汽車車身開發(fā)中的虛擬制造技術(shù)

0  前言

虛擬制造 ( V irtual M anufacturing, 簡(jiǎn)稱 VM )是一種新的制造技術(shù) , 它以信息技術(shù)、仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為支持 , 對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、加工制造等生產(chǎn)過程進(jìn)行統(tǒng)一建模 , 在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段 , 實(shí)時(shí)地 , 并行地模擬出產(chǎn)品未來制造全過程及其對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的影響 , 預(yù)測(cè)產(chǎn)品性能、產(chǎn)品制造技術(shù)、產(chǎn)品的可制造性 , 從而更有效、更經(jīng)濟(jì)地、柔性靈活地組織生產(chǎn) , 并使新產(chǎn)品開發(fā)一次獲得成功 , 以達(dá)到產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本的最小化 , 產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的最優(yōu)化 ,生產(chǎn)效率的最高化。

1  汽車新車身開發(fā)的特點(diǎn)

A：必要性　為了滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門、各地區(qū)不同層次各種用途的需要 , 以及汽車公司本身生存競(jìng)爭(zhēng)的需要 , 汽車種類型號(hào)需要多樣化、系列化。而汽車整車生產(chǎn)能力的發(fā)展又取決于車身的生產(chǎn)能力 , 同時(shí)汽車的更新?lián)Q代在很大程度上也直觀地體現(xiàn)在車身上。

B：周期長(zhǎng)　新產(chǎn)品開發(fā)是按規(guī)劃、車型設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)、工藝規(guī)劃與生產(chǎn)準(zhǔn)備和生產(chǎn)的順序進(jìn)行的 , 設(shè)計(jì)的初期并不能全面地考慮產(chǎn)品在制造過程中存在的缺陷 , 會(huì)造成從方案設(shè)計(jì)到設(shè)計(jì)修改的大循環(huán) , 某些環(huán)節(jié)還可能出現(xiàn)重復(fù)循環(huán) , 因此從規(guī)劃到樣車的制造與實(shí)驗(yàn) , 最后到產(chǎn)品的形成周期很長(zhǎng)。

C：費(fèi)用高　新車身的開發(fā)周期長(zhǎng) , 投入的人力和物力很大 , 重復(fù)和無(wú)效投入比較高 , 需要大量的樣車制造與實(shí)驗(yàn)費(fèi)用。

2  虛擬制造技術(shù)在汽車新車身開發(fā)中的應(yīng)用

鑒于新車身開發(fā)的特點(diǎn)和開發(fā)過程中存在的問題，國(guó)際上福特、通用等著名汽車公司早已從經(jīng)驗(yàn)、類別、靜態(tài)設(shè)計(jì)，過渡到建模、虛擬裝配、虛擬運(yùn)動(dòng)仿真、分析優(yōu)化設(shè)計(jì)，這樣可以提高新車身開發(fā)質(zhì)量，減少大量樣車實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，而且應(yīng)用并行工程大大縮短新車身開發(fā)周期，適應(yīng)了快速變化的市場(chǎng)需求。 

3  維特征造型設(shè)計(jì)以及特殊建模方法的研究

車身大部分零件是由若干個(gè)不同曲率半徑的曲面光滑擬合和一些復(fù)雜的小特征組合而成 , 單純用畫法幾何和機(jī)械制圖方法是無(wú)法準(zhǔn)確表達(dá)的 , 實(shí)現(xiàn)起來也有一定的難度 , 必須進(jìn)行 3 維特征造型設(shè)計(jì)。

對(duì)于車身骨架類零件和部分內(nèi)覆蓋件 , 使用最常用的造型設(shè)計(jì)方法 ( 如下 ) 即可。

A：建立合理的建模順序。有些零件看上去相當(dāng)復(fù)雜 , 造型時(shí)往往感到無(wú)從下手 , 但是 , 只要能合理地對(duì)零件進(jìn)行分解，識(shí)別和確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的主要特征，分清哪些是基體，哪些是輔助體 ; 哪些是基本面( 如配合面、保持零件外形輪廓的曲面等)，哪些是過渡面 ( 如倒圓、倒角、翻邊等)，然后從基體入手 , 保證重點(diǎn) , 產(chǎn)生一個(gè)合理的造型“毛坯” , 最后在“毛坯”上完成細(xì)節(jié)部分的設(shè)計(jì)。

B：基體“毛坯”的生成。通過仔細(xì)分析零件和“毛坯”的空間結(jié)構(gòu) , 不難發(fā)現(xiàn)由一些空間特征曲線構(gòu)成了“毛坯”的骨架 , 這些空間曲線的數(shù)量和準(zhǔn)確性直接影響“毛坯”生成的質(zhì)量 , 它們的生成主要通過 2維平面曲線向空間交合 ( 如 PRO ? E 中的 Two Pro 2jections ) 。有了特征曲線 , 就有了“毛坯”的骨架 , 再通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、拼接等方法就能建立一個(gè)合理的“毛坯”。

C：完成細(xì)節(jié)部分的設(shè)計(jì)。有了基體“毛坯” , 就可以動(dòng)用實(shí)體間的布爾“加、差、交”運(yùn)算 , 在實(shí)體之間合并、挖除、相交成型 , 也可以使用面片體作為“工具”將“毛坯”實(shí)體剪切、去除 , 以獲得實(shí)體完整的外觀形狀。對(duì)于車身外覆蓋件和部分內(nèi)覆蓋件 , 都以大型曲面為主 , 構(gòu)成車身外形 , 要求光順、曲面過渡部分圓滑、各部件相互吻合良好。

D：控制線的生成。曲面的品質(zhì)與生成它的曲線即控制線有密切關(guān)系 , 要得到光順的曲面 , 首先要有光順的控制線。建立曲線時(shí) , 可利用投影、插補(bǔ)、光順等手段生成樣條曲線 , 然后通過其“曲率梳”的顯示來調(diào)整曲線段迭代次數(shù)、函數(shù)次數(shù)、起點(diǎn)與終點(diǎn)結(jié)束條件、曲線的段數(shù)量等 , 交互地實(shí)現(xiàn)曲線的修改 , 達(dá)到曲線的光順。

E：曲面的生成與連接。對(duì)于形狀復(fù)雜、變形較大的曲面 , 大多將其劃分為多個(gè)區(qū)域來構(gòu)造幾張曲面 ,然后將其縫合。在曲面片之間實(shí)現(xiàn)光滑連接時(shí) , 應(yīng)保證各連接面間具有公共邊 , 特別是各曲面片的控制線連接要光順。

F：曲面的光順。曲面的光順性可通過等高斯曲率線的形狀與分布、彩色光柵圖象的明暗區(qū)域及變化來判斷 , 也可通過透明度、反光度、合適位置的光源等處理手段來渲染產(chǎn)生高清晰度的逼真性和觀察性良好的彩色圖象 , 以及處理后的圖象光亮度和分布規(guī)律來判斷 , 圖象明暗度變化比較均勻的 , 則曲面光順性好 , 反之為光順性差。

2.2 　虛擬裝配、虛擬運(yùn)動(dòng)仿真

虛擬車身裝配是在計(jì)算機(jī)上建立起如同真實(shí)汽車的可視化的數(shù)字模擬 , 即虛擬樣車 , 然后在虛擬環(huán)境下對(duì)零件裝配情況進(jìn)行干涉檢查 , 可以方便地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)上的錯(cuò)誤 , 從而將其消除掉 , 減少設(shè)計(jì)變更、錯(cuò)誤和返工 , 提高了設(shè)計(jì)效率 , 并降低修正錯(cuò)誤的費(fèi)用。

汽車車身虛擬裝配有二種裝配模式 : 自頂向下式和自底向上式 , 根據(jù)設(shè)計(jì)方式的不同可分別選用不同的虛擬裝配建模方法。

用于概念設(shè)計(jì)的自頂向下式。車身結(jié)構(gòu)復(fù)雜 , 外覆蓋件由復(fù)雜的自由曲面構(gòu)成 , 內(nèi)覆蓋件及內(nèi)部零件的尺寸及外形很大程度上依賴于車身外覆蓋件。我們可在虛擬裝配環(huán)境下 , 首先對(duì)整車外形進(jìn)行設(shè)計(jì) , 確定外形后 , 再確定內(nèi)部的零部件組成和裝配結(jié)構(gòu) , 并同時(shí)由外向內(nèi)將約束尺寸、裝配關(guān)系分發(fā)到與其相關(guān)的各個(gè)零部件中 , 再對(duì)各個(gè)零部件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

用于車身逆向造型設(shè)計(jì)的自底向上式。利用逆向造型技術(shù)對(duì)每個(gè)零部件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì) , 然后采用特征配合、對(duì)齊和定向的方式進(jìn)行裝配 , 或者采用零件空間絕對(duì)坐標(biāo)的方式進(jìn)行裝配。通過特征配合 , 裝配的零件具有嚴(yán)格的父子依賴關(guān)系 , 并且相互配合間的零件間的約束關(guān)系始終保存 , 即使是對(duì)某個(gè)零件作了變更或修改 , 而利用零件的空間絕對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行的裝配卻不存在這個(gè)問題 , 不過它們都適用于發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、緊湊、零件之間容易發(fā)生干涉、對(duì)動(dòng)作可靠性和準(zhǔn)確性要求高的零部件。

虛擬裝配可解決零件間靜態(tài)干涉的問題 , 也可以把裝配圖以爆炸視圖的形式表示 , 來方便設(shè)計(jì)開發(fā)人員進(jìn)行研究、新產(chǎn)品的宣傳介紹和裝配工人進(jìn)行裝配。但對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)這類具有運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的零部件 , 還不能確保運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是否合理、各相關(guān)零件的動(dòng)作是否協(xié)調(diào)、運(yùn)動(dòng)過程是否有干涉等 , 這時(shí)就需要采用虛擬運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)。

虛擬運(yùn)動(dòng)仿真可以使“虛擬樣車”在屏幕上按設(shè)計(jì)的功能進(jìn)行運(yùn)動(dòng) , 如發(fā)動(dòng)機(jī)的變速箱運(yùn)動(dòng)、傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)、剎車系統(tǒng)的剎車過程等 , 設(shè)計(jì)人員通過觀察整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程 , 能夠方便直觀地檢查出機(jī)構(gòu)間的動(dòng)態(tài)干涉問題 , 得到指定構(gòu)件或指定點(diǎn)的位移、速度、加速度的連續(xù)變化的數(shù)據(jù)以及相關(guān)圖形 , 最終可以準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)機(jī)構(gòu)可能出現(xiàn)的問題 , 為改進(jìn)設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的依據(jù)。

2 .3 　分析優(yōu)化

優(yōu)化設(shè)計(jì)是在計(jì)算機(jī)工作平臺(tái)上建立正確的有限元模型 , 對(duì)車身參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改 , 直到滿足選定的優(yōu)化條件。車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是取得高質(zhì)量車身結(jié)構(gòu)的必經(jīng)之路 , 它可以得到良好的車身結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性 , 很好地解決車身開裂、乘員舒適、車身結(jié)構(gòu)輕巧耐用等問題 , 從而節(jié)省大量樣車試制費(fèi)用 , 大大縮短設(shè)計(jì)周期。其基本思路和做法為：

A：可通過兩種方式建立有限元?jiǎng)恿W(xué)模型 , 一是直接應(yīng)用有限元軟件 ( 如 AN SYS ) 對(duì)車身進(jìn)行有限元建模 , 二是通過轉(zhuǎn)化已存在的車身結(jié)構(gòu)的 3 維CAD 圖 , 生成有限元?jiǎng)恿W(xué)模型 ;

B：通過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和反復(fù)的模型修正 , 最終得到與實(shí)驗(yàn)相吻合的有限元模型 , 這一步相當(dāng)重要 ;

C：用結(jié)構(gòu)分析軟件 , 計(jì)算汽車車身、車架在各種工況下的靜態(tài)強(qiáng)度、剛度和固有頻率及振型 , 對(duì)改進(jìn)設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的理論依據(jù) ;

D：在各種模擬路況 ( 如緊急制動(dòng)、急轉(zhuǎn)彎、前后輪過障礙等 ) 和約束條件 ( 如超載等 ) 下作動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析 ;

E：對(duì)整車或分總成進(jìn)行靜應(yīng)力或集中質(zhì)量的靈敏度分析及優(yōu)化 ;

F：以車身的固有頻率的范圍、振型形狀或某些局部點(diǎn) ( 范圍 ) 的動(dòng)力響應(yīng)的大小作為目標(biāo)函數(shù)或約束條件 , 構(gòu)造一個(gè)合適的優(yōu)化算法 , 以最少的分析次數(shù)得到局部或全局的最優(yōu)解 ;

G：將 CA E 分析的結(jié)果和修改信息反饋給 CAD圖形 , 修改得到新的 CAD 模型 , 以達(dá)到 CAD 和CAE 的信息集成。

2. 4 　虛擬加工仿真

虛擬加工仿真是在計(jì)算機(jī)中虛構(gòu)出數(shù)控機(jī)床的加工環(huán)境（如 Pro ? M anufacturing 中的動(dòng)態(tài)仿真），放上一個(gè)預(yù)先設(shè)計(jì)好的毛坯 , 讓刀具進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬仿真 , 其情形就像真實(shí)加工一樣。通過加工仿真 , 設(shè)計(jì)人員和數(shù)控編程人員可以進(jìn)行如下工作 :

A：驗(yàn)證工藝規(guī)程得到的刀具軌跡的正確性。采用工件的實(shí)體模型和機(jī)床模型來模擬加工過程，刀具沿設(shè)計(jì)好的軌跡切除工件上的材料，由此 ，可以很容易地檢查到刀具運(yùn)動(dòng)軌跡不合理的地方，如與機(jī)床、夾具和工件發(fā)生干涉，并加以改進(jìn)。

B：驗(yàn)證工藝規(guī)程中確定的切削參數(shù)是否合理可行 , 預(yù)測(cè)所選擇的切削參數(shù)是否會(huì)導(dǎo)致一些不希望的結(jié)果出現(xiàn) , 如顫震、表面粗糙度差、尺寸超差、刀具過度磨損等。例如較大的切深可能導(dǎo)致機(jī)床顫震并由此損壞工件、刀具、甚至機(jī)床本身。不合理的切削速度可導(dǎo)致表面粗糙度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

C：虛擬加工也能準(zhǔn)確評(píng)估一個(gè)工藝規(guī)程的優(yōu)劣 , 而且基于該評(píng)估 , 可以確定合適的加工條件以改進(jìn)甚至優(yōu)化工藝規(guī)程。利用虛擬加工 , 可以改進(jìn)對(duì)加工時(shí)間和加工成本的估算精度。

3  結(jié)束語(yǔ)

總的來說 , 進(jìn)入 90 年代 , 虛擬技術(shù)的迅猛發(fā)展為汽車工業(yè)的進(jìn)步注入了極大的活力 , 使得過去要36 個(gè)月才能完成的一個(gè)車型開發(fā)周期縮短為 18 個(gè)月 , 效率大幅提高。虛擬制造技術(shù)為提高企業(yè)的產(chǎn)品自主開發(fā)能力和增強(qiáng)其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力起到了至關(guān)重要的作用。