淺談汽車機械結(jié)構(gòu)數(shù)字化設(shè)計

余家平

摘? 要：一輛汽車的設(shè)計與生產(chǎn)有眾多環(huán)節(jié)，汽車機械結(jié)構(gòu)設(shè)計是可以被稱為汽車生產(chǎn)設(shè)計的各環(huán)節(jié)中最基本的一環(huán)節(jié)，這一環(huán)節(jié)與人息息相關(guān)，復(fù)雜且重要是顯而易見的，此外，其也有以人為本的要求被提出。當今社會，計算機產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，計算機技術(shù)也不斷加強，在這種大環(huán)境的熏陶下，汽車的設(shè)計與生產(chǎn)便也與計算機技術(shù)有所融合，這種融合便是數(shù)字人體模型技術(shù)。這種技術(shù)是通過采集人類測量數(shù)據(jù)將人體進行虛擬模擬，之后使用強大的作圖軟件將汽車與人的結(jié)合設(shè)計進行虛擬演練。這樣的新技術(shù)大大提高了設(shè)計質(zhì)量和開發(fā)成本。本文通過對汽車進行各方面研究從而分析汽車機械結(jié)構(gòu)虛擬設(shè)計。

關(guān)鍵詞：汽車、機械結(jié)構(gòu)、數(shù)字化、虛擬設(shè)計

引言：

汽車的設(shè)計和生產(chǎn)十分復(fù)雜，涉及各種領(lǐng)域和多重技術(shù)，并且因為汽車載人的特殊性，其所要滿足的性能要求也十分嚴格，每個工作階段都需要使用各種不同的設(shè)計驗證技術(shù)。然而，現(xiàn)在通過采用計算機新技術(shù)，通過計算機的輔助，只需將整個產(chǎn)品開發(fā)過程和計算機技術(shù)有效結(jié)合便可以達到設(shè)計加速優(yōu)化，成本降低等優(yōu)良效果。

數(shù)字虛擬技術(shù)是一種整合了所有種類的計算機技術(shù)，并為應(yīng)用發(fā)揮所有可能性的技術(shù)。其使產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計能夠以數(shù)字模型的方法在計算機系統(tǒng)中可靠地完成產(chǎn)品設(shè)計和驗證。在汽車的開發(fā)中，虛擬技術(shù)有助于決策者制定初始計劃并跟蹤設(shè)計計劃。它有助于加強不同場所之間的合作，共同解決設(shè)計、生產(chǎn)等多方面技術(shù)問題。在設(shè)計和生產(chǎn)汽車時，汽車都需要通過重重檢測和查驗來證明其設(shè)計的完善和質(zhì)量的優(yōu)良。然而，很多時候設(shè)計師并不能預(yù)料到所有的問題，一旦出現(xiàn)問題便會大大加重成本負擔。為了盡早避免設(shè)計錯誤，該技術(shù)便出現(xiàn)在了汽車的設(shè)計生產(chǎn)中。該技術(shù)可以幫助設(shè)計師模擬出各種狀況并盡快獲取產(chǎn)品信息以進行市場調(diào)查。經(jīng)過產(chǎn)品開發(fā)全過程的數(shù)字虛擬技術(shù)綜合和系統(tǒng)地優(yōu)化產(chǎn)品特性，大幅縮短開發(fā)周期，大幅降低開發(fā)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，最終提高市場企業(yè)的競爭力。

一.汽車機械結(jié)構(gòu)分析

1.1汽車內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

汽車內(nèi)部的機械結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，其要考慮多種因素，自成一套體系，從概念、設(shè)計到驗證，在考慮這方面時設(shè)計師會碰到很多限制與有關(guān)人體工程方面的分析。汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計是一種多維結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程，也是一種連續(xù)迭代地確定優(yōu)化方法的設(shè)計過程。

1.2汽車機械結(jié)構(gòu)的強度及剛度分析

汽車生產(chǎn)時必須要了解其剛度要求才能出產(chǎn)。汽車機械結(jié)構(gòu)設(shè)計符合規(guī)定時，汽車機械結(jié)構(gòu)所用的合規(guī)材料有吸收沖擊力的能力，在變形各階段的初期階段可以吸收沖擊，保護車內(nèi)人們的身體安全。汽車的強度其實也可以認為是其能夠承受負荷的大小為多少，一般來說，機械結(jié)構(gòu)的強度和其工作時應(yīng)力的大小成正比例。在汽車機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計與分析中，剛性是整個設(shè)計中絕對不容忽視的一大問題，如果剛度滿足了要求，那么相對的該車的出產(chǎn)強度也絕對可以達到規(guī)定數(shù)值。我國高強度鋼板的設(shè)計要求通常為強度高、有較高綜合力學(xué)性能，所以其抗拉能力和屈服強度要求可以通過特定的傳統(tǒng)工藝，將普通強度鋼板設(shè)計成高強度鋼板。對于許多先進的高強度鋼板，需要借助于與先進裝置相關(guān)的工藝方法。例如馬氏體鋼、復(fù)相鋼板等。

1.3車型主要結(jié)構(gòu)尺寸分析

整車需要確定結(jié)構(gòu)尺寸的位置有：踏板、轉(zhuǎn)向盤及整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、換擋桿與手剎結(jié)構(gòu)、行李箱結(jié)構(gòu)、座椅、儀表盤、頂蓋、玻璃等。

以上的所有汽車結(jié)構(gòu)的相關(guān)問題都有銘文法規(guī)規(guī)定，在生產(chǎn)汽車時都需根據(jù)規(guī)定進行校核，合格后才可投入生產(chǎn)，例如，安全帶固定位置、儀表盤可視范圍等。在過去，確定這些規(guī)范需要工作人員進行一次次實驗與研究，然而，隨著科技與計算機的不斷發(fā)展，汽車的開發(fā)設(shè)計也與計算機相結(jié)合，在如今，工作人員可以使用CAD等軟件進行三維數(shù)字設(shè)計，在電腦上模擬出虛擬的汽車結(jié)構(gòu)，提前得知設(shè)計是否合理，大大降低了試錯成本和節(jié)省了費用。

二.數(shù)字化三維人體模型

人類是產(chǎn)品生產(chǎn)整個周期的所有階段中最重要的因素。數(shù)字3D人體模型從最初的概念設(shè)計到最終產(chǎn)品驗證都在像人們證明其可以在汽車虛擬設(shè)計和制造的全生命周期中有效地應(yīng)用。

數(shù)字人體模型技術(shù)有助于設(shè)計師確定人體在相應(yīng)工作環(huán)境中的性能，并確定人體的大小/形態(tài)/功能及其位置，以滿足舒適性和安全性的標準。虛擬CAD設(shè)計數(shù)據(jù)可以通過虛擬人體模型完成操作任務(wù)和分析工作。通過3D人體模型，可以使數(shù)字人體和電子樣車對人和車的相關(guān)元件進行模擬分析和驗證操作性、舒適性、可見性等重要設(shè)計要素。在汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，應(yīng)用數(shù)字三維人體模型可以提高設(shè)計效率和質(zhì)量，提高安全性和人體機械工程性能，減少實物樣車的制造、驗證工作和周期。

主要的國際航空公司和其他大飛機和汽車公司都在產(chǎn)品生命周期的各個方面和階段逐漸接受并應(yīng)用了數(shù)字三維人模型。CATIA、EDS和其他大型軟件公司還為用戶啟動了數(shù)字三維人體模塊，并持續(xù)補充和改進數(shù)據(jù)庫。

三.三維人體模型的汽車室內(nèi)數(shù)字化設(shè)計

Catia提供基于人體工程學(xué)的模塊。而且，那個特別能用于在視覺和支配空間設(shè)計領(lǐng)域，基于人體工程學(xué)的設(shè)計很受人們歡迎。其獨特的功能為用戶提供了巨大的幫助，大大減少了設(shè)計者的負荷。

3.1視野設(shè)計

Catia的人體工程學(xué)模塊提供了視野的能力。通過使用這個功能，可以快速檢查汽車內(nèi)部裝修設(shè)計。并且，它可以直觀地反映驅(qū)動程序的視野，讓Catia用戶可以輕松設(shè)置視圖的范圍。在汽車儀表板的視覺檢查領(lǐng)域，根據(jù)人的生理原理可以設(shè)定視野范圍。接下來，使用視野函數(shù)確認視野。同樣，CATN的視野功能也可以用于幫助設(shè)計和檢查視野前方的區(qū)域和盲區(qū)。前視設(shè)計主要考慮交通燈和前方道路對象是否容易觀察。

3.2可操性設(shè)計

在CATIA中，人體模型可以在實際生產(chǎn)中清楚地模擬各種操作狀態(tài)和人的操作姿勢，并幫助用戶設(shè)計各種人體工程參數(shù)。在特定姿勢下，駕駛員的手的擴展和接口的設(shè)計是汽車室內(nèi)裝飾人體工程設(shè)計的重要部分。CATA可以提供上肢可以到達的所有空間位置域。該功能能夠直觀地表示操作面板的各操作按鈕的變速桿等室內(nèi)部件是否在手能到的范圍內(nèi)。

3.3室內(nèi)空間設(shè)計

由于內(nèi)部空間的限制，在設(shè)計過程中需要考慮空間的大小。由于CATA是一個三維軟件平臺，所以人類的活動空間一目了然，其優(yōu)秀的直觀性便在此體現(xiàn)，其還為設(shè)計師的工作帶來了巨大的便利。

四.結(jié)束語

在軟件平臺上構(gòu)建的3D人體模型，與設(shè)計對象的3D模型相互作用，兩者相輔相成，在軟件平臺上實現(xiàn)人類機械系統(tǒng)的直觀顯示，可以使產(chǎn)品設(shè)計更迅速、更可靠。以CATA軟件為例，其介紹了在數(shù)字平臺下建立汽車室內(nèi)人體模型和人體工程設(shè)計的方法。在本文中，人體模型指的是人體測量數(shù)據(jù)的一部分，利用一部分數(shù)據(jù)便可以得出建議的人體模型數(shù)據(jù)，當然，如若擁有更細化的人體測量數(shù)據(jù)那么更能豐富該人體模型。CACA提供的人體工程設(shè)計功能，能為設(shè)計師提供非常有效的幫助，在視野和可操作的內(nèi)部空間設(shè)計中，特別是產(chǎn)品設(shè)計的效率和質(zhì)量可以大大提高，有了這種技術(shù)的幫助，對于今后的一些產(chǎn)品的設(shè)計與生產(chǎn)都有很大的作用。

參考文獻

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[2]張阿玲.一種電動汽車車身、車架結(jié)構(gòu)設(shè)計及其性能優(yōu)化[D].中北大學(xué)，2012