，这些指标的评价和检测都是通过一比一车辆的模型来实现的，而在全尺寸样车的制作中，需要花费大量的人力、财力、物力，而一旦需要对其中某一项进行修改，也就代表着全尺寸样车的修改，不但耗时耗力而且影响着车辆的研发进度，有可能错过最佳的车辆销售期，加重企业负担。此外，即使不考虑前期成本，传统的研发流程，容易受到各种因素的影响，检测效果被大打折扣，要求设计者继续更新设计方法。

在采用计算机虚拟仿真技术以后，可以借助数据模型实现对车辆内饰的三维立体展示，以虚拟的方式展示出来，让设计人员在虚拟的环境中实现内饰的可视化展示。设计人员可以近距离感受到车体内部结构、材质和色彩的搭配。例如，设计人员可以记住VR眼镜和相应的感应器，进行相关的数据修改。在这一过程中，设计人员可以开展中控台使用、视野检测、车辆驾驶等方面的实地模拟。虚拟仿真技术的优势在于设计人员可以以消费者的视角来审视汽车设计的科学性和设计质量，以便获得更好的设计方案。在虚拟仿真技术的加持下，还可以避免出现设计缺陷，使车辆在外观和内饰方面达到高度的统一。这样就可以实现车辆研发流程的简化、优化，缩短研发周期，便利企业更好地适应市场的竞争。降低研发成本的过程中，实现车辆性价比的最佳平衡。

3.3 汽车装配模拟

汽车设计的过程汽车装配也是重要的一步。良好的汽车装配布局可以提高车辆的工艺水平，也可以进一步提高生产效率和良品率，有助于增加车辆的市场占有率。汽车装配考验着车辆生产管理水平，在汽车装配中采用计算机虚拟仿真技术可以实现装配工具和工艺流程的及时优化。在生产的过程中，及时地判断装配质量的变化，并以此进行合理化调整，不断提高车辆装配的工程质量。在汽车的质量评价中，车体质量举足轻重，在车体的制造中，装配水平发挥着重要的作用，这就要求装配的每一个环节必须严丝合缝，传统的装配总是存在一定的误差，炳辉影响车体的质量，这就要求设计人员综合考量各种因素，并找寻有效的改进方法。

设计人员借助计算机虚拟仿真技术模拟装配技术的改进和优化，提高车辆的质量。在降低车辆成本的过程中将误差减少在最低的范围内。在汽车装配过程中采用计算机虚拟仿真技术具有以下几点优势：第一，排除安全隐患。利用虚拟仿真技术，装配人员可以根据设计方案仿真模拟装配过程，在其中及时发现存在的问题，并在系统中及时修正优化，为后期的实地装配减少不必要的损失。第二，降低成本，在汽车装配中使用虚拟仿真技术，可以模拟优化装配方案，实现边模拟边优化的操作，最大限度地节约成本。第三，达成精细化装配模拟和检测。车辆设计从图纸到成品涉及的零件可以用海量来形容，这些不同的零件需要有较强的融合度和贴合性，这直接影响着车辆的使用，而在虚拟仿真技术的采用下，可以将每一个细微的零件进行模拟展示和细节展示，让设计者和装配组更加直观地了解，更好地实现车辆的精细化管理[6]。

4 结语

综上所述，计算机虚拟仿真技术集合了多种技术，实现了跨学科的技术突破，其具有沉浸、交互、智能的特点。将其利用在汽车设计中，可以有效地创新设计方法，变革设计理念，在汽车设计的精细化和标准化方面起到了积极的作用。在具体的应用过程中，虚拟仿真技术可以应用在汽车空气力学、车辆外形和内饰、装配等方面，简化设计流程、提高设计效率，促成整车质量的提升，从而提升车企的整体效率。

参考文献：

[1]黄坤.虚拟现实技术在工业设计中的应用[J].赤峰学院学报（自然科学版），2017，33（11）：38-39.

[2]陈盈盈.基于仿真理论及虚拟化技术的虚拟覆盖网络模型研究[D].上海：上海交通大学，2008.

[3]郭永庆.虚拟现实技术在汽车设计中的应用[J].科学大众（科学教育），2018（06）：186.

[4]孟松松，张翔伟，师雪静，等.浅析虚拟现实技术在工业设计中的创新与应用[J].轻纺工业与技术，2020，49（06）：34+45.

[5]方小晖.虚拟现实技术在汽车造型设计中的运用[J].南方农机，2017，48（19）：142.

[6]李永耀，李国荣.虚拟现实技术在汽车设计中的应用[J].时代汽车，2021（10）：111-112.