浅谈解析汽车的正向、逆向开发流程

无论正向研发还是逆向开发，尤其是研发出一款成功的产品，对于车企，特别是现在的自主品牌而言，都是相当重要的标志！

那么，汽车的正向、逆向研发过程究竟是怎么样的？包含了哪些阶段和什么内容？

01

车身正向开发流程

汽车车身除了要有漂亮的外表和与众不同的个性特征，同时还要能安全可靠地行驶，这就需要整个设计过程融入各种相关知识，包括车身结构、制造工艺要求、空气动力学、人机工程学等。细化开发流程与同步开发手段，对于设计出消费者认可的新车型至关重要。

汽车车身设计简单理解是根据一款车型的多方面要求来设计汽车的外观及内饰，使其在充分发挥性能的基础上艺术化。汽车车身除了要有漂亮的外表和与众不同的个性特征，同时还要能安全可靠地行驶，这就需要整个设计过程融入各种相关的知识：车身结构、制造工艺要求、空气动力学、人机工程学、工程材料学、机械制图学、声学和光学知识。从一个灵感到最后实现，需要一系列的步骤。得到市场的认可，性能优良的内“芯”，再加上一袭新衣包装，才是新车待嫁时。下面，让我们看看正向设计如何为一款新车设计“嫁衣”。

1、项目策划

项目策划包括：项目计划、可行性分析、项目决策及组建项目组等几个方面。图1为项目策划阶段的示意图。

图1 项目策划阶段示意图

汽车企业的产品规划部门必须做好企业产品发展的近期和远期规划，具有市场的前瞻性与应变能力。项目前期需要在市场调研的基础上生成项目建议书，明确汽车形式及市场目标。可行性分析包括：政策法规分析、竞争对手和竞争车型、自身资源和研发能力的分析等。

项目论证要分析与审查论点的可行性和论据的可靠性与充分性。经过这一阶段，要开发一个什么样的车型，类似于同行什么等级的车型，其性价比方面有哪些创意与特点即展现在我们面前。

项目策划的最后阶段是组建项目组：组建新品开发项目小组、确立项目小组成员的职责、制定动态的项目实施计划、明确各阶段的项目工作目标、规定各分类项目的工作内容、计划进度和评价要求。

2、概念设计阶段

概念设计在新产品开发中有着重要地位，因此，新产品概念设计流程再造是新产品开发流程再造成败的关键所在。一个全新的汽车创意造型设计分为以下几部分：

1）总体布置草图设计：绘制产品设计工程的总布置图（如图2），一方面是汽车造型的依据；另一方面它是详细总布置图确认的基础，在此基础上将产品的结构具体化，直至完成所有产品零部件的设计。

图2 某车型的总布置草图

2）造型设计：包含外型和内饰设计两大部分。

设计阶段包含创意草图和效果图设计：在这一过程中，要比较竞争对手的产品，拓宽思路，勾画出多种效果图，再从中选择较为满意的几种效果图，供专家小组评审。图3、4分别为造型设计阶段的草图与效果图。创意的过程需全面融入产品设计与产品制造的要求，这个阶段要进行多方面的评审与修改，直到最后确定效果图方案。

图3 前期设计草图

图4 设计方案效果图

3）油泥模型制作阶段

概念设计的最后阶段是制作油泥模型：制作3~5个1：4油泥模型，制作小比例模型主要是为了节约成本及时间。对外观评审后，选定其中一个制作1：1油泥模型；根据总布置图构建1：1的主模型线图，接下来制作1：1的油泥模型。在制作油泥模型的过程中，还需要组织多次总布置验证，各领域的问题都要考证造型的合理性，直到最后的油泥模型冻结。

图5 外型油泥模型

图6 内饰油泥模型

3、产品设计工程阶段

油泥模型冻结后，就全面进入到了产品设计阶段。产品设计工程是汽车自主创新开发中最为重要的一步，它贯穿整个汽车开发的全过程，包括整车总体布置、汽车工程分析、产品结构分析、具体总成与零部件的详细设计以及它们之间的相关协调工作。这一阶段耗时最长，如果撇开后期的设计改进时间不算，一般需要1年左右的时间。

在产品设计阶段，有必要让供应商提前介入，使产品的设计做得更经济、合理。要充分利用产品设计的手段，加快产品设计进程，缩短产品开发周期。利用三维软件对产品零部件进行装配，做各种断面与干涉检查，使产品结构尺寸准确无误；利用有限元分析软件对产品结构进行有限元模拟分析，产品性能模拟分析要达到合格水平。

1）整车总布置设计

在前面总布置草图的基础上，细化总布置设计，精确地描述各部件的尺寸和位置，为各总成和部件分配准确的布置空间，确定各个部件的详细结构形式、特征参数、质量要求等条件。主要的工作包括：发动机舱详细布置图、底盘详细布置图，内饰布置图、外饰布置图以及电器布置图（如图7）。

图7 整车总布置图

图8 车身造型三维数据

2）车身造型三维数据生成

油泥模型完成后，使用专门的三维测量仪器（ATOS）对油泥模型进行测量，生成点云数据，工程师根据点云使用汽车A面制作软件来构建外表面（如图8）。车身造型数据完成后，通常要用这些数据来重新铣削一个树脂模型（如图9），目的是验证车身数据。

图9 重新铣削一个树脂模型

3）主断面设计

主断面设计作为车身设计中的一项重要工作，被越来越多的车身设计团队认可，通过主断面设计可以前瞻性的将车身结构的设计方案呈现出来，最大限度地指导详细设计（如图10）。

图10 主断面图

4）白车身设计

汽车车身工程是目前世界汽车工业中研究最活跃、发展最迅速的一个领域。汽车白车身是汽车其他零部件的载体，是以“钢结构”为主的支撑部件，它是一个复杂的体系，其零部件数量众多、结构复杂，制造成本约占整车的40%~60%，通常有300~500多个形状复杂的薄板冲压零件（如图11），在55~75个工位上大批量、快节奏地焊接而成。

图11 某轿车白车身结构设计

轿车车身结构设计是以车身造型设计为基础进行车身强度设计和功能设计，以期最终找到合理的车身结构型式的设计过程的统称，其设计质量的优劣关系到车身内外造型能否顺利实现和车身各种功能是否能正常发挥。所以，它是完成整个车身开发设计的关键环节。

结构设计必须兼顾造型设计的要求，同时应充分考虑诸如结构强度、防尘隔噪性能以及制造工艺等多种设计要求。优良的结构设计可以充分保证汽车整车质量的减小，进而达到改善整车性能、降低制造成本的目的。

完成车身结构设计首先需要明确车身整体的承载形式，并对其做出载荷分析，以便能使载荷在整个车身上分配合理。在此基础上，进一步做出局部载荷分析，确定各梁的结构形式和联接方式。因通常轿车存在使用目的和级别上的不同，故常常会产生具体结构上的差异，最终导致它们在功能和价格上的差别。总之，车身结构设计是一个涉及到多方面因素的综合工程设计问题，常成为车身设计开发中的难点。

5）内外饰工程设计

（A）内饰件设计

轿车的内饰件设计包括：轿车车厢的隔板、门内装饰板、仪表板总成、扶手、地毯等零部件和材料。相对于车上其他部件而言，虽然它们对车辆的运行性能没有什么影响，但其面目一览无遗，代表了整部车子的形象，孰优孰劣，决定着轿车的声誉、档次以及人们的选择意向。另外，对于轿车来讲，虽然内饰件只是一些辅助性的零配件，但它们要承担起减振、隔热、吸音和遮音等功能，对轿车的舒适性起到十分重要的作用。

（B）外饰件设计

汽车外饰件设计包括：前后保险杠、散热器罩、前后外挡泥板、扰流板、玻璃、车门防撞装饰条、行李架、天窗、后视镜、车门机构及附件以及密封条。

6）工程分析阶段

在国外，很多大汽车设计公司建立高性能的计算机辅助工程分析系统，其专业CAE队伍与产品开发同步地广泛开展CAE应用，在指导设计、提高质量、降低开发成本和缩短开发周期上发挥着日益显著的作用。CAE应用于车身开发上成熟的方面主要有：刚度、强度（应用于整车、大小总成与零部件分析，以实现轻量化设计）、NVH分析（各种振动、噪声，包括摩擦噪声、风噪声等）、机构运动分析等；而车辆碰撞模拟分析、金属板件冲压成型模拟分析、疲劳分析和空气动力学分析的精度有进一步提高，并已投入实际使用，完全可以用于定性分析和改进设计，大大减少了这些费用高、周期长的试验次数；虚拟试车场整车分析正在着手研究。此外，还有焊装模拟分析、喷涂模拟分析等。

在我国，CAE技术在汽车设计上的应用也很广泛，提高了设计的效果和效率。

4、样车试制和试验阶段

1）样车试制阶段

样车试制是验证与完善产品设计的一个过程。样车的试制要严格按照设计数据进行，要能够切实反映产品的本来面貌，以便发现真实存在的问题。尽管现在拥有先进的设计手段，包括工程计算、工程仿真与模拟等，但样车的试制和相关试验是一定要进行的，因为产品的诸多细节问题在设计阶段是无法提供全面的数据，并加入工程计算体系的。目前的车身试制手段主要有中熔点、铸铁简易模、工序件等。

2）样车试验阶段

试验要严格按照国家相应的标准进行，真实地出具相应的试验报告，为产品的确认与修改提供依据，为今后产品的正式投产铺平道路。在样车试制阶段，设计人员要经常跟踪产品的试制工作，清楚了解现场的进展情况并及时处理可能出现的问题，这对产品的设计修改十分有利。产品的测试报告反映产品的现实状况，是今后该新车型上目录的重要依据，要符合国家法规与各项强制性检查与试验标准（如图12、13）。

图12 道路试验

图13 碰撞试验

5、生产准备阶段

这一阶段包括产品工装的设计与制造、产品检查与调试设备的准备、工装夹具的验证、生产线的调试等。生产准备的全面完成将一直持续到试生产乃至批量生产阶段。在进行样车试制的同时，要着手进行相关的生产准备工作。车身开发，从某种意义上讲不容许产品设计有重大的修改，所以从产品设计的开始，每一步都必须考虑成熟。在产品设计部门不断地向生产准备部门提供设计文件的同时，生产准备方面也可根据自身的专业设计要求与产品设计人员及时沟通，这将对产品设计和生产准备起到共同的促进作用。

6、批量生产

这一阶段主要联合供应商进行质量控制，将新车的整车质量打造得尽善尽美，为新车的上市做好准备。

目前，中国的自主品牌在追赶国外先进水平，开发的程序与手段大同小异，如何在这条道路上加快我们追赶的速度，细化开发流程与同步开发手段无疑是我们的有效方法。

02

汽车逆向设计全程解析

与案例讲解

众所周知，车身的开发它需要大量资金的积累、技术的积累、人才的积累。我国汽车业尚没有形成很强的研发能力，很多专家认为：过去多年我们走的开发思路，一是完全自主开发，一切从零开始，这种开发思路实践证明不成功，因为我们没有那么大规模支持，更没有那么多的技术、管理积累；二是图省事，简单"拿来主义"，购买技术，这样技术永远掌在别人的手里，不可能形成自主开发能力。

逆向工程技术就是迅速解决提升我们汽车车身研发水平重要手段之一。我们提升汽车自主开发能力，赶上世界水平唯一的办法，必须采取站在巨人的肩膀上，要消化、吸收、改进、创新。韩国、曰本都曾经走这条路，他们不是简单的把别人的车拿来装配，而是真正地消化、吸收，通过消化、吸收学习，缩短与世界水平的差距，逐步培养起自己的自主开发能力，因此成为今天的汽车开发世界强国。

逆向工程技术正是消化、吸收先进技术重要方法之一，尤其在车身开发方面，逆向工程技术是送我们走上巨人肩膀的强大武器。我们福田公司车身开发人员正是利用这先进技术开展了欧曼重卡车身的研发，并取得了成功。

1、逆向设计的概念

逆向工程（ReverseEngineering-RE）是对产品设计过程的一种描述。

在工程技术人员的一般概念中，产品设计过程是一个从无到有的过程，即设计人员首先在大脑中构思产品的外形、性能和大致的技术参数等，然后通过绘制图纸建立产品的三维数字化模型，最终将这个模型转入到制造流程中，完成产品的整个设计制造周期。这样的产品设计过程我们称为“正向设计”过程。逆向工程产品设计可以认为是一个“从有到无”的过程。简单地说，逆向工程产品设计就是根据已经存在的产品模型，反向推出产品设计数据（包括设计图纸或数字模型）的过程。

从这个意义上说，逆向工程在工业设计中的应用已经很久了。早期的船舶工业中常用的船体放样设计就是逆向工程的很好实例。随着计算机技术在制造领域的广泛应用，特别是数字化测量技术的迅猛发展，基于测量数据的产品造型技术成为逆向工程技术关注的主要对象。通过数字化测量设备（如坐标测量机、激光测量设备等）获取的物体表面的空间数据，需要利用逆向工程技术建立产品的三维模型，进而利用CAM系统完成产品的制造。因此，逆向工程技术可以认为是将产品样件转化为三维模型的相关数字化技术和几何建模技术的总称。逆向工程的实施过程是多领域、多学科的协同过程。

作为一种新产品开发以及消化、吸收先进技术的重要手段,逆向工程和快速原型技术可以胜任消化外来技术成果的要求。它们的出现改变了传统产品设计开发模式,大大缩短了产品开发的时间周期,提高产品研发的成功率。

当今，各个行业越来越注重产品的外观设计，以此来吸引顾客，最终在商业上取得成功。这点在消费产品的设计中体现的尤为突出。特别是手机、数码相机、汽车等行业。

2、顺、逆向工程在设计流程中的比较与分析

逆向工程，顾名思义与顺向工程的设计流程不同，其过程是依靠已经存在的零件或是产品原型的表面所得到的资料来建立3DCAD模型，而不是透过设计图。

图1：两个设计流程的主要差别在于传统的顺向工程是概念设计、产品规范到产品设计图，而逆向工程则是由测量到的资料来反推得到3DCAD模型。

如图1所示，其两个设计流程的主要差别在于传统的顺向工程是概念设计、产品规范到产品设计图，而逆向工程则是由测量到的资料来反推得到3DCAD模型。顺向的产品开发程序是设计师依据产品企划时所定的规划与设计构想，绘制草图及效果图，并且依据效果图制作手工模型，或以建构CAD几何模型，最后进行NC或RP（RapidPrototype）的加工程序。然而导入逆向工程设计程序后，设计师仍是依据产品设计企划时所定的规范与设计构想，但效果图或精细描绘则已不是必备的程序了，取而代之的将是直接运用逆向工程对PU泡沫或油土模型进行点资料扫描，并交由CAD系统进行编修与重建，最后进行NC或RP的加工程序，从开发角度看，这个流程中可以明显发现顺、逆向工程的差异如图2所示。

图2

单纯全流程逆向工程会产生以下问题：资料量大、调取数据麻烦、曲面定位（Location）、曲面的连续性控制等。采用混合式设计流程，仅需要对修改部分作局部逆向工程快速重建、从而能缩短整个设计制造的程序。如图3所示。

图3

3、逆向设计的基本流程

图4 汽车设计项目实际流程

逆向工程是将实物转变为CAD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，逆向工程是汽车产品开发的新方式。目前基于CAD/CAM系统的数字扫描技术为实物逆向工程提供了有力的支持，在进行数字化扫描、完成实物的3D重建后，通过NC加工就能快速地制造出模具，最终注塑得到所需的产品，通过逆向工程技术，在消化、吸收先进技术的基础上，建立和掌握自己的产品开发设计技术，进行产品的创新设计，是提高汽车设计能力和制造效率的捷径。

逆向工程的简单过程是：利用数字化扫描设备扫描实体模型，将数据导入计算机，利用逆向工程软件处理获取的点云数据，行程曲线、曲面、实体模型，对实体模型进行修正，形成最终的三维模型。相比正向建模，逆向工程建模的速度更快，效率更高。逆向工程队对计算机处理器、内存和显卡的性能有综合要求，特别是要保证实时数据采集和处理，必须配置较高的内存和性能强大的显卡。

逆向工程的结构体系

逆向工程系统主要由三部分组成:产品实物几何外形的数字化、CAD模型重建、产品或模具制造。逆向工程中的关键技术是据采集、数据处理和模型的重建。

逆向工程流程图

（A）数据采集

数据采集是逆向工程的第一步,其方法的得当直接影响到是否能准确、快速、完整地获取实物的二维、三维几何数据,影响到重构的CAD实体模型的质量,并最终影响产品的质量。

图6 数据采集

（B）数据处理

对于获取的一系列点数据在进行CAD模型重建前,必须进行格式转换、噪声滤除、平滑、对齐、归并、测头半径补偿和插值补点等处理。

图7 运用CATIA软件进行数据处理

（C）模型重建

将处理过的测量数据导入CAD系统,依据前面创建的曲线、曲面构建出原型的CAD模型。

图8 重新建模

简单理解汽车逆向设计流程：拿到实物产品----进行产品公析抄数------抄数机进行抄数数据文件STL格式-----Surfacer或Geomagic进数据处理格式为igs------进行Pro/E等三维软件中进行绘图，当今主要流行的三维CAD软件如UG、IMAGEWARE、CATIA、I-DEAS、Pro/Engineer。

4、实例讲解：

逆向工程技术及其在车身开发中应用

数据处据工作流程：对扫描数据进行处理→拼合扫描点云→以点云产生初步的表面→对杂讯点进行处理、删除→根据处理后的点云以及零件特征，进行零件三维曲面、结构重建，得到零件的三维数学模型和线架构图。下面以某产品前围某零件为例说明。

图9 拼合后的扫描点云图10扫描点云生成初步的表面

图11 删除杂讯点后的扫描点云

图12 根据点云建立零件的三维数学模型和线架构

文中主要针对目前设计流程布局规划合理性进行了探讨。结合实际项目中所遇到的障碍和问题，提出顺、逆向工程相结合的观点，从而达到优化设计流程，缩短产品研发周期的目的。顺、逆向工程的结合不仅可以解决设计流程中的设计与实体模型互动问题，也为设计师的概念发散提供了一个可靠的实物平台。在后续研究中，将更多考虑新兴技术，非接触扫描技术，虚拟现实技术的进一步应用。在整个设计流程中，将虚拟与现实之间的时时互动作为一个应用重点。部分取代现有实体模型，从而进一步缩短研发周期。提高产品竞争力。