計算機輔助設(shè)計在汽車設(shè)計課程教學(xué)中的應(yīng)用

文少波 臧利國

[摘 要]本文以汽車設(shè)計課程的主要內(nèi)容為基礎(chǔ)，結(jié)合本校學(xué)生知識水平和先修課程的情況，將計算機輔助技術(shù)合理地引入到教學(xué)過程中，使學(xué)生在掌握汽車專業(yè)知識的同時，學(xué)會運用現(xiàn)代設(shè)計方法和計算機輔助設(shè)計軟件，以滿足應(yīng)用性本科學(xué)生的培養(yǎng)需求。在教學(xué)過程中，分別以汽車離合器、變速器和驅(qū)動橋殼的設(shè)計為例，從結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、虛擬仿真和有限元分析三個方面對計算機技術(shù)的應(yīng)用進行了探索。實踐證明，將計算機輔助技術(shù)融入傳統(tǒng)課堂教學(xué)，能增強學(xué)生學(xué)習(xí)主動性，有效地提高教學(xué)質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞]計算機輔助設(shè)計；汽車設(shè)計；參數(shù)優(yōu)化；虛擬仿真；有限元分析

[中圖分類號] G642 [文獻標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）07-0049-03

○、引言

汽車設(shè)計是汽車工程專業(yè)的主干課程之一，主要內(nèi)容包括汽車總體設(shè)計、離合器、變速器、萬向傳動軸、驅(qū)動橋、懸架、轉(zhuǎn)向系和制動系等各總成的設(shè)計[1]。其目的是使學(xué)生在對汽車性能和基本結(jié)構(gòu)知識有較系統(tǒng)了解的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)運用現(xiàn)代汽車設(shè)計方法，掌握先進汽車設(shè)計技術(shù)，從而達到基本具備分析和解決該領(lǐng)域問題的能力。汽車設(shè)計是一門實用性很強的課程，它綜合運用了大學(xué)基礎(chǔ)課程、專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課的知識，其專業(yè)跨度大，涉及面廣，尤其涉及很多工程實踐和新技術(shù)的應(yīng)用，授課難度較大，尋求一種新的教學(xué)方法成為當(dāng)前教學(xué)中急需解決的問題。

計算機輔助設(shè)計（Computer Aided Design）是指工程技術(shù)人員在人和計算機組成的系統(tǒng)中以計算機為輔助工具完成產(chǎn)品的設(shè)計、分析、繪圖、制造等工作，并達到提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低產(chǎn)品成本的目的[2]。根據(jù)主要功能劃分，計算機輔助設(shè)計軟件有很多類，有側(cè)重于產(chǎn)品繪圖的CAD（Computer Aided Drafting）軟件，如AUTOCAD、Unigraphics（簡稱UG）、Pro/Engineering等；側(cè)重于工程分析的CAE（Computer Aided Engineering）軟件，如MATLAB、ANSYS等；側(cè)重于制造的CAM（Computer Aided Manufacturing）軟件，如MasterCAM等。隨著計算機軟件水平的逐步提高和硬件價格的不斷降低，計算機輔助設(shè)計軟件在二十世紀(jì)后期開始大量應(yīng)用于工程設(shè)計，目前已成為現(xiàn)代化企業(yè)的必備工具。鑒于此，在大學(xué)本科基礎(chǔ)教育階段，很多學(xué)校專門開設(shè)了計算機輔助設(shè)計軟件課程。但在實際的教學(xué)過程中，往往都是將其作為一門專門課程來開設(shè)，學(xué)習(xí)過程隨著課程結(jié)束而停止。這種現(xiàn)象導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)目的性不太明確，學(xué)習(xí)效果欠佳，不能與所學(xué)專業(yè)結(jié)合起來，無法促進其專業(yè)水平的提高和發(fā)展。作為應(yīng)用型本科學(xué)校，其根本目標(biāo)是為社會培養(yǎng)實用性人才[3]，培養(yǎng)學(xué)生如何解決實踐問題，具體使用軟件解決工程設(shè)計問題的能力尤為重要。

因此，結(jié)合本校學(xué)生知識水平和先修課程的情況，把計算機輔助設(shè)計用在汽車設(shè)計的教學(xué)環(huán)節(jié)中，改善傳統(tǒng)的課堂教學(xué)效果，同時提高學(xué)生的計算機軟件應(yīng)用能力，值得我們探索。下面以汽車設(shè)計課程中的主要內(nèi)容為基礎(chǔ)，根據(jù)設(shè)計過程中實際需求，從先進設(shè)計方法的角度出發(fā)，選用相應(yīng)的計算機輔助設(shè)計軟件加以說明。

一、優(yōu)化設(shè)計

汽車設(shè)計中很多零部件的設(shè)計，在設(shè)計過程中需要優(yōu)化設(shè)計，以設(shè)計出較佳的產(chǎn)品。例如在離合器的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要確定離合器的性能參數(shù)和尺寸參數(shù)。傳統(tǒng)的設(shè)計方法是采用先初選、后校核的方法進行。這樣設(shè)計過程往往經(jīng)過多次反復(fù)，最后所選的結(jié)果也只是一個相對合理的方案，不一定是最優(yōu)方案。

對于離合器的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，可采用如下思路：

1.設(shè)計變量：離合器性能因素主要有后備系數(shù)和單位壓力，從理論分析可知，都取決于離合器的工作壓力F和摩擦片的內(nèi)外徑d和D。設(shè)計變量見式1。

2.目標(biāo)函數(shù)：離合器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計追求的目標(biāo)，是在保證離合器性能要求的條件下使其結(jié)構(gòu)尺寸盡可能小，見式2所示。

3.約束條件：所設(shè)計的離合器，摩擦片的最大圓周速度、內(nèi)外徑比、后備系數(shù)取值范圍、減震彈簧的安裝、過載保護能力等都要滿足一定的要求，最后以一組等式約束（式3）和不等式約束（式4）來表示。

上述問題為有約束條件的非線性優(yōu)化形式，常用的方法是采用懲罰函數(shù)法將其轉(zhuǎn)換成無約束優(yōu)化問題進行求解[4]，這需要較復(fù)雜的數(shù)學(xué)推理和程序編制。對于應(yīng)用性本科大學(xué)的學(xué)生而言，按照此思路優(yōu)化計算有很大的難度。因此，在教學(xué)過程中，可以只講授優(yōu)化設(shè)計思路，采用MATLAB軟件來實現(xiàn)具體優(yōu)化設(shè)計過程[5]。在MATLAB軟件中，對于不同形式的優(yōu)化設(shè)計問題，有相應(yīng)的工具箱函數(shù)可以調(diào)用。例如對于上述問題，只需要分別建立目標(biāo)函數(shù)文件objective.m和約束函數(shù)文件constrant.m的子程序，再編制主程序main.m調(diào)用工具箱函數(shù)fmincon即可解決。

通過將MATLAB軟件引入離合器的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，可以使學(xué)生將主要精力用在離合器的設(shè)計學(xué)習(xí)上，著眼于汽車設(shè)計的教學(xué)內(nèi)容，而不必進行深層次的數(shù)學(xué)分析處理。避免了設(shè)計過程中復(fù)雜的理論和計算，簡化了設(shè)計難度，達到了很好的教學(xué)效果。

二、虛擬仿真設(shè)計

隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，在現(xiàn)代設(shè)計方法中，為了降低成本，提高設(shè)計效率，廣泛采用虛擬仿真技術(shù)。它是以計算機三維實體建模為基礎(chǔ)，在虛擬條件下對產(chǎn)品進行運動仿真測試和分析。通過對產(chǎn)品進行運動學(xué)仿真，模擬實際工作狀態(tài)，驗證其運動的正確性，檢查運動機構(gòu)間的協(xié)調(diào)關(guān)系，保證設(shè)備零件的干涉自由和運動協(xié)調(diào)，并根據(jù)零部件的干涉和運動情況完善設(shè)計。

汽車變速器用來改變發(fā)動機傳到驅(qū)動輪上的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，目的是在原地起步、爬坡、轉(zhuǎn)彎、加速等各種行駛工況下，使汽車獲得不同的牽引力和速度，同時使發(fā)動機在最有利的工況下工作。在汽車設(shè)計課程教學(xué)中，機械式變速器的設(shè)計為學(xué)習(xí)的重點。

在學(xué)習(xí)機械式變速器的設(shè)計時，根據(jù)所給參數(shù)，計算各檔齒輪齒數(shù)是重要的學(xué)習(xí)內(nèi)容。確定好各檔齒輪齒數(shù)后，可以對變速器進行虛擬仿真設(shè)計。在UG軟件中，按照理論計算所得的參數(shù)對變速器的各檔齒輪和各軸進行三維實體建模和虛擬裝配，并進行干涉檢查，校驗各零件位置關(guān)系。然后對其進行運動仿真分析，輸出各檔速度傳動比和動力傳動比[6] [7]，以確定所設(shè)計的變速器是否滿足要求。變速器虛擬裝配和運動仿真分別見圖1和圖2所示。

通過虛擬仿真設(shè)計，可以直觀地顯示學(xué)生的設(shè)計成果，加深學(xué)生對所設(shè)計的變速器理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。

三、有限元設(shè)計

在汽車設(shè)計過程中，各零部件的設(shè)計應(yīng)滿足強度的要求。對于結(jié)構(gòu)較為簡單的零件，例如軸類零件，可以直接簡化為梁的形式，按照理論力學(xué)的方法算出各部位的受力，然后按照材料力學(xué)方法得出各截面處的應(yīng)力大小及分布，用以進行零件形狀和尺寸的設(shè)計或者校核是否符合強度要求。

但對于形狀和受力較為復(fù)雜的零件，例如汽車驅(qū)動橋殼，它起著支撐汽車質(zhì)量，并承受由車輪傳來的路面反力和反力矩作用，同時它又是主減速器、差速器和半軸的裝配基體，結(jié)構(gòu)和受力都較為復(fù)雜。如果按上述方法簡化計算，不可避免產(chǎn)生較大的誤差，不能真實表達其實際應(yīng)力大小及分布。在現(xiàn)代汽車設(shè)計中，往往是采用有限元分析來有效地解決此問題。

但對于本科學(xué)生而言，直接編程建立有限元模型并求解不太現(xiàn)實。結(jié)合實際生產(chǎn)中較為成熟的用法，可以采用商用有限元分析軟件ANSYS軟件來進行分析。ANSYS是一種通用工程有限元分析軟件，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、機械、汽車、電子、土木工程等各種領(lǐng)域[8]。 ANSYS軟件主要包括前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊用于建模及網(wǎng)格劃分；分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析等模塊，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用；后處理模塊可將計算結(jié)果以各種形式顯示出來。

雖然ANSYS軟件具有強大的網(wǎng)格劃分、加載求解和后處理功能，但它的幾何建模功能相對較弱。如果采用ANSYS軟件對驅(qū)動橋殼進行實體建模，將是一個極其煩瑣的過程。因此可以采用UG軟件對橋殼進行三維實體建模（圖3），然后導(dǎo)入ANSYS軟件中進行有限元網(wǎng)格劃分（圖4）。添加載荷時，對于全浮式半軸驅(qū)動橋，其殼體載荷分析時，根據(jù)橋殼的受力情況，主要考慮以下三種特殊形式：

（1）當(dāng)牽引力或制動力最大時；

（2）當(dāng)汽車發(fā)生側(cè)滑時，側(cè)向力最大；

（3）當(dāng)汽車通過不平路面時，垂向力最大。

然后在ANSYS軟件的分析模塊中計算求解，得到在相應(yīng)載荷下殼體精確的應(yīng)力分布及大小，最后通過后處理模塊將其結(jié)果顯示出來（圖5），以此為基礎(chǔ)對驅(qū)動橋殼進行強度校核。同時可以得到殼體在載荷作用下各部位相應(yīng)的變形（圖6），進行剛度分析。

通過ANSYS有限元分析，不僅提高了驅(qū)動橋殼的設(shè)計精確度，而且可以形象地顯示強度分析的結(jié)果，能夠加強學(xué)生對課堂教學(xué)內(nèi)容的理解力和認(rèn)知力。

四、結(jié)論

將通用計算機輔助設(shè)計軟件引入汽車設(shè)計的課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，不僅可以有效地解決設(shè)計中遇到的問題，增強學(xué)生設(shè)計能力，而且能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和軟件使用能力，也為學(xué)生畢業(yè)后能更有效地同生產(chǎn)實踐相結(jié)合提供了一個鍛煉的機會。

[ 參 考 文 獻 ]

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[3] 翟滿桂. 談地方高校本科教育中教學(xué)與科研的關(guān)系[J]. 高等教育研究，2006（12）：77-79.

[4] 康愷. 機械產(chǎn)品設(shè)計的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)運用探究[J]. 中國機械，2016（6）.

[5] 張昆曉，何海明，吳東盛. 基于MATLAB目標(biāo)函數(shù)的建立優(yōu)化離合器膜片彈簧的設(shè)計研究[J]. 汽車零部件，2012（5）：73-75.

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[8] 李兵，宮鵬涵. ANSYS 14有限元分析自學(xué)手冊[M]. 北京：人民郵電出版社，2013.

[責(zé)任編輯：張 雷]