虚拟现实技术在汽车设计中的应用
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【摘 要】概述了汽车设计方法的发展历程，对虚拟现实技术进行了介绍，并进一步论述了虚拟现 实技术在汽车总体设计中的广泛应用，指出了利用虚拟现实技术进行汽车设计的广阔前景。
【关键词】汽车；总体设计；虚拟现实
一、前言
汽车是 CAD技术应用最早的行业领域之一。现今已在一定程度上广泛使用的 CAD技术相对于 传统的经验设计已引起了汽车设计方法的深刻变 革，使其设计进程加快，设计质量也得到了提高。然 而，在汽车设计中，尤其是在设计的早期阶段，设计 者往往要对大量的设计方案进行筛选和评估，而现 行的 CAD系统大部分采用标准的键盘和鼠标作为 输入设备，对使用者提出了很高的专业技能要求，很 难实现流畅的人机交互，从而限制了设计者的创造 性思维。同时其操作的复杂性也使设计师无法在短 时间内对众多的设计方案进行考察。虚拟现实技术（V R）是一门涉及计算机、传感与 测量、仿真、微电子等技术的综合集成技术，近年来 逐渐兴起并迅速发展。利用虚拟现实技术提供的语 音识别和手势等输入设备，以及立体视觉、声音、触 觉等反馈系统，可以实现设计者和设计对象的多感 知交互，极大地节省了用于形状描述和尺寸精确定 义的时间，为各类工程的大规模数据可视化提供了 新的描述方法，从而缩短了产品开发时间，降低了开 发费用，有利于实现汽车车型的快速设计与开发，这 必将引起汽车设计方法上的又一次深刻变革。
二、虚拟现实系技术汽车工业中的应用
虚拟现实（Virtual Reality，缩写为 VR）是通过计算机来构 建一个虚拟的三维空间，用户可以在这个三维的虚拟空间中 进行一定的体验与感知，进而获得一种与外界真实空间相类 似的“沉浸感”。虚拟现实技术与很多技术之间都有着紧密的 联系，如：三维建模技术、图形显示技术、传感技术以及人工智 能技术等。与传统的人机交互系统不同，虚拟现实技术是通过 数据库构建逼真的三维场景模型，并对虚拟场景中的对象添 加一定的模块进行处理，进而使用户可以“身临其境”的感知 这个逼真的三维世界，并获得真实的人机交互体验的技术。虚 拟现实技术使人们对人机交互技术有了崭新的定义，对人机 交互技术的发展具有里程碑式的意义。随着虚拟现实技术的 不断发展，人们不断拓展着虚拟现实技术的应用范围。虚拟现 实技术已经在越来越多的领域得到了应用，
2.1整车虚拟装配。
虚拟装配技术主要是在产品生产过程中，通过虚拟现实技术建立汽车三维模型，能够非常准确的反 映汽车各个部件的安装关系，以及整车设计情况。并可以将各 个部件的数据直接保存进入数据库，方便新车型的设计与开 发。通过应用 3D 技术对零部件以及汽车其他部分进行虚拟 装配分析，进而寻找设计装配时的缺陷以及设计问题。在虚拟 装配的过程中，首先需要对整个装配的流程进行总体的规划，并对装配方案以及夹具等装配件进行设计与工艺流程分析。最初阶段，由于技术条件的限制，汽车产品以及零部件在装配 过程中只能通过一些小的几何模型来模拟评估，这样就不能 充分体现产品的装配效果，使装配过程产生一定的误差。进而 导致新车型汽车的研发周期变长，大大提高了开发成本。虚拟 现实技术的出现很好的解决了汽车零部件的装配设计问题。通过建立“沉浸式”的虚拟操作空间，设计者可以在虚拟环境 中对零件进行虚拟装配操作。运用虚拟现实的技术平台，工作 人员可以完全真实的对各个零部件进行仿真装配操作。通过 这种方法来发现装配设计中的不足，进而设计出更加科学实 用的装配方案，缩短装配方案的设计周期。
2.2车身空气动力学分析。
车身造型是决定整车空气动力 学特征的重要因素。另外整车的操纵稳定性和燃油经济性也 与整车的空气动力学特征有着密切的联系。汽车的空气动力 学特征主要是通过风洞试验来测试完成的。通过观察在风洞 试验场中油泥模型表面的变化，或者空气流场来确定样车的 空气动力学特征。但是风洞试验仍然存在一些问题，如：油泥 模型与样车实物之间尺寸不同、等比例的油泥模型需要大尺 寸的风洞以及车身的设计造型需要更改时，必须重新制作新 的油泥模型，重新进行风洞试验等。通过虚拟现实系统来模拟虚拟风洞，工作人员可以通过 专用的虚拟现实三维显示头盔，真实的观察到虚拟风洞中的 空气流场，并且自身并不会对流场情况产生干扰。将绘制完成 的整车三维模型导入到虚拟现实的风洞中，工作人员就可以 全方位的观察车身的空气动力学性能，进而发现设计中的不足。对其进行更加科学的改进，可以极大缩短车身设计周期，并且使其空气动力学性能更加良好。
2.3车辆运动仿真
虚拟现实技术可以通过立体的三维图像形式将车辆的运动仿真结果真实的展现出来。试验人员可 以通过虚拟现实技术中的交互功能更改某些车辆的具体参 数，使人们能够对不同工况下的车辆运动情况进行多次仿真 分析，让人们能够更加准确地了解车辆的运动行驶情况。车辆 的运动仿真一般用在汽车设计开发以及汽车交通事故的动态 模拟。在交通事故的模拟再现过程中，交通事故处理部门通过 虚拟现实环境下的动态三维模型的模拟仿真，来对分析事故 发生原因，判断事故责任。由于现实中车辆的外形不同，需要 根据不同车型建立相应的三维演示模型。虛拟现实技术的核 心就是建模与仿真，动画模拟系统的核心功能是对交通事故 中车辆、行人、道路、天气等元素进行三维建模，然后对模型的控制来对交通事故的场景进行仿真。当车辆在虚拟环境 中运动时，要产生真实的两车碰撞场景，必须对参与碰撞的车 辆进行实时的碰撞检测和响应。
2.4车辆性能模拟评估。
车辆性能评估将成为虚拟现实技 术应用的新方向。车辆操纵稳定性的评定一般是通过对实车 参数进行测试的方法来进行评估，然后再通过一些理论的分 析与计算来加以调整。但是这种方法存在很多的弊端，首先 由于测量仪器，测试道路，天气等原因导致试验的重复性差，需要花费很长的时间才能够获得较为准确的测量数据，另一 方面测量数据中存在一些系统性的误差，无法直接通过理论 分析计算的方法对整车的操纵稳定性进行提高。因此，车辆 性能评估需要花费大量人力物力，而且增大研发周期。虚拟 现实技术能够极大的促进车辆性能评估技术的发展。工作人 员可以将车辆的基本参数模型导入到虚拟现实的试验环境 中，通过驾驶员沉浸式的模拟驾驶，来采集较为准确的不同工 况下的汽车振动、噪声以及侧向倾斜等基本数据。并且试验得 到的数据较为准确且试验本真的可重复性较好。这样能够较 早地发现汽车前期设计中的缺陷和不足，尽早做到优化调整。
三、结语
虚拟现实技术是将多种先进技术进行融合的一种崭新技 术，它的应用潜力非常巨大。随着虚拟现实技术的不断成熟，汽车工业会不断与这种新技术相融合，使其应用面不断拓展。如汽车的虚拟设计、汽车虚拟装配以及汽车虚拟实验等。虚拟 现实技术在汽车工业上的应用将打破那些传统的汽车设计思 维，为汽车工业整个流程带来一场变革。虚拟现实技术将会使 虚拟现实中的汽车变得越来越真实。
参考文献：
[1]赵沁平.虚拟现实综述[J].中国科学（F 辑：信息科学），2016.
[2]许微.虚拟现实技术的国内外研究现状与发展[J].现代商贸工业，2016.
（作者单位：长城汽车股份有限公司）
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