汽車CAD技術(shù)發(fā)展概述

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1、汽車CAD技術(shù)發(fā)展概述 發(fā)布日期：2005-9-4?7:50:57 北京航空航天大學(xué)?陳南飛 出處： 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，CAD已經(jīng)廣泛用于各個(gè)社會(huì)生產(chǎn)領(lǐng)域，特別是對(duì)于生產(chǎn)復(fù)雜產(chǎn)品如飛機(jī)、汽車、家電等制造業(yè)尤為重要。汽車是一件復(fù)雜的產(chǎn)品，其開發(fā)流程涉及到極大的工作量，借助于先進(jìn)的CAD技術(shù)，能降低開發(fā)人員的工作量并提高產(chǎn)品質(zhì)量。本文將根據(jù)模具設(shè)計(jì)、車身設(shè)計(jì)、底盤布置設(shè)計(jì)、汽車輕量化等方面來(lái)闡述CAD技術(shù)的應(yīng)用狀況及其發(fā)展前景。 ??? 1、 前言 ??? 1963年，麻省理工學(xué)院的研究小組在美國(guó)計(jì)算機(jī)聯(lián)合會(huì)會(huì)議上發(fā)表了關(guān)于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的論文，開始了計(jì)算機(jī)輔助

2、設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展歷程，時(shí)至今日，CAD技術(shù)已經(jīng)歷了40多年的發(fā)展日趨成熟， ??? CAD技術(shù)從出現(xiàn)到現(xiàn)在大致經(jīng)歷了三個(gè)歷史階段。 ??? （一）二維繪圖階段，主要是在計(jì)算機(jī)上表達(dá)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(shè)計(jì)的一致性。因此，此時(shí)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(jià)格昂貴，限制了CAD的應(yīng)用。 ??? （二）第二代CAD軟件在二維造型基礎(chǔ)上引入三維造型，但也只是極為簡(jiǎn)單的線框模型。這種初期的線框造型系統(tǒng)只能表達(dá)基本的幾何信息，不具備表達(dá)幾何數(shù)據(jù)間拓?fù)潢P(guān)系的能力，實(shí)體拓?fù)湫畔⒁约靶误w表面信息的缺失使得CAM及CAE均無(wú)法實(shí)現(xiàn)。 ??? （三

3、）在三維造型階段，幾何造型技術(shù)經(jīng)歷了三次技術(shù)革命。由于線框系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足人們的實(shí)際需求，法國(guó)的達(dá)索飛機(jī)制造公司的開發(fā)者們，在二維繪圖系統(tǒng)CADAM的基礎(chǔ)上，開發(fā)出以表面模型為特點(diǎn)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(lái)了第一次CAD技術(shù)革命。 ??? 實(shí)體造型技術(shù)能夠準(zhǔn)確表達(dá)零件的大部分屬性（至少還不能表達(dá)零件的材料信息），從CAD系統(tǒng)獲得的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可以用于CAM、CAE等系統(tǒng)，給設(shè)計(jì)、分析、制造帶來(lái)了加大的便利。可以說(shuō)，實(shí)體造型技術(shù)的普及和應(yīng)用是CAD發(fā)展史上的第二次技術(shù)革命。 ??? 創(chuàng)建PTC公司(即參數(shù)技術(shù)公司)的技術(shù)精英們，開始研制名為Pro/E

4、的參數(shù)化軟件，第一次實(shí)現(xiàn)了尺寸驅(qū)動(dòng)零件設(shè)計(jì)修改。到了90年代，參數(shù)化技術(shù)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(shè)計(jì)上簡(jiǎn)便易行的優(yōu)勢(shì)。可以認(rèn)為，參數(shù)化技術(shù)的應(yīng)用主導(dǎo)了CAD發(fā)展史上的第三次技術(shù)革命。 ?? ??? 但是參數(shù)化技術(shù)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(shè)計(jì)者創(chuàng)造力及想象力的發(fā)揮，而變量化技術(shù)既保持了參數(shù)化技術(shù)的原有的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又克服了它的許多不利之處。它的成功應(yīng)用，為CAD技術(shù)的發(fā)展提供了更大的空間和機(jī)遇，驅(qū)動(dòng)了CAD發(fā)展的第四次技術(shù)革命。 ??? 總的說(shuō)來(lái)，現(xiàn)如今的CAD系統(tǒng)采用了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和公用數(shù)據(jù)庫(kù)，采用實(shí)體造型技術(shù)、參數(shù)化

5、技術(shù)和特征造型技術(shù)，給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了前所未有的便利。 ??? 2、 CAD技術(shù)對(duì)汽車企業(yè)的重要性 ??? 汽車行業(yè)是CAD技術(shù)最先應(yīng)用的領(lǐng)域之一，國(guó)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(shù)幾乎被所有汽車公司所采用，可以說(shuō)CAD技術(shù)（包括計(jì)算機(jī)輔助制造、計(jì)算機(jī)輔助工程分析）的應(yīng)用水平，已經(jīng)成為評(píng)價(jià)一個(gè)國(guó)家汽車工業(yè)水平的重要指標(biāo)。在我國(guó)，汽車企業(yè)一直都作為國(guó)家和地方的利稅大戶，同時(shí)也是CAD技術(shù)應(yīng)用的先鋒。CAD技術(shù)在企業(yè)中的成功應(yīng)用，不僅帶來(lái)了企業(yè)技術(shù)上的創(chuàng)新，同時(shí)帶動(dòng)了企業(yè)經(jīng)營(yíng)、管理舊模式的變革。因此，它對(duì)我國(guó)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造、新技術(shù)的興起，以及汽車工業(yè)提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力

6、等方面，起到了巨大的推動(dòng)作用。 ??? 傳統(tǒng)的汽車車身設(shè)計(jì)方法的整個(gè)過(guò)程是基于手工設(shè)計(jì)完成的，其特點(diǎn)是整個(gè)過(guò)程是通過(guò)實(shí)物、模型、圖紙、樣板等來(lái)傳遞信息。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)逐步代替人腦承擔(dān)起復(fù)雜的計(jì)算和分析，同時(shí)引進(jìn)CAD等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，幫助工程師們拋掉傳統(tǒng)的手工方式，既方便設(shè)計(jì)，又能改善設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短設(shè)計(jì)周期。因此，國(guó)外著名汽車公司都不惜花巨資實(shí)施CAD技術(shù)，一方面加快新車型上市的速度滿足復(fù)雜多變的市場(chǎng)需求，另一方面節(jié)省開發(fā)成本，向消費(fèi)者提供物美價(jià)廉、物超所值的產(chǎn)品，從而提高自身市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 ??? CAD技術(shù)對(duì)于中國(guó)汽車企業(yè)的重要性是不言而喻的。盡管在2002年，中國(guó)汽車行業(yè)發(fā)

7、生“井噴”，一時(shí)間汽車成為和 、房子一樣炙手可熱的商品，中國(guó)汽車業(yè)就此迎來(lái)了發(fā)展的大好時(shí)機(jī)。同時(shí)，國(guó)外汽車企業(yè)看到了中國(guó)廣闊的汽車市場(chǎng)，紛紛在華投資建廠，而國(guó)內(nèi)的汽車公司趁機(jī)和國(guó)外公司合資，以為可以借助外國(guó)公司先進(jìn)的技術(shù)來(lái)提高自身的研發(fā)能力，可實(shí)際上事與愿違。外國(guó)公司并不愿意把先進(jìn)的技術(shù)介紹給中國(guó)的公司，中國(guó)公司始終充當(dāng)著OEM的角色，僅僅是外國(guó)公司在中國(guó)的制造基地，汽車研發(fā)水平仍難有所提高。 ??? 在2006年，國(guó)家將按照對(duì)WTO的承諾取消汽車進(jìn)口配額。步入21世紀(jì)的中國(guó)汽車工業(yè)將受到來(lái)自跨國(guó)汽車公司的巨大生存壓力，以及數(shù)字化和產(chǎn)品、技術(shù)不斷創(chuàng)新的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此，全面應(yīng)用CAD技術(shù)是

8、中國(guó)汽車工業(yè)發(fā)展過(guò)程中的必由之路，應(yīng)納入到各個(gè)汽車企業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略中。? ??? 3、 CAD技術(shù)在汽車工程領(lǐng)域的應(yīng)用狀況 ??? 美國(guó)福特汽車公司在上世紀(jì)80年代初就開始CAD系統(tǒng)的規(guī)劃與實(shí)施，到了1985年有一半以上的產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作在圖形終端上實(shí)現(xiàn)，至90年代初其產(chǎn)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(lái)逐步過(guò)渡到以I-DEAS為其核心主流軟件。 ??? 在CAD技術(shù)發(fā)展初期，美國(guó)通用公司就自主研發(fā)以設(shè)計(jì)車身為目標(biāo)的 DAC—1系統(tǒng)，來(lái)分析和綜合車身的三維曲線設(shè)計(jì)。到上世紀(jì)90年代初，美國(guó)通用汽車公司選中UG作為全公司的 CAD/CAE/CAM/CI

9、M主導(dǎo)系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展，公司已100%采用CAD來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，并取消了中間過(guò)程，使計(jì)算機(jī)與制造終端直接相連，最終實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化。 ??? 我國(guó)從上世紀(jì)70年代開始研究和推廣CAD，使得CAD技術(shù)在國(guó)內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，并從中取得了不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)回報(bào)。到目前為止，國(guó)內(nèi)大型制造型企業(yè)如汽車企業(yè)已普遍實(shí)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(yīng)用水平也接近國(guó)際先進(jìn)水平。但由于我國(guó)CAD軟件自主研發(fā)術(shù)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家之間存在巨大的差距，國(guó)內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)和公司推出的CAD系列軟件得不到更廣泛的應(yīng)用，市場(chǎng)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(guó)市場(chǎng)化程度的加深，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的

10、加劇，迫使汽車企業(yè)必須改變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、管理、銷售模式，來(lái)提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和市場(chǎng)應(yīng)變能力?？梢哉f(shuō)，實(shí)施CAD系統(tǒng)是最有效的方式之一。? ? ??? 3.1? 汽車模具CAD技術(shù) ??? 模具是能生產(chǎn)出具有一定形狀和尺寸要求的零件的一種生產(chǎn)工具，也就是通常人們所說(shuō)的模子。模具生產(chǎn)具有高效、節(jié)材、成本低、保證質(zhì)量等一系列優(yōu)點(diǎn)。 ??? 在60年代初期，國(guó)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(gè)生產(chǎn)準(zhǔn)備周期由18周縮短為6周。目前我國(guó)已有許多企業(yè)采用模具CAD技術(shù)，取得了豐富的經(jīng)驗(yàn)和技巧，使模具精度和生產(chǎn)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(jīng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，其模具CAD工作大多局限于計(jì)算機(jī)畫圖（Computer Aided Draft）和二維設(shè)計(jì)，只有個(gè)別企業(yè)的汽車模具設(shè)計(jì)和制造能力接近國(guó)際先進(jìn)水平。此外，國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)了一些擁有自主版權(quán)的軟件，如北京航空航天大學(xué)華正模具研究所開發(fā)的CAD系統(tǒng)CAXA等，解決了生產(chǎn)中的一些問題，但還沒有得到很好的推廣和使用。 ??? 我國(guó)在對(duì)汽車新車型的開發(fā)上遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后發(fā)達(dá)國(guó)家，其中一個(gè)重要原因就是覆蓋件模具的設(shè)計(jì)效率低。國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)方法已不能適應(yīng)汽車工業(yè)的發(fā)展需要，而引進(jìn)國(guó)外的覆蓋件模具產(chǎn)品花費(fèi)過(guò)高，而且會(huì)嚴(yán)重阻礙汽車產(chǎn)品的更新?lián)Q代。要解決上述問題，就必須研究開發(fā)我國(guó)

12、自己的模具CAD技術(shù)，同時(shí)在國(guó)外先進(jìn)的通用造型軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)無(wú)疑是一種必要而又有效的手段。 ??? 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般可分為二維設(shè)計(jì)和三維設(shè)計(jì)兩種，兩種方法各有其優(yōu)、缺點(diǎn)。計(jì)算機(jī)二維設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)速度快、占用計(jì)算機(jī)內(nèi)存小、對(duì)計(jì)算機(jī)硬件配置要求不高，使用成本低廉；缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)錯(cuò)誤不易被發(fā)現(xiàn)，不能直接用于分析和加工。而三維設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)參數(shù)化、基于特征、全相關(guān)等，使得產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段易于修改，同時(shí)也使得并行工程成為可能。另外，三維設(shè)計(jì)形象、直觀，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是否合理使人一目了然，但三維設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度低、軟件占用硬盤和內(nèi)存的空間大、設(shè)計(jì)速度慢等。 ??? 國(guó)外汽車覆蓋件模具CAD技術(shù)的發(fā)展已

13、進(jìn)入實(shí)質(zhì)性的應(yīng)用階段，不僅全面提高了模具設(shè)計(jì)的質(zhì)量，而且大大縮短了模具的生產(chǎn)周期。近些年來(lái)，我國(guó)在汽車覆蓋件模具CAD技術(shù)的應(yīng)用方面也取得了顯著的進(jìn)步，但目前依然存在著一些問題，如設(shè)計(jì)效率低、標(biāo)準(zhǔn)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(duì)此，模具CAD技術(shù)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(shù) ??? 車身是汽車的一個(gè)非常重要的總成，占汽車車身質(zhì)量和造價(jià)的40%—60%，其設(shè)計(jì)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(fèi)者在購(gòu)車時(shí)首先考慮的因素，對(duì)影響消費(fèi)者的決策起著關(guān)鍵性的作用。同時(shí)車

14、身還必須有足夠的強(qiáng)度和靜剛度、良好的動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)，達(dá)到保證成員安全和汽車壽命，抗振抗噪，節(jié)約能源等目標(biāo)。 ??? 車身CAD技術(shù)以三維造型為基礎(chǔ)。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(chǔ)進(jìn)行構(gòu)思，然后擴(kuò)張到三維。CAD技術(shù)在車身開發(fā)中的應(yīng)用，使原來(lái)的舊模式有了徹底的改觀。設(shè)計(jì)人員通過(guò)與CAD系統(tǒng)的交互，將自己腦中的概念模式轉(zhuǎn)化為清晰的視覺模式——幾何實(shí)體，易于優(yōu)化和改進(jìn)，提高了工作效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。 ??? 車身CAD技術(shù)面向制造和裝配。能熟練使用CAD進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的開發(fā)人員，主要集中于產(chǎn)品的數(shù)學(xué)建模，缺乏對(duì)制造技術(shù)的了解，而未考慮設(shè)計(jì)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)對(duì)后續(xù)加工的影響。為

15、了精確加工產(chǎn)品，CAD系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)應(yīng)該面向制造，保證其完整性和一致性，直接作為數(shù)控機(jī)床的輸入數(shù)據(jù)。 ??? 車身CAD技術(shù)基于PDM。在車身部件的開發(fā)中，可能會(huì)有多個(gè)車型設(shè)計(jì)要交替進(jìn)行，產(chǎn)生多種數(shù)據(jù)版本，因此引入產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)，建立統(tǒng)一的CAD工程數(shù)據(jù)庫(kù)，消除車身開發(fā)中各部分內(nèi)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(guò)程順利進(jìn)行。 ??? 基于PDM的車身CAD集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由用戶層、應(yīng)用層、系統(tǒng)層、PDM系統(tǒng)集成層、異構(gòu)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(shè)計(jì)人員、工藝人員、制造人員等。應(yīng)用層由CAX系統(tǒng)和用戶界面組成。PDM系統(tǒng)集成層是整個(gè)系統(tǒng)的核心，由具有數(shù)

16、據(jù)管理、數(shù)據(jù)操作的應(yīng)用性軟件組成。異構(gòu)環(huán)境層提供了集成所需的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、操作系統(tǒng)平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)傳輸與操作等功能。?? ??? 3.3? 汽車底盤CAD技術(shù) ??? ??? 汽車總布置是汽車設(shè)計(jì)中重要的一環(huán)，對(duì)汽車產(chǎn)品質(zhì)量起決定性的作用?？傮w布置采用模塊化設(shè)計(jì)，模塊之間互相聯(lián)系，彼此間可以交換數(shù)據(jù)。 ??? 在進(jìn)行布置設(shè)計(jì)時(shí)，都是在三維空間內(nèi)進(jìn)行，因此必須確定零部件位置，這對(duì)建立整車坐標(biāo)系及總稱的坐標(biāo)系很有必要。在已建立的坐標(biāo)系中建立數(shù)學(xué)模型，用坐標(biāo)點(diǎn)的方法完成總稱裝配。待設(shè)計(jì)完成后，要進(jìn)行干涉檢查，一般分為位置干涉檢查和運(yùn)動(dòng)干涉檢查。汽車動(dòng)力性、操縱穩(wěn)定性、制動(dòng)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(kù)、圖形庫(kù)為基礎(chǔ)的，設(shè)計(jì)過(guò)程中產(chǎn)生的一系列數(shù)據(jù)對(duì)于今后的工作會(huì)有很大的幫助，節(jié)省工作量?？偝蓤D形庫(kù)存儲(chǔ)的是與整車總布置密切相關(guān)的零部件，其數(shù)據(jù)包含了對(duì)總成的特征結(jié)構(gòu)和尺寸的描述。總布置數(shù)據(jù)庫(kù)主要包含設(shè)計(jì)中一些中間參數(shù)和數(shù)學(xué)模型運(yùn)行結(jié)果，具有動(dòng)態(tài)性。 ??? 3.4? CAD技術(shù)在汽車輕量化中的應(yīng)用 ??? 汽車減小自重，不僅可以改善汽車的各項(xiàng)性能，還能降低油耗節(jié)省資源。有兩種途徑可實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，一種是采用復(fù)合材料，另一種是減小汽車結(jié)構(gòu)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(gè)界度。盡管現(xiàn)如今復(fù)合材料已經(jīng)廣泛用于

18、汽車上，但是從整體上來(lái)說(shuō)，還沒有完全達(dá)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(shè)計(jì)方面入手。 ??? 目前CAD系統(tǒng)只能表示實(shí)體的幾何和拓?fù)湫畔?，而不能表示材料信息。一個(gè)現(xiàn)代化的CAD系統(tǒng)應(yīng)該能建立實(shí)體內(nèi)部的材料信息，即在一個(gè)實(shí)體內(nèi)有著不同的材料結(jié)構(gòu)。而許多結(jié)構(gòu)部件要求材料性能在零件內(nèi)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(nèi)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(shí)現(xiàn)陶瓷材料和金屬基體間的雙向擴(kuò)散，材料組成呈梯度變化。但是能夠同時(shí)進(jìn)行幾何設(shè)計(jì)和材料設(shè)計(jì)的CAD技術(shù)，在國(guó)內(nèi)并沒有從理論走向?qū)嵺`，不過(guò)這將會(huì)成為今后CAD技術(shù)研究的新亮點(diǎn)。 ??? 4、 總結(jié) ??? ??? CAD技術(shù)廣泛用于汽車領(lǐng)域，帶來(lái)了汽車設(shè)計(jì)、生產(chǎn)方式的新變革，但是和國(guó)外先進(jìn)水平相比存在較大差距。隨著科技的飛速發(fā)展，CAD技術(shù)正走向集成化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、可視化等方向發(fā)展，在新舊技術(shù)交替的時(shí)期，只有抓住時(shí)機(jī)，跟上世界科技發(fā)展的步伐，中國(guó)CAD技術(shù)的應(yīng)用才能更上一層樓。