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融合美学与工程的房车造型数字化设计方法

宋明亮  
【摘要】:设计美学与结构工程是现代汽车设计的两大核心组成部分。然而二者因知识领域的不同导致认知的局限性,在实际合作中出现协作困难、设计迭代冗余等问题,因此实现两者有效交叉融合是汽车设计研究亟待解决的难题。本文以美学与工学交叉融合为研究主线,立足房车这一新兴行业的实际设计与生产工艺情况,面向设计过程,探讨融合美学与工学的房车数字化设计方法。论文所构建的美学与工学的交叉融合路径主要体现在美学范畴中关于主观因素的工学量化分析方法以及由美学造型引发的与工学学科的交叉整合研究两方面,具体研究内容如下:(1)面向意象仿生和品牌DNA(Deoxyribonucleic Acid,DNA)的车辆外造型客观评价方法。论文借助层次分析法设立意象仿生评价指标,并通过小样本专家测评确立评价指标权重,构建了意象仿生的综合评价模型,实现了意象仿生评价的客观化;提出了采用深度学习卷积神经网络模型、ResNet8为分类器、结合CAM(Class Active Mapping,CAM)可视化手段的品牌家族化造型DNA客观分析与提取的方法,实现了汽车品牌造型DNA的智能分析与提取。(2)兼顾美学与空气动力学的房车造型设计协同设计的方法。面向房车设计初始阶段,提出采用多步法解决美学造型与空气动力学的协同设计问题,首先依据美学评价得分与空气动力学仿真结果两类数据建立多种房车造型原型性能参照表;其次结合美学比例原则建立局部造型优化过程中的空气动力学参数设计域,揭示了气动性能与外观造型的相关性。在既有造型空气动力学优化阶段,提出从设计灵感出发,以构成美学风格的关键特征线为约束条件的造型空气动力学优化修正方法,减小气动减阻优化过程中对造型风格的破坏。研究成果为造型设计师与工程师之间的沟通建立了桥梁,有效减少设计迭代次数,提高造型质量与效率。(3)面向内饰造型设计的用户感性需求量化分析方法。论文基于需求层次理论,借助感性工学和Kano模型量化评估用户功能需求层次,结合向量-极坐标法建立基于数据的房车功能需求层级塔,提出细分市场下的房车功能设施分级配置方案;面向高层次的审美诉求,提出采用因子分析与聚类分析方法建立房车内饰设计风格语义词汇与CMF(Color、Material、Finishing,CMF)设计元素的关联映射,获取本土用户对不同风格的房车内饰在色彩搭配、材质选择和工艺加工方面的审美偏好数据。该研究成果能够有效解决本土用户感性意象需求不明确的问题,为我国本土房车内饰设计在功能设施及CMF设计方面提供可供度量的数据依据。(4)内饰造型设计影响下的房车结构设计与轻量化优化方法。论文针对内饰造型设计影响下的改装房车结构框架强度标准失效问题,选择根据房车内饰造型设计需求所重新设计的车身框架结构和玻璃钢壳体,参考相关法规标准,结合空间造型设计约束条件,利用有限元数值仿真技术对房车顶部抗压强度进行详细分析和优化,实现了综合考虑内饰造型、人机工学等因素的车身框架结构设计与轻量化优化。该研究方法解决了内饰造型设计与结构设计优化的统筹问题,为当前改装房车抗压强度法规缺失下的结构设计与优化方法和流程提供了切实有益的参考。


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