汽车车身开发中的虚拟制造技术

0  前言

虚拟制造 ( V irtual M anufacturing, 简称 VM )是一种新的制造技术 , 它以信息技术、仿真技术、虚拟现实技术为支持 , 对产品设计、工艺规划、加工制造等生产过程进行统一建模 , 在产品设计阶段 , 实时地 , 并行地模拟出产品未来制造全过程及其对产品设计的影响 , 预测产品性能、产品制造技术、产品的可制造性 , 从而更有效、更经济地、柔性灵活地组织生产 , 并使新产品开发一次获得成功 , 以达到产品的开发周期和成本的最小化 , 产品设计质量的最优化 ,生产效率的最高化。

1  汽车新车身开发的特点

A：必要性　为了满足国民经济各部门、各地区不同层次各种用途的需要 , 以及汽车公司本身生存竞争的需要 , 汽车种类型号需要多样化、系列化。而汽车整车生产能力的发展又取决于车身的生产能力 , 同时汽车的更新换代在很大程度上也直观地体现在车身上。

B：周期长　新产品开发是按规划、车型设计、详细设计、评价、工艺规划与生产准备和生产的顺序进行的 , 设计的初期并不能全面地考虑产品在制造过程中存在的缺陷 , 会造成从方案设计到设计修改的大循环 , 某些环节还可能出现重复循环 , 因此从规划到样车的制造与实验 , 最后到产品的形成周期很长。

C：费用高　新车身的开发周期长 , 投入的人力和物力很大 , 重复和无效投入比较高 , 需要大量的样车制造与实验费用。

2  虚拟制造技术在汽车新车身开发中的应用

鉴于新车身开发的特点和开发过程中存在的问题，国际上福特、通用等著名汽车公司早已从经验、类别、静态设计，过渡到建模、虚拟装配、虚拟运动仿真、分析优化设计，这样可以提高新车身开发质量，减少大量样车实验费用，而且应用并行工程大大缩短新车身开发周期，适应了快速变化的市场需求。 

3  维特征造型设计以及特殊建模方法的研究

车身大部分零件是由若干个不同曲率半径的曲面光滑拟合和一些复杂的小特征组合而成 , 单纯用画法几何和机械制图方法是无法准确表达的 , 实现起来也有一定的难度 , 必须进行 3 维特征造型设计。

对于车身骨架类零件和部分内覆盖件 , 使用最常用的造型设计方法 ( 如下 ) 即可。

A：建立合理的建模顺序。有些零件看上去相当复杂 , 造型时往往感到无从下手 , 但是 , 只要能合理地对零件进行分解，识别和确定产品结构的主要特征，分清哪些是基体，哪些是辅助体 ; 哪些是基本面( 如配合面、保持零件外形轮廓的曲面等)，哪些是过渡面 ( 如倒圆、倒角、翻边等)，然后从基体入手 , 保证重点 , 产生一个合理的造型“毛坯” , 最后在“毛坯”上完成细节部分的设计。

B：基体“毛坯”的生成。通过仔细分析零件和“毛坯”的空间结构 , 不难发现由一些空间特征曲线构成了“毛坯”的骨架 , 这些空间曲线的数量和准确性直接影响“毛坯”生成的质量 , 它们的生成主要通过 2维平面曲线向空间交合 ( 如 PRO ? E 中的 Two Pro 2jections ) 。有了特征曲线 , 就有了“毛坯”的骨架 , 再通过拉伸、旋转、扫描、拼接等方法就能建立一个合理的“毛坯”。

C：完成细节部分的设计。有了基体“毛坯” , 就可以动用实体间的布尔“加、差、交”运算 , 在实体之间合并、挖除、相交成型 , 也可以使用面片体作为“工具”将“毛坯”实体剪切、去除 , 以获得实体完整的外观形状。对于车身外覆盖件和部分内覆盖件 , 都以大型曲面为主 , 构成车身外形 , 要求光顺、曲面过渡部分圆滑、各部件相互吻合良好。

D：控制线的生成。曲面的品质与生成它的曲线即控制线有密切关系 , 要得到光顺的曲面 , 首先要有光顺的控制线。建立曲线时 , 可利用投影、插补、光顺等手段生成样条曲线 , 然后通过其“曲率梳”的显示来调整曲线段迭代次数、函数次数、起点与终点结束条件、曲线的段数量等 , 交互地实现曲线的修改 , 达到曲线的光顺。

E：曲面的生成与连接。对于形状复杂、变形较大的曲面 , 大多将其划分为多个区域来构造几张曲面 ,然后将其缝合。在曲面片之间实现光滑连接时 , 应保证各连接面间具有公共边 , 特别是各曲面片的控制线连接要光顺。

F：曲面的光顺。曲面的光顺性可通过等高斯曲率线的形状与分布、彩色光栅图象的明暗区域及变化来判断 , 也可通过透明度、反光度、合适位置的光源等处理手段来渲染产生高清晰度的逼真性和观察性良好的彩色图象 , 以及处理后的图象光亮度和分布规律来判断 , 图象明暗度变化比较均匀的 , 则曲面光顺性好 , 反之为光顺性差。

2.2 　虚拟装配、虚拟运动仿真

虚拟车身装配是在计算机上建立起如同真实汽车的可视化的数字模拟 , 即虚拟样车 , 然后在虚拟环境下对零件装配情况进行干涉检查 , 可以方便地发现设计上的错误 , 从而将其消除掉 , 减少设计变更、错误和返工 , 提高了设计效率 , 并降低修正错误的费用。

汽车车身虚拟装配有二种装配模式 : 自顶向下式和自底向上式 , 根据设计方式的不同可分别选用不同的虚拟装配建模方法。

用于概念设计的自顶向下式。车身结构复杂 , 外覆盖件由复杂的自由曲面构成 , 内覆盖件及内部零件的尺寸及外形很大程度上依赖于车身外覆盖件。我们可在虚拟装配环境下 , 首先对整车外形进行设计 , 确定外形后 , 再确定内部的零部件组成和装配结构 , 并同时由外向内将约束尺寸、装配关系分发到与其相关的各个零部件中 , 再对各个零部件进行详细设计。

用于车身逆向造型设计的自底向上式。利用逆向造型技术对每个零部件进行详细设计 , 然后采用特征配合、对齐和定向的方式进行装配 , 或者采用零件空间绝对坐标的方式进行装配。通过特征配合 , 装配的零件具有严格的父子依赖关系 , 并且相互配合间的零件间的约束关系始终保存 , 即使是对某个零件作了变更或修改 , 而利用零件的空间绝对坐标进行的装配却不存在这个问题 , 不过它们都适用于发动机、传动系统这种结构复杂、紧凑、零件之间容易发生干涉、对动作可靠性和准确性要求高的零部件。

虚拟装配可解决零件间静态干涉的问题 , 也可以把装配图以爆炸视图的形式表示 , 来方便设计开发人员进行研究、新产品的宣传介绍和装配工人进行装配。但对于发动机、传动系统、刹车系统这类具有运动机构的零部件 , 还不能确保运动机构的设计是否合理、各相关零件的动作是否协调、运动过程是否有干涉等 , 这时就需要采用虚拟运动仿真技术。

虚拟运动仿真可以使“虚拟样车”在屏幕上按设计的功能进行运动 , 如发动机的变速箱运动、传动轴的转动、刹车系统的刹车过程等 , 设计人员通过观察整个运动过程 , 能够方便直观地检查出机构间的动态干涉问题 , 得到指定构件或指定点的位移、速度、加速度的连续变化的数据以及相关图形 , 最终可以准确的预测机构可能出现的问题 , 为改进设计提供准确的依据。

2 .3 　分析优化

优化设计是在计算机工作平台上建立正确的有限元模型 , 对车身参数进行优化和对车身结构进行修改 , 直到满足选定的优化条件。车身结构优化设计是取得高质量车身结构的必经之路 , 它可以得到良好的车身结构动态特性 , 很好地解决车身开裂、乘员舒适、车身结构轻巧耐用等问题 , 从而节省大量样车试制费用 , 大大缩短设计周期。其基本思路和做法为：

A：可通过两种方式建立有限元动力学模型 , 一是直接应用有限元软件 ( 如 AN SYS ) 对车身进行有限元建模 , 二是通过转化已存在的车身结构的 3 维CAD 图 , 生成有限元动力学模型 ;

B：通过大量实验验证和反复的模型修正 , 最终得到与实验相吻合的有限元模型 , 这一步相当重要 ;

C：用结构分析软件 , 计算汽车车身、车架在各种工况下的静态强度、刚度和固有频率及振型 , 对改进设计提供有价值的理论依据 ;

D：在各种模拟路况 ( 如紧急制动、急转弯、前后轮过障碍等 ) 和约束条件 ( 如超载等 ) 下作动态响应分析 ;

E：对整车或分总成进行静应力或集中质量的灵敏度分析及优化 ;

F：以车身的固有频率的范围、振型形状或某些局部点 ( 范围 ) 的动力响应的大小作为目标函数或约束条件 , 构造一个合适的优化算法 , 以最少的分析次数得到局部或全局的最优解 ;

G：将 CA E 分析的结果和修改信息反馈给 CAD图形 , 修改得到新的 CAD 模型 , 以达到 CAD 和CAE 的信息集成。

2. 4 　虚拟加工仿真

虚拟加工仿真是在计算机中虚构出数控机床的加工环境（如 Pro ? M anufacturing 中的动态仿真），放上一个预先设计好的毛坯 , 让刀具进行动态模拟仿真 , 其情形就像真实加工一样。通过加工仿真 , 设计人员和数控编程人员可以进行如下工作 :

A：验证工艺规程得到的刀具轨迹的正确性。采用工件的实体模型和机床模型来模拟加工过程，刀具沿设计好的轨迹切除工件上的材料，由此 ，可以很容易地检查到刀具运动轨迹不合理的地方，如与机床、夹具和工件发生干涉，并加以改进。

B：验证工艺规程中确定的切削参数是否合理可行 , 预测所选择的切削参数是否会导致一些不希望的结果出现 , 如颤震、表面粗糙度差、尺寸超差、刀具过度磨损等。例如较大的切深可能导致机床颤震并由此损坏工件、刀具、甚至机床本身。不合理的切削速度可导致表面粗糙度达不到设计要求。

C：虚拟加工也能准确评估一个工艺规程的优劣 , 而且基于该评估 , 可以确定合适的加工条件以改进甚至优化工艺规程。利用虚拟加工 , 可以改进对加工时间和加工成本的估算精度。

3  结束语

总的来说 , 进入 90 年代 , 虚拟技术的迅猛发展为汽车工业的进步注入了极大的活力 , 使得过去要36 个月才能完成的一个车型开发周期缩短为 18 个月 , 效率大幅提高。虚拟制造技术为提高企业的产品自主开发能力和增强其市场竞争力起到了至关重要的作用。