前瞻科技

汽车整车正向设计技术发展与展望

PDF下载

朱学斌 ¹^,^† , 张军伟 ¹ , 孙博华 ² , 白影春 ³ , 王洪亮 ⁴ , 吴建洋 ¹ , 朱炳辉 ¹ , 陈肇群 ¹

前瞻科技 | 综述与述评 2025,4(2): 46-57

收起

前瞻科技 | 综述与述评 2025, 4(2): 46-57

汽车整车正向设计技术发展与展望

全屏

朱学斌¹^,^†, 张军伟¹, 孙博华², 白影春³, 王洪亮⁴, 吴建洋¹, 朱炳辉¹, 陈肇群¹

作者信息

1.北京航天发射技术研究所，北京 100076

2.吉林大学汽车工程学院，长春 130012

3.北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081

4.南京理工大学机械工程学院，南京 210094

朱学斌，研究员，北京航天发射技术研究所科技委主任。主要从事航天发射技术和特种车辆研究工作。主持多个国家重点型号特种车辆的研制任务，承担多项装备预先研究课题、国家自然科学基金重大项目子课题、地方政府军民融合重大专项。获国防科学技术进步奖一等奖1项、三等奖1项。电子信箱：zhxb@vip.sina.com。

通信作者:

†

Development and Prospect of Forward Design Technology for Automotive Vehicles

Xuebin ZHU¹^,^†, Junwei ZHANG¹, Bohua SUN², Yingchun BAI³, Hongliang WANG⁴, Jianyang WU¹, Binghui ZHU¹, Zhaoqun CHEN¹

Affiliations

1. Beijing Institute of Space Launch Technology, Beijing 100076, China

2. College of Automotive Engineering, Jilin University, Changchun 130012, China

3. School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China

4. School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China

出版时间: 2025-06-20 doi: 10.3981/j.issn.2097-0781.2025.02.004

文章导航

摘要

收起

随着汽车行业加速向智能化、电动化、共享化与网联化转型，传统逆向开发模式难以适应复杂功能集成与新型构型需求，整车正向设计成为推动技术革新的核心路径。文章系统梳理了汽车设计方法的演进脉络、技术突破及关键挑战，指出了传统V型开发流程在性能平衡与造型设计上具备优势，但智能汽车通过基于模型的系统工程方法实现跨学科深度集成，结合数字孪生技术优化虚实协同设计，显著提升开发效率。软件定义汽车、模块化柔性化设计及分布式电驱动技术推动了底盘构型革新，一体化设计在结构、安全与舱驾融合领域成效显著，但技术整合复杂度、动力学理论滞后与国产工具软件生态薄弱成为主要瓶颈，建议构建以基于模型的系统工程方法为核心的整车正向设计创新体系，强化模块化可重构车辆的统一动力学建模与多目标协同控制理论，并通过政产学研协同突破工业软件核心技术，完善国产计算辅助设计工具链生态。

关键词

整车正向设计 / 底盘新构型 / 模块化分布式电驱动 / 汽车安全新体系 / 国产工具软件

Abstract

收起

As the automotive industry accelerates its transformation towards intelligence, electrification, sharing, and connectivity, traditional reverse engineering development models have proven inadequate for addressing the demands of complex functional integration and new vehicle configurations. Forward vehicle design has consequently emerged as a critical pathway for driving technological innovation. This paper systematically reviews the evolution of automotive design methodologies, technological breakthroughs, and key challenges. It highlights the advantages of the traditional V-model development process in performance balancing and styling design. However, intelligent vehicle design employs model-based systems engineering methods to achieve deep interdisciplinary integration and optimizes virtual-physical collaborative design through digital twin technology, thereby significantly improving development efficiency. The paper identifies that software-defined vehicles, modular flexible design, and distributed electric drive technologies have driven innovation in chassis configurations. Notably, integrated design has demonstrated significant results in the fusion of structure, safety, and cabin driving. Nevertheless, key bottlenecks remain, including the complexity of technological integration, the lag in dynamic modeling theory, and the underdeveloped domestic industrial software ecosystem. To address these challenges, the paper proposes the establishment of an innovative system for vehicle forward design centered on model-based systems engineering. It further advocates for strengthening unified dynamic modeling and multi-objective collaborative control theories for modular re-configurable vehicles. Additionally, the paper calls for greater collaboration among government, industry, academia, and research institutions to break through core industrial software technologies, thus enhancing the domestic computer-aided design tool chain ecosystem and advancing technological innovation within the automotive sector.

Key words

vehicle forward design / new chassis configuration / modular distributed electric drive / new automotive safety system / domestic tool software

引用本文

朱学斌, 张军伟, 孙博华, 白影春, 王洪亮, 吴建洋, 朱炳辉, 陈肇群. 汽车整车正向设计技术发展与展望. 前瞻科技, 2025 , 4 (2) : 46 -57 . DOI: 10.3981/j.issn.2097-0781.2025.02.004

Xuebin ZHU, Junwei ZHANG, Bohua SUN, Yingchun BAI, Hongliang WANG, Jianyang WU, Binghui ZHU, Zhaoqun CHEN. Development and Prospect of Forward Design Technology for Automotive Vehicles[J]. Science and Technology Foresight, 2025 , 4 (2) : 46 -57 . DOI: 10.3981/j.issn.2097-0781.2025.02.004

正文

收起

随着汽车行业迈入智能化、电动化、共享化、网联化的新时代，车辆正从单纯的交通工具转变为集成多种先进技术的智能移动平台。传统的逆向开发模式已无法适应车辆新构型和复杂功能的需求。智能化要求开发者在感知、决策、执行等多方面进行跨领域的深度集成，而新构型的出现则对车身结构、电气架构和动力系统提出了全新的性能目标。在这一背景下，整车正向设计作为以用户需求和市场趋势为导向的创新开发模式，成为应对行业变革的必然选择。

1 整车设计方法现状

收起

1.1 燃油汽车转型“新四化”发展趋势

中国汽车行业发展总体概况表明，随着全球经济的快速发展，汽车产业格局也在发生深刻变化。预计到2030年，汽车产业利润将达到6 000亿美元，成为国民经济的重要支柱。《新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）》指出“电动化、网联化、智能化成为汽车产业的发展潮流和趋势”，这些技术创新推动了新型工业化与数字化发展，引领着汽车行业向智能、环保和高效方向发展，推动产业朝着可持续与智能化的未来迈进。

通过采用先进传感、决策和控制技术，人车交互模式和车货运输方式正在发生重大的变化。智能驾驶体系已由辅助驾驶模式逐步发展为全自动驾驶模式。人与车的交互方式也从传统的“人操控车、车适应人”转变为“人车协同共驾”和“人车信息交互”的新模式^[1]。以电驱动重载车辆系统为代表的重载运输，基于模块化与可扩展车辆设计理念，引领重载车辆单车运载能力提升。车与货的运输方式突破了以往“单车运万物”的模式，逐渐向以货物为中心的大运载能力运输平台发展。

电动化、网联化、智能化、共享化的发展趋势也带动了汽车构型创新与交叉学科技术融合。新型底盘架构、智能驾驶和车路云体系等关键技术，正在成为汽车工程的核心内容。通过车路云的融合，采用车车协同、路侧通信和车路通信等技术，实现了从单车智能向车路云协同控制的转变。驱制转悬系统的模块化构型，旨在提升车辆的灵活性和运载能力。动力电池的性能不断提升，高能量密度体系将逐步向固态电池发展，高电压系统则向无钴电池方向演进。这些车辆新技术的发展，促进了机械、控制、人工智能、材料、数学、电物理化学等多学科的交叉融合，成为汽车研发的理论基础。

1.2 传统汽车设计方法

传统汽车设计通常基于V型开发流程展开，主要分为以下5个阶段。① 确定总体方案，包括外形设计、基本尺寸规划及总布置草图绘制；② 编写设计任务书，进行可行性分析，确定产品型号、主要功能，并规划采用的新技术、新材料和新工艺；③ 技术设计，设计各总成并协调与整车之间的关系，进行运动校核、性能计算，并编制整车技术文件；④ 试制、试验、改进与定型，包括样车试制、测试与改进，最终完成定型工作；⑤ 生产准备与生产^[2]。

整车的性能设计与优化是车辆研发的重要内容，其核心任务是在操控稳定性、舒适性、动力性和经济性等性能之间寻求平衡和优化。操纵稳定性设计，主要是确保车辆在驾驶过程中能够稳定响应驾驶员的操作并有效应对外部干扰；平顺性设计，主要是保持车辆在行驶过程中产生的振动和冲击环境对乘员舒适性的影响在一定界限之内；动力性设计，主要是确保车辆在各种道路条件下具备足够的加速性能和爬坡能力；经济性设计，主要是车辆以尽量少的能源消耗量经济行驶的能力。

汽车造型设计涉及汽车内外部形态、色彩与质感等内容，旨在提升实用性、美感及品牌形象。在汽车造型设计过程中，需平衡动感与稳定，协调关键特征线，并合理设置视觉重心，以符合车型定位和设计意图。造型设计包含草图绘制与空间规划、模型制作与验证、数字建模与可视化、人机界面与装饰设计、工程实现与定型5部分。此外，还需要设计内部操作和仪表板功能，建立包含合适颜色与材质的人机界面。

1.3 智能汽车设计方法

从整车设计角度来看，智能汽车和传统燃油车的设计理念和技术要求有显著差异。智能汽车通过采用电动机和先进的控制技术，能够提供更高的能效、更低的排放、更智能的驾驶体验和更安全的驾驶辅助系统，在动力系统、结构设计、智能化技术等方面具有更高的集成度和创新性。基于模型的系统工程方法应用于智能汽车设计过程，能够有效管理需求变化，并显著提高设计效率和质量^[3]。总体设计架构如图1所示，通过创建统一的模型视图，使各子系统的需求变化能够迅速反映在模型中，从而实现设计过程的动态调整和优化。其层次化和模块化设计方法将需求变化的影响控制在特定模块内，确保了设计的稳定性和可靠性。此外，其强大的可追溯性功能帮助工程师清晰地理解需求、设计元素和验证活动之间的关系，使得在需求变更时能够快速识别并调整受影响的部分。借助自动化分析和验证工具，能够在设计早期发现潜在冲突和不一致性，从而显著降低后期修改成本，提升产品的市场竞争力。

智能汽车软件设计需要具备高度的灵活性、可靠性、安全性和实时性，考虑到软件系统的复杂性、模块数量、更新与迭代、安全性与可靠性等方面的要求，一般采用面向复杂系统软件的敏捷设计方法。基于总体设计需求，通过多学科、多系统联合仿真交互试验实现复杂系统软件多层级多维度的持续调整和优化，应用快速迭代的开发模式降低开发风险、提高开发效率^[4]。此外，人工智能（Artificial Intelligence, AI）大模型技术对整车智能化设计和车用软件开发的影响日益显著，利用机器学习先进算法结合软件多目标影响因子评价体系，开展辅助迭代计算及优化分析已成为重要的研究趋势之一。

智能汽车配置的各类传感器和智能化功能，为数字孪生技术应用于整车设计提供了更广阔的空间。数字孪生技术在智能汽车设计中的应用涉及自动驾驶、车载人工智能、实时数据处理和预测性维护等多个智能系统的建模与优化。不仅需要对传统机械系统进行建模，还需要对智能化控制系统、传感器融合等高度集成的技术进行实时模拟和优化，反映车辆的运行状态和性能参数，预测车辆的表现，及时发现设计缺陷。数据反馈机制将实际运行数据实时融入设计模型，有助于快速定位并修改缺陷部分。这种虚实结合的模式提升了设计和测试效率，也提高了车辆的质量和可靠性。

2 汽车设计方法新进展

收起

2.1 以综合控制为核心实现软件定义汽车

基于汽车开放架构（Automotive Open System Architecture, AUTOSAR）的整车电子电气架构逐渐成熟，助力整车功能及性能实现。该架构是全球汽车电子软件标准化平台，通过提供统一的标准化软件接口和模块，促进了零部件间的协同开发，实现了软件的模块化、标准化和可重用性。采用分层架构，分为基础软件、服务层和应用层，支持独立开发和升级，增强了系统的灵活性和可扩展性。支持多种通信协议，满足车辆智能化对高带宽、高实时性和高可靠性通信的需求。还引入了面向服务的架构（Service-oriented Architecture, SOA）和自适应平台，满足自动驾驶、车联网和电动化等新兴领域的需求。汽车开放架构使软件在整车功能和性能中的作用愈发重要，软件定义汽车的理念逐步成为现实^[5]。

以电动助力转向（Electric Power Steering, EPS）、电子液压制动（Electro-hydraulic Braking, EHB）及电子机械制动（Electro-mechanical Braking, EMB）为代表的线控系统关键部件推广进程逐渐加快。在乘用车领域，线控转向执行机构类型有单小齿轮、双小齿轮、滚珠丝杠等；商用车领域，前桥采用电液循环球、电动循环球等构型，后桥则采用电液油缸助力设计。针对高阶智能驾驶，安全冗余设计包括电机冗余、绕组冗余和供电冗余等方案。在线控制动方面，电子液压制动已成为主流，而电子机械制动则代表未来发展方向。电子液压制动根据是否集成制动防抱死系统（Anti-lock Braking System, ABS）和电子稳定程序（Electronic Stability Program, ESP）分为One-box和Two-box方案，One-box方案已成为行业主流并可量产。尽管电子机械制动具有干式制动和高集成度的优点，但由于技术成熟度和冗余备份等问题，目前仍处于小批量试制阶段^[6]。

整车横向稳定性控制逐渐整合为线控转向、制动力矩和驱动力矩综合控制。随着先进控制理论及分布式电驱动技术的快速发展，车辆横向稳定性控制已从单一控制目标逐步转变为纵、横向车辆动力学多目标优化控制体系^[7]。通过转向、驱动力矩和制动力矩的多执行器协调，实现车轮力矩和转角的最优分配，提升车辆的主动安全性和操控稳定性。在控制策略层面，基于深度学习和强化学习等先进算法的智能控制策略正在逐步应用于横向稳定性控制，取代传统的经典及线性控制方法，以实现非线性时变系统应对复杂工况的自适应和自学习能力，使车辆的横向稳定性控制更加精确和高效。

2.2 面向多样化需求的模块化和柔性化设计

集成驱动、制动、转向与悬架系统的车轮角模块使底盘具备了更高的灵活性、自重构能力和智能行驶性能，通过将转向运动链添加到悬架系统的并联拓扑式构型，确保轮跳过程中的转向角度输出，并对执行器的空间布置进行优化。为实现转向与悬架系统的运动解耦，设计上取消车身与转向系统的连接，新增支架和转动副连接转向节，消除了两者间的干涉^[8]。这种模块化设计解决了传统构型结构复杂、通用性差、难以实现软硬件解耦及强机械约束等问题。整车设计也转向自底向上的模式，以更好地满足多样化需求。

模块化分布式电驱动构型将驱动、制动、转向和悬架系统深度集成，形成高功能内聚、低系统耦合的模块化结构，实现以运输任务为中心的按需组合。通过非线性拓扑结构设计及行驶性能优化，模块化设计可实现驱动和制动构型的分层设计、全解耦的全轮转向设计及互联分载悬架设计。基于这些模块化构型的设计，整车能够实现快速重构和多车按需组合的新模式，从而提升运载灵活性，并突破承载能力提升的瓶颈^[9]。

用户对智能新能源汽车内饰的需求愈加多样化，内饰设计创新与个性化探索逐渐成为提升产品竞争力的关键。内饰的设计不仅需满足功能性，还需实现个性化与定制化，如引入感性工学，根据乘员情绪和偏好调整配色，提供更舒适的体验。参数化设计与算法生形原理结合应用于内饰设计，有助于实现创新的设计方案，同时借助解构主义等理论，推动设计的独特性与多样化。通过这些方法，汽车内饰设计将实现功能与美学的融合，打造更具吸引力、舒适性和个性化的车内空间。

2.3 分布式电驱动引领底盘新构型设计

分布式电驱动技术的发展推动了乘用车向专用电动底盘、滑板底盘的演进。滑板底盘具有整车线控化、底盘标准化、驾舱通用化、上装场景化等特点^[10]。电池技术的发展推动了底盘从模组集成电池包（Module to Pack, MTP）到电芯集成电池包（Cell to Pack, CTP）再到电池底盘一体化（Cell to Chassis, CTC）的演进，如图2所示。分布式驱动系统也从轮边电机向轮毂电机演变。面向“三个一体化”的进一步推进，角模块构型集成了驱动、制动、转向和悬架系统，实现了多维运动的融合控制，为智能底盘提供了创新的解决方案。

在新能源商用车领域，电驱桥构型正朝着高度模块化、集成化和高效轻量化方向发展^[11]。集成式电驱桥将驱动电机与变速器高度集成，取消传动轴，简化结构，减少空间占用和整车自重。通过提升传动效率，增强了动力响应和续航能力，但其自动变速器的集成设计和驱动管理面临较大挑战。分布式电驱桥则将电机直接安装在驱动轮附近，最大限度减少能量损失并提升传动效率，同时优化内部空间。

重载特种车辆主要采用分布式轮边电机驱动构型，可实现驱动桥的全部车轮驱动和部分车轮驱动等多种驱动模式^[12]。未来重载特种车辆朝着高功率密度轮毂电机驱动构型发展，整车布置设计更灵活，系统效率更高。另外，高压配电模块、直流/直流变换器、直流/交流变换器、电机控制器集成，形成一体化智能供配电和电机控制，低压电气架构向着域集中式控制架构方向发展，减少电气部件数量和线束数量，提高重型特种车辆的电驱动模块化水平和系统可靠度。

2.4 一体化设计成效显著

一体化压铸技术的发展拓展了结构一体化设计的空间，通过超大型压铸机一次成型，将多零件集成为整体结构，显著减轻重量、提高效率并降低成本。以特斯拉为代表的新能源车企率先将这一技术应用于结构一体化设计，将原由70多个零件拼焊的后地板设计为整体压铸成型，并逐步扩展至前机舱和中地板^[13]，如图3（a）所示。这种一体化设计的后地板结构也逐渐被其他新能源汽车所采用，如图3所示。

主动与被动安全的一体化设计是现代汽车安全技术的重要发展方向^[14]。主动安全通过预防手段减少事故发生，而被动安全则在碰撞后保护乘员安全。随着智能化与自动驾驶技术的发展，主动和被动安全系统的界限逐渐模糊，深度融合成为趋势，如碰撞预警、自主刹车与安全气囊、车身结构的联动控制，能够在碰撞时精准预判并执行，最大程度降低伤害。这种一体化设计正朝智能化和高效化方向发展，成为未来汽车安全的主流。

舱驾一体化设计结合智能座舱技术、人机交互系统和感性工学，深度融合驾驶舱与乘员舱，实现高效空间利用与个性化功能。关键技术包括语音交互、增强现实显示、情感计算和自动驾驶辅助系统，旨在提升驾驶与乘坐的智能化和舒适性。未来舱驾一体化将进一步整合通信、云计算和大数据分析，实现车内外智能生态的无缝衔接，推动汽车从交通工具向智能移动生活空间的全面转型。

3 整车设计需求与挑战

收起

3.1 创新整车设计方法应对技术变革

为满足智能汽车的高度集成和多功能化的复杂需求，底盘系统从单一功能转向多功能集成，模块化和集成化的底盘新构型设计成为必然，如图4所示，以实现汽车在多场景下的灵活应用^[15]。底盘设计需具备高度的灵活性和可扩展性，以便根据不同车型和功能配置实现快速调整与优化。底盘新构型还需要重新定义整车组成部分的标准化通信接口和物理接口，实现数据共享与功能协同。新的设计方法需从系统层面进行科学梳理，建立全新的设计体系，确保整车各部分的协调与一致性。这也要求对传统设计流程进行重新审视和优化，实现底盘新构型下的整车系统重构与设计体系创新。

采用跨学科设计方法适应开放式整车架构。汽车开放式架构致力于集成化、通用化和模块化，具备可重构性、安全性和可靠性^[16]。需要统筹机械、电子、液压等多领域技术的整合，采用跨学科设计方法实现这一目标。同时，软硬件的解耦和标准化接口的建立将简化系统集成，减少复杂性，确保高效的数据处理和实时交互。这一过程中，技术整合面临多学科深度融合的挑战，要求极高的精确度和协同性。此外，还需平衡高品质与性能的要求，同时控制研发和生产成本。

整车设计方法还需要平衡定制化与批量生产之间的矛盾。为满足个性化需求，柔性制造系统和模块化设计的引入成为关键，可以提升生产线的灵活性和响应速度^[17]，但也增加了供应链管理的难度。通过模块化设计、平台化架构和参数化开发，可以在统一平台基础上灵活调整，快速响应市场需求。这种方法既能实现个性化设计，又能确保批量化生产的经济性，是未来汽车设计的重要方向。它有效解决了传统生产模式中灵活性与效率之间的矛盾，推动整车设计向更加智能化、柔性化发展。

3.2 汽车动力学与控制亟需新理论支撑

新构型汽车设计使系统解耦，释放了更多自由度。同时，也改变了载荷传递路径，导致部件受力复杂化、零部件增加，给结构轻量化带来了新挑战。随着功能解耦的深入，子系统间交互变得更加灵活，系统的工作方式和相互作用机制发生变化，增加了轻量化研究的难度^[18]。为应对这一挑战，需要深入研究角模块构型下的行驶模式和结构特性，分析各部件在新构型下的受力情况，探索在保持或提升汽车性能的同时实现轻量化的方案。传统的轻量化设计方法在功能解耦的背景下可能不再适用，需引入新材料和新结构等创新方法，以实现解耦和轻量化的双重目标。

随着汽车结构设计的发展，汽车安全面临新挑战，亟需建立全面的汽车安全理论体系^[19]。首先，主动安全技术需根据新构型需求进行升级，改进数据处理能力、系统集成、协同控制和网络安全性能。其次，功能安全至关重要，需考虑潜在故障模式及其影响，确保各子系统在故障情况下的可靠运行。最后，角模块构型使电池布局和热管理更为复杂，需通过合理的电池管理方法来平衡工作负荷，提升整体可靠性。总之，全面的汽车安全理论体系应涵盖主动安全、功能安全和电池安全等方面，确保汽车在各种复杂环境中的安全性和可靠性。

现有车辆动力学模型基于传统多体动力学原理，难以在不同条件下快速调整，导致模型在迭代过程中应用受限^[20]。在控制理论方面，传统控制算法依赖牛顿力学微分方程，难以有效处理多目标优化和复杂约束问题。随着模块化汽车新构型的发展，传统的动力学模型和控制方法已无法满足其灵活变更与模块化整合的需求，亟需开发新的统一模型和控制理论。通过这种新框架，可以实现汽车动力学特性与控制策略的紧密结合，为汽车提供更精准的动态性能和控制响应。这种深度耦合不仅能够提升整车的稳定性和安全性，还能优化能量利用效率，为汽车新构型设计奠定坚实的技术基础。

3.3 整车设计创新呼唤工具软件生态升级

计算机辅助设计软件是汽车研发的重要工具，但中国在核心技术和市场认可度方面仍与国际水平有差距^[21]。智能新能源汽车的发展带来了新的挑战和机遇。计算机辅助设计软件需增强多学科协同设计能力，支持整车建模与模块化开发，优化多物理仿真效率。智能化是未来发展方向，通过人工智能实现自动化设计与拓扑优化，推动结构、材料与工艺的全面融合。这不仅能解决制造业“卡脖子”难题，还为国产计算机辅助设计软件的技术突破和生态重塑提供了战略窗口。

在“国产替代”的推动下，国产计算机辅助设计软件在几何建模内核、电池热管理仿真、轻量化设计和柔性制造等方面初具竞争力。然而，在新能源汽车领域的电磁、声学、流体和多物理场等仿真方面，国产软件与国际先进水平之间差距依然较大。由于单场仿真软件的功能不足，国内平台工具依赖开源软件来实现部分功能，导致在应对复杂多物理场耦合仿真时存在明显局限。因此，国产计算机辅助设计软件在整体功能布局、智能化可扩展性，以及核心求解的精度、效率方面仍有较大的提升空间。

国外计算机辅助设计软件已建立了完善的标准和生态体系，国内许多大型企业依托这些体系构建自身的研发系统，但这带来了技术生态兼容性问题，导致软件之间以及软件与硬件之间难以实现有效协同。中小企业对仿真技术的认知和接受度普遍较低，信任不足，使得自主仿真软件难以形成有效的应用与迭代。国内资本市场对高科技领域的长期投资支持不足，企业研发投入能力有限，进一步制约了仿真技术的推广和普及。人才短缺和教育培训滞后，也成为限制软件技术创新效率的重要因素。亟需各方共同努力，建立政府、产业、学术机构和应用领域的深度协同机制，推动仿真技术和工业软件的全面发展与应用。

4 整车正向设计技术发展建议

收起

4.1 构建新时代汽车整车正向设计创新体系

结合汽车产品特点和行业规范，基于模型的系统工程设计方法将设计开发过程分为需求分析与概念设计、系统设计、详细设计与实现、集成验证与优化4个阶段，并在每个阶段采用基于模型的敏捷设计方法快速迭代^[22]。通过将系统工程的严谨性、敏捷设计的高效性和航天质量管理的严密性结合，形成了一套适应现代汽车开发的创新方法，实现快速迭代、有效协同和高质量交付。建议制定基于模型的系统工程设计方法在整车开发的行业标准，为整车及分系统提供统一的模型库；通过政策补贴和技术合作，支持企业间工具的集成和统一；加强模型仿真能力建设，构建可实时仿真的整车及子系统数字模型，开发高精度虚拟验证环境。

自底向上的汽车设计方法以面向对象的方式定义和描述解耦后的功能部件，从基础功能单元逐步构建整体车辆设计。该方法强调从零部件、子系统到整车逐层优化，实现模块间高效协同与集成，能够更好地支持整车的技术升级和跨领域融合。建议推广模块化设计理念，鼓励企业建立模块化平台，制定模块化接口标准，降低整车与零部件企业间的协作成本；建立国家级研发试验中心，支持企业进行模块建模与功能复用研究；强化跨领域协同开发能力，开发满足未来出行需求的开放式架构。

人工智能技术的快速发展，为整车数智化研发提供了基础，可以提升研发效率、降低成本、加速迭代创新。建立人工智能技术驱动的研发平台，实现集成设计、仿真与优化全流程智能化设计；构建基于人工智能的驾驶工况与测试场景自动生成技术，可以高效验证自动驾驶和整车性能；融合数字孪生和人工智能技术，可实现“车-路-云”复杂系统的一体化仿真，结合车联网（Vehicle-to-everything, V2X）实时数据流，实现城市级交通系统的超实时仿真；促进人工智能与个性化需求融合，利用人工智能实现内饰设计、驾驶模式等用户需求的自动化定制，驱动研发端实现分钟级设计迭代，提升产品差异化竞争力；基于物理信息神经网络的数字孪生体，可对电池热失控、车身疲劳断裂等微观现象进行原子级仿真。

4.2 加速新构型汽车理论研究的战略布局与创新路径

模块化可重构车辆是为满足未来车辆多功能性与适应性需求而提出的新型构型，其发展关键在于统一的动力学模型与控制方法^[23]。动力学建模需考虑构型和约束的动态变化，采用车轮-车身-整车的层级建模方式，通过车-轮-地耦合分析，建立支持模块化平台接入的统一动力学模型，如图5所示。在控制方面，需开发多智能体控制框架，结合视觉信息与动力学模型，采用人机共融方法，实现模块化协调与整车协同的联合控制策略。此类控制算法能够满足高自由度、高效性及模块化集成需求，为智能化车辆的发展提供技术支持。

为拓展模块化新构型车辆的性能边界，需重点研究单模块与多模块协同下的纵-横-垂三向载荷控制。通过优化角模块的动力响应速度与控制精度，提升独立驱动能力，扩展动力性能边界。利用智能转向系统和先进控制算法，实现精准转向控制，增强操控性能与模块稳定性。同时，聚焦模块间协同，优化动力、转向和悬挂系统的联合效率，降低能源消耗。三向载荷综合控制可提升续航里程与经济性，确保车辆在多工况下的高效与安全运行。最终，通过地面力学的精准控制，全面提升新构型车辆的整体性能。

为满足新构型汽车的安全需求，应构建系统化的整车安全新体系，涵盖事故预防与发生时的安全保护。通过智能感知、决策与执行系统协同作用，提升事故预防与应急能力。模块化结构下需设计冗余安全机制，确保模块故障情况下车辆具备基本安全功能。优化结构与材料设计，以分散碰撞能量，增强乘员保护能力。同时，完善软件与能源管理系统，确保故障发生时系统能够安全退回至安全状态，防止事故扩大。在能源安全方面，加强能源管理、智能控制与实时监控研究，保障能源系统在多工况下的稳定与安全运行，为新构型汽车的安全性提供全面支持。

随着汽车新构型复杂性和功能集成度提升，仿真分析与测试验证在整车设计中的作用愈加重要。通过多物理场耦合仿真、虚拟试验场技术和硬件在环测试，设计团队能够在早期识别潜在缺陷、优化设计，降低成本与周期。针对模块化可重构车辆的高自由度动力学模型，可通过基于模型的协同建模方法，结合Adams、MATLAB/Simulink与AMESim等仿真平台进行多学科耦合仿真。虚拟试验场技术通过人工智能驱动的场景生成技术，自动构建复杂交通场景，验证自动驾驶算法的鲁棒性，并评估车辆在虚拟环境中的综合性能。这一技术显著缩短了实车测试周期，为法规认证提供数据支撑。硬件在环测试在分布式电驱动系统中成为核心验证手段，通过实时模拟电机、制动器与转向系统的交互，验证冗余控制与故障容错机制，结合敏捷开发，建立“需求-设计-仿真-测试”闭环验证体系，加速产品迭代。

4.3 建设国产整车设计工具软件生态系统

汽车工业软件需加强软件生态系统的顶层规划，突破核心技术，融合人工智能等新兴技术，构建软硬件协同的技术体系。推动上下游企业、高校及科研机构开放合作，提升行业适配性与竞争力；健全标准体系与知识产权保护机制，完善知识成果转化途径。强化专业人才培养，结合区域经济优化产业布局，打造长三角、珠三角等工业软件集群。政府需加大政策与资金支持，通过专项计划、税收优惠等引导整车及零部件企业协同研发，吸引社会资本参与，推动工业软件国产化与规模化应用。

为实现汽车工业软件的自主化发展，需攻克几何建模内核、多刚体动力学、高效有限元求解器和多物理场耦合算法等核心技术壁垒，推动整车建模、仿真与测评软件的国产化，提升效率与稳定性。构建模块化协同工具平台，覆盖整车设计全生命周期，支持跨团队数据共享与流程管理。在自主可控需求下，强化国产软件与操作系统及计算资源的兼容性，建立开源社区促进持续创新。通过开放接口与标准，确保工具链兼容性，推动计算机辅助设计软件行业标准制定，完善生态系统，提升一致性与可扩展性。

为提升汽车研发效率，应加强软件开发团队与整车设计团队的协作，构建合理利润分配机制，实现信息与数据共享，推动整车与软件产品的持续优化迭代。通过驻厂工程师模式深入需求场景，重构技术知识，建立“开发-应用-反馈”的闭环体系，促进软件持续创新。政府出台扶持政策，推动统一接口标准与数据格式，提升国产软件的兼容性和行业适配性。通过专项支持和税收优惠鼓励整车厂采用国产软件，打造开放共享的行业生态系统，集聚企业、科研机构与高校，共同推进资源共享、技术合作与联合培训，加速工业软件创新与汽车行业协同发展。

5 结束语

收起

车辆电动化的发展推动了车辆构型的创新，模块化设计拓展了用户定制化的可能性。未来，汽车设计不仅停留在传统产品规划层面，还将在底盘与性能展示方面提供直观的定制化选项，满足个性化需求。整车设计师的角色将逐步转变为客户支持专家系统，致力于个性化服务与支持。系统地开展汽车正向设计研究，将有效解决不断增长的定制化需求与批量生产之间的矛盾。

基金

收起

国家自然科学基金(52394265)

参考文献

收起

文献

收起

参考文献引证文献

排序方式：

[1]

熊璐, 杨兴, 卓桂荣, 等. 无人驾驶车辆的运动控制发展现状综述[J]. 机械工程学报, 2020, 56(10): 127-143.

https://doi.org/10.3901/JME.2020.10.127

Xiong

, Yang

, Zhuo

G R

, et al. Review on motion control of autonomous vehicles[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2020, 56(10): 127-143. (in Chinese)

https://doi.org/10.3901/JME.2020.10.127

[2]

Shimizu

, Emoto

, Kawakami

. Design development of high-performance electric vehicle “eliica”[J]. Journal of the Visualization Society of Japan, 2006, 26(Supp1): 13-19.

[3]

杜志岐, 唐镜. 基于系统工程的装甲车辆总体设计[J]. 兵工学报, 2022, 43(增刊1): 1-10.

Z Q

, Tang

. Overall design of armored vehicles based on system engineering[J]. Acta Armamentarii, 2022, 43(Suppl 1): 1-10. (in Chinese)

[4]

易健. 汽车整车设计开发流程优化研究[J]. 汽车测试报告, 2024(15): 11-13.

. Research on optimization of vehicle design and development process[J]. Car Test Report, 2024(15): 11-13. (in Chinese)

[5]

邹渊, 孙文景, 张旭东, 等. 智能网联汽车多域电子电气架构技术发展研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(6): 895-909.

Zou

, Sun

W J

, Zhang

X D

, et al. Study on the technology development of multi-domain electrical and electronic architecture for intelligent networked vehicles[J]. Automotive Engineering, 2023, 45(6): 895-909. (in Chinese)

[6]

熊璐, 李聪聪, 卓桂荣, 等. 电子机械制动器构型及控制技术发展现状[J]. 汽车工程, 2023, 45(12): 2187-2199, 2250.

Xiong

, Li

C C

, Zhuo

G R

, et al. Review on electro-mechanical brake structure and control technology[J]. Automotive Engineering, 2023, 45(12): 2187-2199, 2250. (in Chinese)

[7]

张雷, 徐同良, 李嗣阳, 等. 全线控分布式驱动电动汽车底盘协同控制研究综述[J]. 机械工程学报, 2023, 59(20): 261-280.

https://doi.org/10.3901/JME.2023.20.261

Zhang

, Xu

T L

, Li

S Y

, et al. Overview on chassis coordinated control for full X-by-wire distributed drive electric vehicle[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2023, 59(20): 261-280. (in Chinese)

[8]

Murata

. Innovation by in-wheel-motor drive unit[J]. Vehicle System Dynamics, 2012, 50(6): 807-830.

[9]

唐术锋, 王国庆, 郭子瑞. 一种可重构移动作战平台对接机构设计与实验[J]. 兵器装备工程学报, 2020, 41(7): 147-151. (in Chinese)

Tang

S F

, Wang

G Q

, Guo

Z R

. Design and experiment of a re-configurable mobile combat platform docking mechanism[J]. Journal of Ordnance Equipment Engineering, 2020, 41(7): 147-151. (in Chinese)

[10]

王军雷, 王亮亮, 王静. 基于专利视角的滑板底盘技术发展研究[J]. 汽车技术, 2023(12): 54-59.

Wang

J L

, Wang

L L

, Wang

. Research on skateboard chassis technologies based on patent analysis[J]. Automobile Technology, 2023(12): 54-59. (in Chinese)

[11]

李航, 胡尊严, 胡家毅, 等. 新型分布式驱动液氢燃料电池重型商用车设计、分析与验证[J]. 汽车工程, 2022, 44(8): 1183-1198, 1250.

, Hu

Z Y

, Hu

J Y

, et al. Design, analysis and validation of novel distributed drive liquid hydrogen fuel cell heavy commercial vehicles[J]. Automotive Engineering, 2022, 44(8): 1183-1198, 1250. (in Chinese)

[12]

徐向阳, 赵俊玮, 董鹏, 等. 双碳目标下商用车动力传动系统技术特征与展望[J]. 汽车安全与节能学报, 2023, 14(4): 395-412.

X Y

, Zhao

J W

, Dong

, et al. Technical characteristics and prospects of power transmissions for commercial vehicles under the “Carbon-Peak and Carbon-Neutrality” target[J]. Journal of Automotive Safety and Energy, 2023, 14(4): 395-412. (in Chinese)

[13]

陶永亮, 娄梦妮. 新能源汽车销量促进压铸产业及一体化压铸发展[J]. 铸造设备与工艺, 2022(2): 52-55.

Tao

Y L

, Lou

M N

. Sales of new energy vehicles promote the development of die casting industry and integrated die casting[J]. Foundry Equipment & Technology, 2022(2): 52-55. (in Chinese)

[14]

Kuttenberger

, Eisele

, Lich

, et al. Improved occupant protection through cooperation of active and passive safety systems-combined active and passive safety CAPS[C]// SAE Technical Paper Series. Warrendale: SAE International, 2006, doi:10.4271/2006-01-1144.

[15]

王震坡, 陈辛波, 张雷, 等. 分布式驱动电动汽车关键技术及产业化展望[J]. 科技导报, 2020, 38(8): 99-100.

https://doi.org/10.3981/j.issn.1000-7857.2020.08.011

Wang

Z P

, Chen

X B

, Zhang

, et al. Key technologies and industrialization prospect of distributed drive electric vehicle[J]. Science & Technology Review, 2020, 38(8): 99-100. (in Chinese)

[16]

雷颖絜, 刘伟, 胡磊. 商用车平台架构开发方法研究[J]. 重型汽车, 2024(5): 7-8.

Lei

Y J

, Liu

, Hu

. Research on development method of commercial vehicle platform architecture[J]. Heavy Truck, 2024(5): 7-8. (in Chinese)

[17]

付晓江. 基于柔性定制化的G公司新产品开发流程再造研究[D]. 青岛: 青岛大学, 2022.

X J

. Research on new product development process re-engineering of G company based on flexible customization[D]. Qingdao: Qingdao University, 2022. (in Chinese)

[18]

李军, 周佳, 王利刚, 等. 中国乘用车轻量化水平发展趋势研究[J]. 汽车工程学报, 2021, 11(5): 313-319, 362.

, Zhou

, Wang

L G

, et al. Research on development trends of lightweight level of passenger cars in China[J]. Chinese Journal of Automotive Engineering, 2021, 11(5): 313-319, 362. (in Chinese)

[19]

林晨, 魏洪乾, 荆威, 等. 汽车功能安全: 面向敏感指令攻击场景的自主驾驶车辆路径规划风险缓解控制[J]. 机械工程学报, 2024, 60(10): 302-316.

Lin

, Wei

H Q

, Jing

, et al. Automobile functional safety: Risk mitigation control of autonomous vehicle path planning for sensitive command attack scenes[J]. China Industrial Economics, 2024, 60(10): 302-316. (in Chinese)

[20]

姜圣. 整车舒适性研究与悬挂系统优化分析[D]. 长沙: 湖南大学, 2010.

Jiang

. Study on vehicle comfort and optimization analysis of suspension system[D]. Changsha: Hunan University, 2010. (in Chinese)

[21]

邵珠峰, 赵云, 王晨, 等. 新时期我国工业软件产业发展路径研究[J]. 中国工程科学, 2022, 24(2): 86-95.

https://doi.org/10.15302/J-SSCAE-2022.02.010

Shao

Z F

, Zhao

, Wang

, et al. Development path of China’s industrial software industry in the new era[J]. Strategic Study of CAE, 2022, 24(2): 86-95. (in Chinese)

https://doi.org/10.15302/J-SSCAE-2022.02.010

[22]

陈娟, 周广明, 李欣桐, 等. 基于MBSE的综合传动装置需求分析[J]. 兵工学报, 2022(增刊1): 11-20.

Chen

, Zhou

G M

, Li

X T

, et al. MBSE-based requirement analysis of transmission system[J]. Acta Armamentarii, 2022(Suppl 1): 11-20. (in Chinese)

[23]

张雷, 赵宪华, 王震坡. 四轮轮毂电机独立驱动电动汽车轨迹跟踪与横摆稳定性协调控制研究[J]. 汽车工程, 2020, 42(11): 1513-1521.

https://doi.org/10.19562/j.chinasae.qcgc.2020.11.009

Zhang

, Zhao

X H

, Wang

Z P

. Study on coordinated control of trajectory tracking and yaw stability for autonomous four-wheel-independent-driving electric vehicles[J]. Automotive Engineering, 2020, 42(11): 1513-1521. (in Chinese)

2025年第4卷第2期

PDF下载

1390

661

引用本文

BibTeX

文章信息

doi: 10.3981/j.issn.2097-0781.2025.02.004

接收时间：2024-12-20
出版时间：2025-06-20
发布时间：2025-06-26

补充材料

相关文章

文章信息

作者

出版历史

收稿日期：2024-12-20
修回日期：2025-02-23

基金

国家自然科学基金(52394265)

作者信息

1.北京航天发射技术研究所，北京 100076

2.吉林大学汽车工程学院，长春 130012

3.北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081

4.南京理工大学机械工程学院，南京 210094

通讯作者:

†

参考文献

分享链接

https://castjournals.cast.org.cn/joweb/qzkj/CN/10.3981/j.issn.2097-0781.2025.02.004

分享至

全文二维码

扫描看全文

引用本文

BibTeX

本文的引用情况

表12种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

关闭全屏

BibTeX
EndNote
RefWorks
TxT

访问统计

友情链接

联系我们

官方微信公众号