汽車CAD技術發(fā)展概述

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1、汽車CAD技術發(fā)展概述 發(fā)布日期：2005-9-4?7:50:57 北京航空航天大學?陳南飛 出處： 隨著計算機技術的飛速發(fā)展，CAD已經廣泛用于各個社會生產領域，特別是對于生產復雜產品如飛機、汽車、家電等制造業(yè)尤為重要。汽車是一件復雜的產品，其開發(fā)流程涉及到極大的工作量，借助于先進的CAD技術，能降低開發(fā)人員的工作量并提高產品質量。本文將根據(jù)模具設計、車身設計、底盤布置設計、汽車輕量化等方面來闡述CAD技術的應用狀況及其發(fā)展前景。 ??? 1、 前言 ??? 1963年，麻省理工學院的研究小組在美國計算機聯(lián)合會會議上發(fā)表了關于計算機輔助設計的論文，開始了計算機輔助

2、設計技術的發(fā)展歷程，時至今日，CAD技術已經歷了40多年的發(fā)展日趨成熟， ??? CAD技術從出現(xiàn)到現(xiàn)在大致經歷了三個歷史階段。 ??? （一）二維繪圖階段，主要是在計算機上表達二維幾何圖素，并且圖素之間缺乏聯(lián)系，很難保持各階段設計的一致性。因此，此時的CAD僅僅是手工繪圖板的替代工具。另外，在硬件支持系統(tǒng)的價格昂貴，限制了CAD的應用。 ??? （二）第二代CAD軟件在二維造型基礎上引入三維造型，但也只是極為簡單的線框模型。這種初期的線框造型系統(tǒng)只能表達基本的幾何信息，不具備表達幾何數(shù)據(jù)間拓撲關系的能力，實體拓撲信息以及形體表面信息的缺失使得CAM及CAE均無法實現(xiàn)。 ??? （三

3、）在三維造型階段，幾何造型技術經歷了三次技術革命。由于線框系統(tǒng)已經不能滿足人們的實際需求，法國的達索飛機制造公司的開發(fā)者們，在二維繪圖系統(tǒng)CADAM的基礎上，開發(fā)出以表面模型為特點的自由曲面建模方法，推出了三維曲面造型系統(tǒng)CATIA。它的出現(xiàn)為人類帶來了第一次CAD技術革命。 ??? 實體造型技術能夠準確表達零件的大部分屬性（至少還不能表達零件的材料信息），從CAD系統(tǒng)獲得的設計數(shù)據(jù)可以用于CAM、CAE等系統(tǒng)，給設計、分析、制造帶來了加大的便利。可以說，實體造型技術的普及和應用是CAD發(fā)展史上的第二次技術革命。 ??? 創(chuàng)建PTC公司(即參數(shù)技術公司)的技術精英們，開始研制名為Pro/E

4、的參數(shù)化軟件，第一次實現(xiàn)了尺寸驅動零件設計修改。到了90年代，參數(shù)化技術開始逐步走向成熟，充分體現(xiàn)出其在許多通用件、零部件設計上簡便易行的優(yōu)勢。可以認為，參數(shù)化技術的應用主導了CAD發(fā)展史上的第三次技術革命。 ?? ??? 但是參數(shù)化技術并沒有完全解決所有問題。例如，全尺寸約束這一硬性規(guī)定就干擾和制約著設計者創(chuàng)造力及想象力的發(fā)揮，而變量化技術既保持了參數(shù)化技術的原有的優(yōu)點，同時又克服了它的許多不利之處。它的成功應用，為CAD技術的發(fā)展提供了更大的空間和機遇，驅動了CAD發(fā)展的第四次技術革命。 ??? 總的說來，現(xiàn)如今的CAD系統(tǒng)采用了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結構和公用數(shù)據(jù)庫，采用實體造型技術、參數(shù)化

5、技術和特征造型技術，給設計人員帶來了前所未有的便利。 ??? 2、 CAD技術對汽車企業(yè)的重要性 ??? 汽車行業(yè)是CAD技術最先應用的領域之一，國外一些著名的汽車公司很早就自行開發(fā)CAD軟件。到現(xiàn)在，CAD技術幾乎被所有汽車公司所采用，可以說CAD技術（包括計算機輔助制造、計算機輔助工程分析）的應用水平，已經成為評價一個國家汽車工業(yè)水平的重要指標。在我國，汽車企業(yè)一直都作為國家和地方的利稅大戶，同時也是CAD技術應用的先鋒。CAD技術在企業(yè)中的成功應用，不僅帶來了企業(yè)技術上的創(chuàng)新，同時帶動了企業(yè)經營、管理舊模式的變革。因此，它對我國傳統(tǒng)產業(yè)的改造、新技術的興起，以及汽車工業(yè)提高國際競爭力

6、等方面，起到了巨大的推動作用。 ??? 傳統(tǒng)的汽車車身設計方法的整個過程是基于手工設計完成的，其特點是整個過程是通過實物、模型、圖紙、樣板等來傳遞信息。隨著計算機技術的發(fā)展，計算機逐步代替人腦承擔起復雜的計算和分析，同時引進CAD等現(xiàn)代設計方法，幫助工程師們拋掉傳統(tǒng)的手工方式，既方便設計，又能改善設計質量，縮短設計周期。因此，國外著名汽車公司都不惜花巨資實施CAD技術，一方面加快新車型上市的速度滿足復雜多變的市場需求，另一方面節(jié)省開發(fā)成本，向消費者提供物美價廉、物超所值的產品，從而提高自身市場競爭力。 ??? CAD技術對于中國汽車企業(yè)的重要性是不言而喻的。盡管在2002年，中國汽車行業(yè)發(fā)

7、生“井噴”，一時間汽車成為和 、房子一樣炙手可熱的商品，中國汽車業(yè)就此迎來了發(fā)展的大好時機。同時，國外汽車企業(yè)看到了中國廣闊的汽車市場，紛紛在華投資建廠，而國內的汽車公司趁機和國外公司合資，以為可以借助外國公司先進的技術來提高自身的研發(fā)能力，可實際上事與愿違。外國公司并不愿意把先進的技術介紹給中國的公司，中國公司始終充當著OEM的角色，僅僅是外國公司在中國的制造基地，汽車研發(fā)水平仍難有所提高。 ??? 在2006年，國家將按照對WTO的承諾取消汽車進口配額。步入21世紀的中國汽車工業(yè)將受到來自跨國汽車公司的巨大生存壓力，以及數(shù)字化和產品、技術不斷創(chuàng)新的嚴峻挑戰(zhàn)。因此，全面應用CAD技術是

8、中國汽車工業(yè)發(fā)展過程中的必由之路，應納入到各個汽車企業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略中。? ??? 3、 CAD技術在汽車工程領域的應用狀況 ??? 美國福特汽車公司在上世紀80年代初就開始CAD系統(tǒng)的規(guī)劃與實施，到了1985年有一半以上的產品設計工作在圖形終端上實現(xiàn)，至90年代初其產品開發(fā)全面采用CAD。早期的CAD系統(tǒng)已自行開發(fā)的PDGS和CAD為主，后來逐步過渡到以I-DEAS為其核心主流軟件。 ??? 在CAD技術發(fā)展初期，美國通用公司就自主研發(fā)以設計車身為目標的 DAC—1系統(tǒng)，來分析和綜合車身的三維曲線設計。到上世紀90年代初，美國通用汽車公司選中UG作為全公司的 CAD/CAE/CAM/CI

9、M主導系統(tǒng)。經過不斷的發(fā)展，公司已100%采用CAD來進行設計制造，并取消了中間過程，使計算機與制造終端直接相連，最終實現(xiàn)了系統(tǒng)網絡化。 ??? 我國從上世紀70年代開始研究和推廣CAD，使得CAD技術在國內得到了廣泛的應用，并從中取得了不錯的經濟回報。到目前為止，國內大型制造型企業(yè)如汽車企業(yè)已普遍實施了CAD系統(tǒng)，取代手工作業(yè)，一些大型汽車企業(yè)的CAD應用水平也接近國際先進水平。但由于我國CAD軟件自主研發(fā)術水平與發(fā)達國家之間存在巨大的差距，國內一些研究機構和公司推出的CAD系列軟件得不到更廣泛的應用，市場占有率低，尤其在CAD系統(tǒng)集成方面還是剛剛起步。隨著我國市場化程度的加深，市場競爭的

10、加劇，迫使汽車企業(yè)必須改變傳統(tǒng)的設計、制造、管理、銷售模式，來提升企業(yè)競爭力和市場應變能力。可以說，實施CAD系統(tǒng)是最有效的方式之一。? ? ??? 3.1? 汽車模具CAD技術 ??? 模具是能生產出具有一定形狀和尺寸要求的零件的一種生產工具，也就是通常人們所說的模子。模具生產具有高效、節(jié)材、成本低、保證質量等一系列優(yōu)點。 ??? 在60年代初期，國外一些汽車制造公司就開始了模具CAD的研究。例如DIECOMP公司研制成功的模具CAD系統(tǒng)，使整個生產準備周期由18周縮短為6周。目前我國已有許多企業(yè)采用模具CAD技術，取得了豐富的經驗和技巧，使模具精度和生產率大為提高，但是由于多方面

11、的原因，盡管有些企業(yè)已經實現(xiàn)了無圖紙設計，其模具CAD工作大多局限于計算機畫圖（Computer Aided Draft）和二維設計，只有個別企業(yè)的汽車模具設計和制造能力接近國際先進水平。此外，國內也出現(xiàn)了一些擁有自主版權的軟件，如北京航空航天大學華正模具研究所開發(fā)的CAD系統(tǒng)CAXA等，解決了生產中的一些問題，但還沒有得到很好的推廣和使用。 ??? 我國在對汽車新車型的開發(fā)上遠遠落后發(fā)達國家，其中一個重要原因就是覆蓋件模具的設計效率低。國內傳統(tǒng)的模具設計方法已不能適應汽車工業(yè)的發(fā)展需要，而引進國外的覆蓋件模具產品花費過高，而且會嚴重阻礙汽車產品的更新?lián)Q代。要解決上述問題，就必須研究開發(fā)我國

12、自己的模具CAD技術，同時在國外先進的通用造型軟件基礎上進行二次開發(fā)無疑是一種必要而又有效的手段。 ??? 模具結構設計一般可分為二維設計和三維設計兩種，兩種方法各有其優(yōu)、缺點。計算機二維設計優(yōu)點是設計速度快、占用計算機內存小、對計算機硬件配置要求不高，使用成本低廉；缺點是設計錯誤不易被發(fā)現(xiàn)，不能直接用于分析和加工。而三維設計可實現(xiàn)參數(shù)化、基于特征、全相關等，使得產品在設計階段易于修改，同時也使得并行工程成為可能。另外，三維設計形象、直觀，設計結構是否合理使人一目了然，但三維設計會導致計算機運算速度低、軟件占用硬盤和內存的空間大、設計速度慢等。 ??? 國外汽車覆蓋件模具CAD技術的發(fā)展已

13、進入實質性的應用階段，不僅全面提高了模具設計的質量，而且大大縮短了模具的生產周期。近些年來，我國在汽車覆蓋件模具CAD技術的應用方面也取得了顯著的進步，但目前依然存在著一些問題，如設計效率低、標準化程度低、專用性差、開發(fā)手段落后、用戶界面不能滿足要求等，針對此，模具CAD技術主要向參數(shù)化、智能化、集成化、專業(yè)化等方面發(fā)展。 ??? 3.2? 汽車車身CAD技術 ??? 車身是汽車的一個非常重要的總成，占汽車車身質量和造價的40%—60%，其設計的好壞直接影響著汽車的使用性能。車身又決定了汽車外形的美觀程度，而汽車外形是消費者在購車時首先考慮的因素，對影響消費者的決策起著關鍵性的作用。同時車

14、身還必須有足夠的強度和靜剛度、良好的動力學性能指標，達到保證成員安全和汽車壽命，抗振抗噪，節(jié)約能源等目標。 ??? 車身CAD技術以三維造型為基礎。在傳統(tǒng)的設計中，由于缺乏有效的輔助工具，開發(fā)人員常常以二維為基礎進行構思，然后擴張到三維。CAD技術在車身開發(fā)中的應用，使原來的舊模式有了徹底的改觀。設計人員通過與CAD系統(tǒng)的交互，將自己腦中的概念模式轉化為清晰的視覺模式——幾何實體，易于優(yōu)化和改進，提高了工作效率和設計質量。 ??? 車身CAD技術面向制造和裝配。能熟練使用CAD進行產品設計的開發(fā)人員，主要集中于產品的數(shù)學建模，缺乏對制造技術的了解，而未考慮設計產生的數(shù)據(jù)對后續(xù)加工的影響。為

15、了精確加工產品，CAD系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)應該面向制造，保證其完整性和一致性，直接作為數(shù)控機床的輸入數(shù)據(jù)。 ??? 車身CAD技術基于PDM。在車身部件的開發(fā)中，可能會有多個車型設計要交替進行，產生多種數(shù)據(jù)版本，因此引入產品數(shù)據(jù)管理技術，建立統(tǒng)一的CAD工程數(shù)據(jù)庫，消除車身開發(fā)中各部分內部信息和數(shù)據(jù)間的矛盾和數(shù)據(jù)冗余，從而保證開發(fā)過程順利進行。 ??? 基于PDM的車身CAD集成系統(tǒng)結構由用戶層、應用層、系統(tǒng)層、PDM系統(tǒng)集成層、異構環(huán)境處理層組成。其中用戶層由處在集成環(huán)境中各人員組成包括設計人員、工藝人員、制造人員等。應用層由CAX系統(tǒng)和用戶界面組成。PDM系統(tǒng)集成層是整個系統(tǒng)的核心，由具有數(shù)

16、據(jù)管理、數(shù)據(jù)操作的應用性軟件組成。異構環(huán)境層提供了集成所需的網絡平臺、操作系統(tǒng)平臺、網絡間數(shù)據(jù)傳輸與操作等功能。?? ??? 3.3? 汽車底盤CAD技術 ??? ??? 汽車總布置是汽車設計中重要的一環(huán)，對汽車產品質量起決定性的作用?？傮w布置采用模塊化設計，模塊之間互相聯(lián)系，彼此間可以交換數(shù)據(jù)。 ??? 在進行布置設計時，都是在三維空間內進行，因此必須確定零部件位置，這對建立整車坐標系及總稱的坐標系很有必要。在已建立的坐標系中建立數(shù)學模型，用坐標點的方法完成總稱裝配。待設計完成后，要進行干涉檢查，一般分為位置干涉檢查和運動干涉檢查。汽車動力性、操縱穩(wěn)定性、制動性都是性能分析的重要

17、工作。 ??? 另外，汽車總布置CAD系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)庫、圖形庫為基礎的，設計過程中產生的一系列數(shù)據(jù)對于今后的工作會有很大的幫助，節(jié)省工作量?？偝蓤D形庫存儲的是與整車總布置密切相關的零部件，其數(shù)據(jù)包含了對總成的特征結構和尺寸的描述?？偛贾脭?shù)據(jù)庫主要包含設計中一些中間參數(shù)和數(shù)學模型運行結果，具有動態(tài)性。 ??? 3.4? CAD技術在汽車輕量化中的應用 ??? 汽車減小自重，不僅可以改善汽車的各項性能，還能降低油耗節(jié)省資源。有兩種途徑可實現(xiàn)汽車輕量化，一種是采用復合材料，另一種是減小汽車結構尺寸。但不是為了保證汽車具有較高的安全性，采用縮小尺寸的方式必有一個界度。盡管現(xiàn)如今復合材料已經廣泛用于

18、汽車上，但是從整體上來說，還沒有完全達到節(jié)省資源的目的。一方面繼續(xù)研究性能更為優(yōu)越的輕量化材料，另一方面可以從設計方面入手。 ??? 目前CAD系統(tǒng)只能表示實體的幾何和拓撲信息，而不能表示材料信息。一個現(xiàn)代化的CAD系統(tǒng)應該能建立實體內部的材料信息，即在一個實體內有著不同的材料結構。而許多結構部件要求材料性能在零件內部隨位置變化而連續(xù)變化，這要做既能滿足零件的性能要求，又能節(jié)省大量材料。比如氣缸，其內部承受高溫，因此可采用耐高溫材料——陶瓷，外部要求具有良好的延展性，可采用金屬，因此可以實現(xiàn)陶瓷材料和金屬基體間的雙向擴散，材料組成呈梯度變化。但是能夠同時進行幾何設計和材料設計的CAD技術，在國內并沒有從理論走向實踐，不過這將會成為今后CAD技術研究的新亮點。 ??? 4、 總結 ??? ??? CAD技術廣泛用于汽車領域，帶來了汽車設計、生產方式的新變革，但是和國外先進水平相比存在較大差距。隨著科技的飛速發(fā)展，CAD技術正走向集成化、網絡化、智能化、標準化、可視化等方向發(fā)展，在新舊技術交替的時期，只有抓住時機，跟上世界科技發(fā)展的步伐，中國CAD技術的應用才能更上一層樓。