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摘要：汽车机械结构设计属于汽车设计工作中的最基础部分，是汽车设计中以人为中心的复杂且重要的设计过程。在当今汽车界广泛采用计算机进行设计的状况下，建立科学、合理的数字化人体模型，并采用功能强大的软件进行汽车的人机工程学设计，可以大大提高设计的质量及开发周期。文章针对汽车机械结构虚拟设计进行了分析。
关键词：汽车；机械结构；设计机；优化设计
中图分类号：U463 文献标识码：A 文章编号：1000－8136（2011）36－0009－02
汽车是非常复杂的产品并需满足各方面的性能要求，其设计开发过程也由许多不同的工作阶段组成，而各工作阶段又需要使用多种不同的设计验证技术。只有采用新技术将整个产品的开发过程及其不同的工作方式进行全面的集成，才能达到加速和优化设计的目的。
数字化虚拟技术就是通过集成各种计算机技术，并充分发挥其应用潜能，使产品开发设计能够可靠地在计算机系统内，以数字化模型方式完成产品的设计和验证。在汽车开发中，虚拟技术有助于决策层及早对设计方案进行决策和进行跟踪管理；有助于加强异地的合作，共同解决技术难题；有助于在制造样车前进行反复验证和校核，从而及早发现和避免设计错误；有助于在产品投产前及早获取产品信息以进行市场调查。贯穿于产品开发全过程的数字化虚拟技术可使产品特性得到全面系统的优化，使开发周期大大缩短，开发费用大大减少，提高产品质量，最终提高企业在市场的竞争力。
1汽车内部机械结构设计
汽车内部机械结构是一个从构思、设计到验证的复杂的系统工程，结构时要考虑众多的约束关系和人机工程的要求。汽车内部结构是“以人为中心”的设计，即以人为中心，在满足一定的约束条件下，运用人机工程学达到人—车—环境和谐的设计理念。汽车内部结构设计是同时进行多方面结构的设计过程，也是不断反复递进寻求最优化方案的设计过程。汽车内部结构主要任务如下：
1.1车型主要结构尺寸确定
乘员结构；整车主要尺寸确定；踏板、换档杆及手刹位置结构；转向盘及转向管柱结构；行李箱结构；侧车窗玻璃；顶盖位置；座椅及仪表板结构等。
1.2人机工程学研究
确保驾驶员及乘员的居住舒适性、安全性，以及驾驶员的操纵方便性和具有良好的视野等。
1.3法规符合性校核
风窗面积及雨刷结构；手伸及界面；仪表板可视范围；内外后视镜视野；安全带固定点等。在满足这些要求的同时，还要尽量减小整车质量，增大车室内空间，提高整车的经济性能。在传统的设计中，工程师使用二维人体模板在二维主图版上进行汽车内部机械结构，无法事先对踏板、换档杆、转向盘的操纵性和坐姿及视野性等性能进行空间位置的评估和验证，只有在制作了物理样车后，由一定比例的人进行实际的驾驶操作才可完成验证。
如今，由于计算机技术的发展和应用，在汽车开发中已广泛采用CAD方法进行三维数字化设计，以三维数据为主线，使用虚拟样车来优化产品设计和验证过程。因而，数字化三维人体模型相应地在汽车内部结构的人体工程学模拟和分析中发挥其潜能和优势。
2数字化三维人体模型
在产品周期的各个阶段，人都是最重要的因素。数字化三维人体模型可有效地应用在汽车虚拟设计及制造的整个生命周期，从初始的概念方案设计至最后的产品验证。
数字化人体模型技术可辅助设计者确定人在相应的工作环境下的性能，确定人体尺寸/形态/功能及其定位，满足舒适性和安全性标准的要求。在虚拟的CAD设计数据中，可调入此虚拟的人体模型，完成操作任务和分析工作。通过三维人体模型可运用数字人体和电子样车进行与人相关要素的模拟分析校核，如人的可操作性、舒适性、可视性等重要设计要素。在汽车内部结构过程中，应用数字化三维人体模型可提高设计效率和设计质量，改善安全性及人机工程学性能，减少物理样车的制造及验证工作和周期。
波音公司、通用公司、戴姆勒－克莱斯勒公司等大型飞机和汽车公司已将数字化三维人体模型越来越广泛地应用于产品生命周期的各个方面和各个阶段。CATIA、EDS等大型软件公司，也相继推出数字化三维人体模块供用户使用，并不断补充及完善。
现以CATIA的人体模型模块（Manikin）为例，简要说明数字化三维人体模型的主要功能。该三维人体模型包括4个子模块：构造人体（Human Builder）模块，生成可与产品相配合的人体模型；编辑人体尺寸（Human Measurement Edit）模块，可对人体模型的各部分的尺寸进行有比例地调整；人体动作分析（Human Activity Analysis）模块，对人肢体进行由静态姿势到复杂的动态动作的评价；人体姿态分析（Human Posture Analysis）模块，进行人体各种姿态的分析。此人体模型包括104组人体测量数据；100个无约束的连接；148个自由度；各种姿势轮廓；包含所有关节的手模型、脊椎模型、肩模型、臀部模型等模型；可表现关节活动的制约及动作运动的上下极限并可进行调节。此模块的用途：测量人体尺寸；视野分析；坐姿分析；运动舒适角度分析；伸及范围分析；举升、放下和搬运分析；设计干涉检查；运动模拟等，见图1。
3基于CATIA三维人体模型的汽车室内数字化设计
CATIA提供人机工程学模块，利用此模块可以方便地进行人机工程学的设计，尤其在视野及操纵空间等的设计中，它自带的功能可以为用户提供很大的帮助，可大大减少设计人员的工作量，下面由示例说明其具体应用情况，且均在以下条件进行：采用第95百分位男性人体模型；人体各关节角度选取为舒适范围内，各角度如下：α1＝20 °，α2＝95 °，α3＝125 °，α4＝90 °，α5＝40 °，α6＝135 °，α7＝170 °，α8＝50 °，α9＝15 °；踵点（AHP）坐标为（520 mm，－165 mm，80 mm），见图2。
图1CATIA中的人体模型模块 图2二维杆件人体模型示意图
3.1视野设计
CATIA人机工程学模块提供视野功能，利用此功能可以为汽车室内视野的设计提供快速的校核，并直观地反映驾驶员的视野情况。CATIA允许用户对视野的范围进行设定，在用于汽车仪表盘的视野校核时，可根据人体生理学原理对视野的范围进行设定，再利用视野功能进行视野的校核。图3为仪表盘设计的视野校核，从图中可以很简单地判断出，仪表盘的设计是否满足要求，并能够提供驾驶员的直观视觉状况。
类型 双眼
视野范围设定 视野距离设定
单眼水平方向 100 °
左右眼合一水平方向 120 ° 焦点距离/mm300
铅垂方向上方 35 °
铅垂方向下方 35 °
中部 6 °
图3视野功能用于仪表盘的视野设计校核
同样，CATIA的视野功能也可以用于帮助进行前方视野及视野盲区等的设计与校核。前方视野的设计主要考虑前方交通信号灯、前方路面物体是否便于观察。图4为视野功能用于前方视野的设计校核。
3.2可操作性设计
在CATIA中人体模型可以形象地模拟实际生产中的人的各种操作状态和运动姿势，从而帮助使用者进行各种人机工程学方面的参数设计。在一定姿势的状态下，驾驶员的手伸及界面设计是汽车室内人机工程学设计的重要部分。CATIA中可以给出上肢所能达到的所有空间位置域。此项功能可以直观的显示出仪表板上各操作按钮、变速杆等室内部件是否处于手的伸及范围内。图5中半透明区域所示为不考虑其他约束时，驾驶员右手的伸及范围。
图5驾驶员的驾驶姿势状态下右手的伸及范围
3.3室内空间设计
由于汽车室内空间的
局限性，设计过程中必须
考虑人所处的空间大小问
题。由于CATIA属三维软
件平台，所以人体活动空
间一目了然，具有非常优
秀的直观性，可为设计人
员的工作带来很大的方便。
如图6所示，在头部空间设计时，确定好头部所需空间大小，在三维平台下做出其头部空间面后，可以很直观地判断头部空间情况。然而，室内空间在很多地方都有明确的规定，要求比较精确的设计，而某些地方设计人员并不容易观察，或不容易得出精确的数据。因此，利用CATIA所提供的干涉检验及工作空间分析功能可方便地得到其空间相对位置的数据。
CATIA的干涉检验功能可在发生干涉时提醒设计人员，确保不存在干涉问题的存在。在工作空间分析功能中，CATIA提供了距离测量及距离范围分析来帮助用户直接得到所需要的空间范围分析数据，可以应用于头部空间、腿部空间等的设计中。
4结束语
综上所述，数字化三维人体模型为汽车内部结构的虚拟设计提供了一个有利的工具。CATIA提供的人机工程设计功能能大大提高产品设计的效率及质量，尤其在视野、可操作性、室内空间等的设计上，可以为设计人员提供非常有效的帮助。
参考文献
1 秦东晨、陈江义、胡滨生、王丽霞.机械结构优化设计的综述与展望［J］.中国科技信息，2005（09）
On the Digital Design of Automotive Mechanical Structure
Fu Jun
Abstract: The automotive mechanical structure design is the most basic part of automotive design work and a complex and important human－centered design process in automotive design. Under the current situation of widely using computer for automotive design, to establish a scientific and rational digital human model, and using powerful software for automotive ergonomic design can greatly improve the design quality and development cycle. The article analyzes the virtual design of automotive mechanical structure.
Key words: auto; mechanical structure; design mechanics; optimization design
关键词：汽车；机械结构；设计机；优化设计
中图分类号：U463 文献标识码：A 文章编号：1000－8136（2011）36－0009－02
汽车是非常复杂的产品并需满足各方面的性能要求，其设计开发过程也由许多不同的工作阶段组成，而各工作阶段又需要使用多种不同的设计验证技术。只有采用新技术将整个产品的开发过程及其不同的工作方式进行全面的集成，才能达到加速和优化设计的目的。
数字化虚拟技术就是通过集成各种计算机技术，并充分发挥其应用潜能，使产品开发设计能够可靠地在计算机系统内，以数字化模型方式完成产品的设计和验证。在汽车开发中，虚拟技术有助于决策层及早对设计方案进行决策和进行跟踪管理；有助于加强异地的合作，共同解决技术难题；有助于在制造样车前进行反复验证和校核，从而及早发现和避免设计错误；有助于在产品投产前及早获取产品信息以进行市场调查。贯穿于产品开发全过程的数字化虚拟技术可使产品特性得到全面系统的优化，使开发周期大大缩短，开发费用大大减少，提高产品质量，最终提高企业在市场的竞争力。
1汽车内部机械结构设计
汽车内部机械结构是一个从构思、设计到验证的复杂的系统工程，结构时要考虑众多的约束关系和人机工程的要求。汽车内部结构是“以人为中心”的设计，即以人为中心，在满足一定的约束条件下，运用人机工程学达到人—车—环境和谐的设计理念。汽车内部结构设计是同时进行多方面结构的设计过程，也是不断反复递进寻求最优化方案的设计过程。汽车内部结构主要任务如下：
1.1车型主要结构尺寸确定
乘员结构；整车主要尺寸确定；踏板、换档杆及手刹位置结构；转向盘及转向管柱结构；行李箱结构；侧车窗玻璃；顶盖位置；座椅及仪表板结构等。
1.2人机工程学研究
确保驾驶员及乘员的居住舒适性、安全性，以及驾驶员的操纵方便性和具有良好的视野等。
1.3法规符合性校核
风窗面积及雨刷结构；手伸及界面；仪表板可视范围；内外后视镜视野；安全带固定点等。在满足这些要求的同时，还要尽量减小整车质量，增大车室内空间，提高整车的经济性能。在传统的设计中，工程师使用二维人体模板在二维主图版上进行汽车内部机械结构，无法事先对踏板、换档杆、转向盘的操纵性和坐姿及视野性等性能进行空间位置的评估和验证，只有在制作了物理样车后，由一定比例的人进行实际的驾驶操作才可完成验证。
如今，由于计算机技术的发展和应用，在汽车开发中已广泛采用CAD方法进行三维数字化设计，以三维数据为主线，使用虚拟样车来优化产品设计和验证过程。因而，数字化三维人体模型相应地在汽车内部结构的人体工程学模拟和分析中发挥其潜能和优势。
2数字化三维人体模型
在产品周期的各个阶段，人都是最重要的因素。数字化三维人体模型可有效地应用在汽车虚拟设计及制造的整个生命周期，从初始的概念方案设计至最后的产品验证。
数字化人体模型技术可辅助设计者确定人在相应的工作环境下的性能，确定人体尺寸/形态/功能及其定位，满足舒适性和安全性标准的要求。在虚拟的CAD设计数据中，可调入此虚拟的人体模型，完成操作任务和分析工作。通过三维人体模型可运用数字人体和电子样车进行与人相关要素的模拟分析校核，如人的可操作性、舒适性、可视性等重要设计要素。在汽车内部结构过程中，应用数字化三维人体模型可提高设计效率和设计质量，改善安全性及人机工程学性能，减少物理样车的制造及验证工作和周期。
波音公司、通用公司、戴姆勒－克莱斯勒公司等大型飞机和汽车公司已将数字化三维人体模型越来越广泛地应用于产品生命周期的各个方面和各个阶段。CATIA、EDS等大型软件公司，也相继推出数字化三维人体模块供用户使用，并不断补充及完善。
现以CATIA的人体模型模块（Manikin）为例，简要说明数字化三维人体模型的主要功能。该三维人体模型包括4个子模块：构造人体（Human Builder）模块，生成可与产品相配合的人体模型；编辑人体尺寸（Human Measurement Edit）模块，可对人体模型的各部分的尺寸进行有比例地调整；人体动作分析（Human Activity Analysis）模块，对人肢体进行由静态姿势到复杂的动态动作的评价；人体姿态分析（Human Posture Analysis）模块，进行人体各种姿态的分析。此人体模型包括104组人体测量数据；100个无约束的连接；148个自由度；各种姿势轮廓；包含所有关节的手模型、脊椎模型、肩模型、臀部模型等模型；可表现关节活动的制约及动作运动的上下极限并可进行调节。此模块的用途：测量人体尺寸；视野分析；坐姿分析；运动舒适角度分析；伸及范围分析；举升、放下和搬运分析；设计干涉检查；运动模拟等，见图1。
3基于CATIA三维人体模型的汽车室内数字化设计
CATIA提供人机工程学模块，利用此模块可以方便地进行人机工程学的设计，尤其在视野及操纵空间等的设计中，它自带的功能可以为用户提供很大的帮助，可大大减少设计人员的工作量，下面由示例说明其具体应用情况，且均在以下条件进行：采用第95百分位男性人体模型；人体各关节角度选取为舒适范围内，各角度如下：α1＝20 °，α2＝95 °，α3＝125 °，α4＝90 °，α5＝40 °，α6＝135 °，α7＝170 °，α8＝50 °，α9＝15 °；踵点（AHP）坐标为（520 mm，－165 mm，80 mm），见图2。
图1CATIA中的人体模型模块 图2二维杆件人体模型示意图
3.1视野设计
CATIA人机工程学模块提供视野功能，利用此功能可以为汽车室内视野的设计提供快速的校核，并直观地反映驾驶员的视野情况。CATIA允许用户对视野的范围进行设定，在用于汽车仪表盘的视野校核时，可根据人体生理学原理对视野的范围进行设定，再利用视野功能进行视野的校核。图3为仪表盘设计的视野校核，从图中可以很简单地判断出，仪表盘的设计是否满足要求，并能够提供驾驶员的直观视觉状况。
类型 双眼
视野范围设定 视野距离设定
单眼水平方向 100 °
左右眼合一水平方向 120 ° 焦点距离/mm300
铅垂方向上方 35 °
铅垂方向下方 35 °
中部 6 °
图3视野功能用于仪表盘的视野设计校核
同样，CATIA的视野功能也可以用于帮助进行前方视野及视野盲区等的设计与校核。前方视野的设计主要考虑前方交通信号灯、前方路面物体是否便于观察。图4为视野功能用于前方视野的设计校核。
3.2可操作性设计
在CATIA中人体模型可以形象地模拟实际生产中的人的各种操作状态和运动姿势，从而帮助使用者进行各种人机工程学方面的参数设计。在一定姿势的状态下，驾驶员的手伸及界面设计是汽车室内人机工程学设计的重要部分。CATIA中可以给出上肢所能达到的所有空间位置域。此项功能可以直观的显示出仪表板上各操作按钮、变速杆等室内部件是否处于手的伸及范围内。图5中半透明区域所示为不考虑其他约束时，驾驶员右手的伸及范围。
图5驾驶员的驾驶姿势状态下右手的伸及范围
3.3室内空间设计
由于汽车室内空间的
局限性，设计过程中必须
考虑人所处的空间大小问
题。由于CATIA属三维软
件平台，所以人体活动空
间一目了然，具有非常优
秀的直观性，可为设计人
员的工作带来很大的方便。
如图6所示，在头部空间设计时，确定好头部所需空间大小，在三维平台下做出其头部空间面后，可以很直观地判断头部空间情况。然而，室内空间在很多地方都有明确的规定，要求比较精确的设计，而某些地方设计人员并不容易观察，或不容易得出精确的数据。因此，利用CATIA所提供的干涉检验及工作空间分析功能可方便地得到其空间相对位置的数据。
CATIA的干涉检验功能可在发生干涉时提醒设计人员，确保不存在干涉问题的存在。在工作空间分析功能中，CATIA提供了距离测量及距离范围分析来帮助用户直接得到所需要的空间范围分析数据，可以应用于头部空间、腿部空间等的设计中。
4结束语
综上所述，数字化三维人体模型为汽车内部结构的虚拟设计提供了一个有利的工具。CATIA提供的人机工程设计功能能大大提高产品设计的效率及质量，尤其在视野、可操作性、室内空间等的设计上，可以为设计人员提供非常有效的帮助。
参考文献
1 秦东晨、陈江义、胡滨生、王丽霞.机械结构优化设计的综述与展望［J］.中国科技信息，2005（09）
On the Digital Design of Automotive Mechanical Structure
Fu Jun
Abstract: The automotive mechanical structure design is the most basic part of automotive design work and a complex and important human－centered design process in automotive design. Under the current situation of widely using computer for automotive design, to establish a scientific and rational digital human model, and using powerful software for automotive ergonomic design can greatly improve the design quality and development cycle. The article analyzes the virtual design of automotive mechanical structure.
Key words: auto; mechanical structure; design mechanics; optimization design