汽車虛擬仿真設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展探究＊

王中長

（濱州學(xué)院 機(jī)電工程系，山東 濱州 256603）

汽車虛擬仿真設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展探究＊

王中長

（濱州學(xué)院 機(jī)電工程系，山東 濱州 256603）

利用汽車虛擬仿真設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行汽車產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)，既可以提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)精度和質(zhì)量，還可以大幅度降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本和研發(fā)周期，在汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用前景將非常廣闊。本文為系統(tǒng)了解汽車虛擬仿真設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，通過研究國內(nèi)外汽車虛擬仿真設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)過程的特點(diǎn)，總結(jié)了汽車設(shè)計(jì)中虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，對汽車設(shè)計(jì)水平的發(fā)展具有指導(dǎo)參考意義。

汽車；設(shè)計(jì)軟件；虛擬仿真；發(fā)展探究

隨著CAD、CAE和CAM技術(shù)的快速發(fā)展，汽車的設(shè)計(jì)制造開始有了新的設(shè)計(jì)理念和方法，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)也進(jìn)入新的發(fā)展時(shí)代。虛擬仿真設(shè)計(jì)技術(shù)，能大幅度提高汽車產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品先進(jìn)開發(fā)能力，近年來倍受汽車企業(yè)青睞[1]。在歐美發(fā)達(dá)國家，CAD/ CAE/CAM技術(shù)已有40多年的發(fā)展歷史。像通用汽車集團(tuán)通過此技術(shù)每10多天出一款新車型, 波音747飛機(jī)的全程無紙化的設(shè)計(jì)與加工。在國內(nèi)，一些大型的汽車企業(yè)都開始利用CAD/CAE/CAM 技術(shù)進(jìn)行實(shí)際產(chǎn)品的開發(fā), 如零部件、易損件、覆蓋件的設(shè)計(jì)、汽車輕量化設(shè)計(jì)、整車性能分析與優(yōu)化等?，F(xiàn)在我國的虛擬設(shè)計(jì)軟件市場，逐漸形成了國內(nèi)外二、三維軟件互相競爭共存的局面。

1 通用汽車CAD設(shè)計(jì)技術(shù)

通用汽車CAD設(shè)計(jì)技術(shù)是進(jìn)行汽車設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)平臺，利用它可以在設(shè)計(jì)過程中完成汽車產(chǎn)品的造型、零件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)，并生成數(shù)模和工程圖紙。主要分為二維CAD設(shè)計(jì)和三維CAD設(shè)計(jì)，下面將詳細(xì)闡述這兩類設(shè)計(jì)技術(shù)所涉及的軟件的應(yīng)用。

1.1 二維CAD設(shè)計(jì)

1.1.1 AutoCAD

對于二維設(shè)計(jì)軟件來說，AutoCAD是當(dāng)前世界上應(yīng)用最廣、最普遍的。它是由美國的歐特克公司開發(fā)的一款二維繪圖設(shè)計(jì)軟件，繪圖員可以通過它來完成設(shè)計(jì)圖形的新建文件、打開原有文件、管理各類文件、輸出文件以及區(qū)域集成共享文件等。AutoCAD軟件在國內(nèi)外應(yīng)用非常廣泛，很多二維繪圖的標(biāo)準(zhǔn)都是根據(jù)它來定包括國內(nèi)外各企業(yè)間圖紙的交流、設(shè)計(jì)方案的制定以及加工原料的要求等，都是利用了它的DWG文件格式。如圖1所示為AutoCAD工程圖紙的一個(gè)實(shí)例。

圖1 AutoCAD工程圖實(shí)例

盡管AutoCAD軟件本身的功能非常豐富，但其還預(yù)留了很多可以讓用戶在其平臺下進(jìn)行二次開發(fā)，設(shè)計(jì)出適應(yīng)各自行業(yè)發(fā)展的專用軟件，汽車、建筑和航天等都有涉及，現(xiàn)在已經(jīng)漢化的非常成熟，適合中國人操作。

1.1.2 清華天河PCCAD

清華天河PCCAD通過先進(jìn)的技術(shù)，在保留了傳統(tǒng)經(jīng)典AutoCAD功能平臺的同時(shí)，開發(fā)了更加智能化、特征化、參數(shù)化、專業(yè)化、用戶化、標(biāo)準(zhǔn)化、集成化的軟件。

此軟件主要特點(diǎn)有5個(gè)，一是繪圖效率高，比直接使用AutoCAD要快5-8倍；二是有多種數(shù)據(jù)接口，既可以利用各種現(xiàn)有資源，生成明細(xì)表，繪制表格等，還能通過導(dǎo)出文本文件和天河通用導(dǎo)出各種類型的數(shù)據(jù)；三是它的參數(shù)化、系列化國標(biāo)庫和零件庫，并完全基于參數(shù)化的設(shè)計(jì)，提高一些標(biāo)準(zhǔn)件和常用件繪制的效率。四是二次開發(fā)手段方便，技術(shù)人員可以方便地?cái)U(kuò)充它的功能，開發(fā)適合自己的符號庫和零件庫。當(dāng)然，國內(nèi)還有很多不同的繪圖特點(diǎn)二維CAD設(shè)計(jì)軟件，見表1。

表1 其他國產(chǎn)二維CAD設(shè)計(jì)軟件

1.2 三維CAD設(shè)計(jì)

1.2.1 Pro/Engineer

Pro/Engineer又名Pro/E，是由美國的參數(shù)技術(shù)公司開發(fā)的三維CAD設(shè)計(jì)軟件，它的主要特點(diǎn)是參數(shù)化設(shè)計(jì)應(yīng)用，是參數(shù)化設(shè)計(jì)最早的利用者，是當(dāng)今世界上主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，漢化成熟，因此在國內(nèi)很多的汽車企業(yè)特別是重型汽車的產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域占有很大的比重[2]。圖2所示為Pro/ Engineer繪制的鏟車三維圖。

圖2 Pro/Engineer繪制的鏟車三維圖

1.2.2 UG

UG是一個(gè)交互式的CAD/CAM設(shè)計(jì)軟件，它功能非常強(qiáng)大，尤其是模具設(shè)計(jì)、制造與加工方面有很大的優(yōu)勢，可以輕松實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜實(shí)體及造型的設(shè)計(jì)建模。UG于1969年開始開發(fā)，研發(fā)開始主要是基于工作站，利用C語言實(shí)現(xiàn)的。但隨著計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展以及個(gè)人用戶的增長，在計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用取得了快速增長，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸成為模具行業(yè)主流的三維設(shè)計(jì)軟件。現(xiàn)在已經(jīng)漢化的非常成熟，適合中國人操作。圖3所示為利用UG軟件繪制的奧迪轎車三維圖。

圖3 UG繪制奧迪轎車三維圖

1.2.3 SolidWorks

SolidWorks公司于1993年成立，1995年推出第一套SolidWorks三維CAD設(shè)計(jì)軟件后，發(fā)展異常迅速，到2010年就推廣到全球銷售。后來法國達(dá)索公司將它收購后加以開發(fā)，作為主要的銷售品牌。它的主要特點(diǎn)是界面最接近Windows系統(tǒng)，會基本的計(jì)算機(jī)操作基礎(chǔ)就可以快速學(xué)會，而且網(wǎng)絡(luò)開源資料非常多，好學(xué)易懂，完全漢化，備受廣大設(shè)計(jì)工程師的青睞。

1.2.4 CATIA

CATIA用途很廣泛，在航空與航天、汽車、船舶、建筑等方面都有涉及到。用途最多的是汽車行業(yè)，比如國外用它來設(shè)計(jì)汽車產(chǎn)品的有福特汽車、通用汽車、寶馬汽車、豐田、本田、雷諾、菲亞特、三菱等，在國內(nèi)有上汽集團(tuán)、一汽集團(tuán)、奇瑞汽車等大公司也在使用。航空方面有波音麥道、空客、達(dá)索飛機(jī)等，歐盟各成員國和美國的軍方都用CATIA進(jìn)行設(shè)計(jì)。

CATIA主要特點(diǎn)是曲面、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力非常強(qiáng)大，設(shè)計(jì)精度非常高，漢化程度較高。圖4為利用CATIA繪制的發(fā)動機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖4 CATIA繪制的發(fā)動內(nèi)部機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2 多體動力學(xué)仿真技術(shù)

多體動力學(xué)仿真技術(shù)是隨著三維設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的專門針對復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)進(jìn)行模擬仿真的工具。最初只用來研究剛體的仿真，現(xiàn)在隨著柔體動力學(xué)的發(fā)展，剛?cè)狁詈系亩囿w仿真技術(shù)已經(jīng)趨于成熟。汽車系統(tǒng)多體動力學(xué)仿真類軟件主要有ADAMS、SIMPACK、DADS等，下面就主要的ADAMS和SIMPACK兩中來介紹。

2.1 ADAMS

ADAMS是多體動力學(xué)仿真設(shè)計(jì)用途最廣的軟件之一，由美國MDI公司開發(fā)，在全球各大汽車企也廣泛應(yīng)用。它擁有完善的繪圖環(huán)境，能及時(shí)調(diào)取自己的零件庫，豐富的約束庫和力庫，還有先進(jìn)的拉格朗求解器，能進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真分析。參數(shù)化的設(shè)計(jì)界面可以進(jìn)行機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[3]。

ADAMS不僅能夠進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析，還預(yù)留了很多開放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，并且從2013版開始漢化，便于一些分析工程師進(jìn)行二次開發(fā)，進(jìn)而研究出適合自己的設(shè)計(jì)工具。

2.2 SIMPACK

SIMPACK軟件是由德國的INTEC Gmbh公司研發(fā)的專門針對機(jī)械和機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)仿真分析的多體動力學(xué)分析軟件。它以多體系統(tǒng)計(jì)算動力學(xué)為基礎(chǔ)，涵蓋多個(gè)專業(yè)模塊和領(lǐng)域的虛擬樣機(jī)開發(fā)系統(tǒng)軟件。SIMPACK軟件的主要應(yīng)用領(lǐng)域涉及了汽車、軌道鐵路、航空與航天、輪船等行業(yè)。SIMPACK軟件包括運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的基本模塊、輪軌專門模塊、汽車模塊、發(fā)動機(jī)模塊、柔性體處理模塊、CAD接口模塊和優(yōu)化模塊(Optimization)等部分。圖5所示為利用SIMPACK軟件構(gòu)建的后排料水泥攪拌車的虛擬樣機(jī)模型。

圖5 SIMPACK軟件構(gòu)建的后排料水泥攪拌車虛擬樣機(jī)模型

3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析技術(shù)

對于新車開發(fā)中的零部件、系統(tǒng)以及整車的疲勞、壽命、振動、噪聲、輕量化等結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度問題[4]，可借助結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真分析技術(shù)在設(shè)計(jì)階段解決，從而大幅度提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，同時(shí)還避免了反復(fù)試制帶來的損失，節(jié)省了開發(fā)費(fèi)用。汽車用的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析類軟件主要有HyperMesh、ANSYS、MSC/NASTRAN、ABAQUS等。

3.1 HyperMesh

在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析技術(shù)領(lǐng)域,HyperMesh主要特點(diǎn)是前處理劃分有限元網(wǎng)格的功能非常強(qiáng)大。它能讓結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析工程師在高度交互及可視化的環(huán)境下進(jìn)行仿真分析工作。其他有限元前處理器不如HyperMesh的圖形設(shè)計(jì)界面方便、智能，他可以將在通用三維CAD軟件中建好的幾何模型直接快速的導(dǎo)入，并且導(dǎo)入模型質(zhì)量非常好，基本上不用大幅度的修改，從而提高了工作效率。HyperMesh也具有一定的后處理器模塊，能完成各種復(fù)雜的仿真，像一般有限元軟件都能產(chǎn)生的云圖、曲線標(biāo)和動畫等[5]。如圖6所示為Hypermesh設(shè)置的摩托車輪胎周圍的計(jì)算流體力學(xué)網(wǎng)格。

圖6 Hypermesh設(shè)置的摩托車輪胎周圍的計(jì)算流體力學(xué)網(wǎng)格

3.2 ANSYS

ANSYS軟件是一種常用的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析軟件，它由全球最大的有限元分析軟件公司美國ANSYS公司開發(fā)，能夠進(jìn)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度、流體動力學(xué)分析、磁場分析、電場分析、聲場分析等方面的仿真分析，且能夠輕松的同大多數(shù)通用的三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行模型、數(shù)據(jù)共享和交換，比如常見的CAD設(shè)計(jì)軟件AutoCAD、Pro/Engineer、UG、solidworks等，是當(dāng)今世界機(jī)械、汽車、航天、船舶等工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級分析工具[6]。圖7為ANSYS軟件分析的構(gòu)件云圖。

圖7 ANSYS軟件分析的構(gòu)件云圖

當(dāng)然在一些結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析過程中，分析工程師要善于利用各個(gè)分析軟件的特點(diǎn)進(jìn)行利用，比如可以利用HyperMesh方便智能的前處理器對產(chǎn)品進(jìn)行網(wǎng)格劃分等前處理，再利用ANSYS的LS-DANA求解器進(jìn)行計(jì)算，再通過后處理對結(jié)果進(jìn)行分析。

4 結(jié)語

本文通過對汽車設(shè)計(jì)過程中用到的虛擬設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行研究，得到汽車虛擬仿真設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及存在的問題，以及各種設(shè)計(jì)軟件的特點(diǎn)及聯(lián)合利用，還有國外軟件現(xiàn)存的漢化問題、專業(yè)化二次開發(fā)問題等，為汽車虛擬仿真設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

[1] 譚澤飛.計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用[J].森林工程.2005(03).

[2] 李世蕓,李華,鄧榮兵.三維CAD/CAE技術(shù)在汽車部件設(shè)計(jì)中的研究及應(yīng)用[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)(理工版).2003(03).

[3] 張鐵山,胡建立,唐云,等.CAD/CAE技術(shù)在汽車車架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào).2001(03).

[4] 陳智.CAD/CAE技術(shù)在汽車輕量化中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古林學(xué)院學(xué)報(bào).1999(02).

[5] 溫志偉,陳江海.CAE在汽車開發(fā)中的應(yīng)用[J].中國水運(yùn)(理論版).2007(08).

[6] 蔣元廣,張丙軍,朱衛(wèi)慶.結(jié)構(gòu)仿真分析技術(shù)在汽車上的應(yīng)用與展望[J].輕型汽車技術(shù).2006(01).

T-19

濱州學(xué)院科研基金項(xiàng)目（BZXYQNLG201402）。