淺談CAD技術在車輛設計中的應用及發(fā)展趨勢

武守輝　趙迪　陳永利

【摘 要】近年來，隨著我國計算機技術的快速發(fā)展，CAD技術為我國汽車制造行業(yè)提供了很大的技術支持。本文主要介紹CAD技術的發(fā)展歷程，在車輛設計中的具體應用，在車身、底盤、電子產(chǎn)品等等的設計中都起到縮短設計周期、加快研發(fā)進程的作用。CAD技術正朝著智能化、普遍化、集成化、標準化的方向發(fā)展。

【關鍵詞】CAD技術；車輛設計；發(fā)展趨勢

中圖分類號： TH122；TP391.72 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）17-0170-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.17.085

【Abstract】In recent years，with the rapid development of China's computer technology，CAD technology has provided great technical support for China's automobile manufacturing industry.This paper mainly introduces the development of CAD technology，the concrete application in vehicle design，in the body，chassis，the design of electronic products and so on all have shorten the design cycle，to speed up the progress of research and development.CAD technology is developing towards intelligence，generalization，integration and standardization.

【Key words】CAD technology；Vehicle design；Development trend

1 CAD技術概述

計算機輔助設計技術（Computer Aided Design）簡稱CAD。起源于上個世紀六十年代，是計算機和工程設計技術相結(jié)合的產(chǎn)物。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，開始了計算機輔助設計技術的發(fā)展歷程，時至今日，CAD技術已經(jīng)歷了40多年的發(fā)展。CAD充分利用了計算機快速準確運算以及技術人員的思維分析能力，并且成功的把二者結(jié)合起來。以此來加快設計進程，縮短設計周期，同時因為它的精準度高，所以也保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。毫不夸張的說，CAD技術在某些領域內(nèi)，從根本上解開了設計工作者身上的繁重枷鎖。CAD技術本身也正在發(fā)展為計算機領域內(nèi)的單獨產(chǎn)業(yè)，并且，正在以非?？斓乃俣认蚯鞍l(fā)展著。

2 國內(nèi)外CAD技術的發(fā)展

我國的CAD技術大概起步于上世紀六十年代末，基本上與工業(yè)發(fā)達的國家同步。目前，在國內(nèi)CAD技術也已經(jīng)得到了很廣泛的應用[1]。例如：機械、航天、汽車、航空、建筑、公路、鐵路等等在這些領域也都見到了CAD技術的身影。伴隨著計算機的快速發(fā)展，也帶動了包括CAD技術在內(nèi)的新興技術的發(fā)展。因為AutoCAD等國外輔助設計軟件對我國的格式不完全相同，在正常的工程設計中會帶來極大的不便，所以，在這種情況下我國的軟件工程師們結(jié)合我國的實際情況與特點，開發(fā)了一批優(yōu)秀的軟件技術。例如：華中理工大學的開目CAD、北航海爾的CAXA電子圖板、華中軟件公司的InteCAD等等。這些新產(chǎn)品的上市，由于畫法新穎，繪圖速度快，參數(shù)化的設計等功能，吸引了不少的客戶。

國外擁有領先于我國的圖形學技術，對CAD研究水平較高。在CAD技術這個領域中，美國可以說是一直處于領先地位。在美國，CAD技術已經(jīng)發(fā)展到一個相當高的地步，機械、建筑、公路、醫(yī)院管理和事務管理等等，都得到了廣泛的應用。20世紀50年代，計算機由電子管組成，主要用于科學計算，圖形設備僅具有輸出功能，CAD技術處于醞釀階段。20世紀60年代，計算機和圖形設備價格昂貴、技術復雜，只有一些財力雄厚的公司才能夠使用。20世紀60年代中期，出現(xiàn)了商品形式的CAD設備，CAD技術進入了應用階段。隨著技術水平的提高，CAD技術日漸成熟，得以廣泛的運用在各行各業(yè)中去?？茖W計算可視化、虛擬設計和制造是發(fā)展的新方向。

3 CAD技術在車身設計中的應用

在汽車的新產(chǎn)品研發(fā)中，通常是對已經(jīng)成熟的車型進行外部結(jié)構(gòu)的造型改動，發(fā)動機等內(nèi)部零件一般不會做出太大的變動。所以只需要進行車身的重新設計即可達到目的，汽車內(nèi)部構(gòu)造的設計數(shù)據(jù)就可以重復使用[4]。

構(gòu)成車身的零部件大部分是比較復雜的曲面，我們以某客車為例，按照車身構(gòu)件的技術要求、結(jié)構(gòu)特點、功能作用分為三類。一、車身內(nèi)部的覆蓋構(gòu)件 例如：儀表板、門內(nèi)板等，它們都要承受一定的壓力或沖擊，應該有足夠的強度和剛度，所以結(jié)構(gòu)上會有很多的凹槽和凸起。二、車身外部的覆蓋構(gòu)件 這部分構(gòu)件主要是大型的曲面，構(gòu)成車身的外型，要求構(gòu)件的表面光滑且平整，曲面過度的部分圓潤而光滑，各個構(gòu)件相互吻合良好。三、骨架類零件 例如：左右后立柱、左右加強板和各種縱梁、橫梁。它們主要對車身起加強和支撐的作用，結(jié)構(gòu)上有很多加強筋，以柱狀零件為主。

在三維數(shù)模的基礎上，建立車身的總成模型。之后直觀的觀察各個零件之間的連接關系，對它們的吻合關系一目了然。

3.1 CAD技術在車架設計中的應用

車架是底盤、發(fā)動機和車身各總成的承載結(jié)構(gòu)，是非常重要的部分。因為車架受力比較復雜，難以人為計算，所以就需要計算機來完成。利用CAD技術建模，建立車架的有限元模型，由于縱梁的裝配孔比較多，處理的時候保留加載處的重要孔即可，車架附件對車架的剛度及強度的影響不是太大，忽略不計。這里采用裝配的方法對零件進行搭接處仿真處理[2]。

車架的載荷分布情況是按照其安裝位置和重量大小來處理的，多用途構(gòu)件的載荷是參考其重量對它的位置的貢獻大小來分配的。通過計算機模擬實驗，根據(jù)車架受力情況不同，分為車輛滿載勻速行駛、滿載勻速爬坡、滿載加速行駛、滿載轉(zhuǎn)彎行駛以及滿載在規(guī)定車速突然制動行駛。通過計算機簡化計算，算出車架比較完美的載荷分布情況，按照計算結(jié)果制造實物模型。

3.2 CAD技術在車橋設計中的應用

車橋結(jié)構(gòu)的設計，應該根據(jù)要實現(xiàn)的外觀、功能來設計草圖，之后生成相應的實體，確定裝配關系，模擬車橋零件的裝配過程，檢查干涉情況，并認真修改不足之處，每個重要過程的參數(shù)可變，自由設定參數(shù)間的關聯(lián)性。 草圖設計是車橋設計的基礎部分。利用CAD技術進行繪制，可以對草圖的尺寸進行修改或重建。裝配設計建模的方法主要有自底向上、自頂向下、概念設計三種。第一種是先把零件設計出來，然后拼裝產(chǎn)品。第二種是先把產(chǎn)品的外形和功能想象出來，再從整個外形里劃分出產(chǎn)品的零部件，一直到最底層的零件。在車橋中，有些結(jié)構(gòu)較為復雜，只能采用自頂向下的方法。只有變量裝配設計才能支持自頂向下設計。變量裝配技術是實現(xiàn)動態(tài)裝配的關鍵技術，所謂的動態(tài)裝配設計指的是設計變量約束、設計變量、裝配約束驅(qū)動下的可變裝配設計。

CAD技術對車橋的設計不僅僅是外觀及結(jié)構(gòu)，對于已經(jīng)完成的車橋，運用CAE可以對其進行剛度、強度、跌落實驗模擬、疲勞、散熱能力等分析。通過實驗數(shù)據(jù)分析車橋的設計是否合理，然后在CAD軟件中進行部分修改，再檢測，直到滿足要求的車橋設計出來[3]。

3.3 CAD技術在儀表盤面板設計中的應用

儀表盤面板，屬于汽車內(nèi)飾件，在采集數(shù)據(jù)之前必須規(guī)劃出測量路徑，對零件進行形體分析[5]。儀表盤中間的面板主要由主曲面、橢圓曲面以及兩個矩形曲面組成，由于其幾何形狀的特征，我們采集零件點云數(shù)據(jù)，擬合成曲線，根據(jù)曲線的變化趨勢，來提高曲線光順度。之后利用網(wǎng)格曲線功能生成曲面部分，并能很好的控制。通過面倒圓的方法生成光滑曲面，之后利用布爾運算在曲面上面生成小孔，然后擬合生成零件整個的表面形狀。與此同時，對儀表盤零部件背面進行正向的設計，同時生成正、反兩面的三維模型。測量的時候應該盡量一次裝夾完成所需數(shù)據(jù)的采集，確保零件的測量精準度，達到消除因為多次裝夾而造成測量誤差的目的。

4 CAD技術對汽車企業(yè)的重要性

汽車行業(yè)是最先運用CAD技術的行業(yè)之一。國外的汽車企業(yè)很早就進行了CAD軟件的自主開發(fā)。現(xiàn)如今，幾乎所有的汽車企業(yè)都會采用CAD技術?？梢哉f，CAD技術的應用水平已經(jīng)成為評價一個汽車企業(yè)水平的重要指標。我國的汽車企業(yè)一直都是納稅大戶，也是CAD技術應用的排頭兵，不僅僅帶動了企業(yè)技術上的創(chuàng)新提高，同時也起到了推動企業(yè)發(fā)展的作用。傳統(tǒng)的車輛設計過程基本上是純手工進行，通過模型、圖紙、樣板等等來傳遞信息，隨著設計技術的變革，國內(nèi)著名的汽車公司都不惜重金實施CAD技術的使用及研發(fā)，就是為了滿足變化速度過快的市場需求，提高自身的市場競爭力。所以，CAD技術對汽車行業(yè)的重要性是不言而喻的，我國的汽車市場可以說是非常大的，同時，行業(yè)競爭也比較激烈，掌握了先進技術，就等同于立足于不敗之地。

5 CAD技術未來的發(fā)展趨勢

智能化 如今，CAD技術仍然需要人為運用，在技術革新快速的今天，發(fā)展新技術才能更好的提升自身企業(yè)的競爭力。將人工智能運用在CAD技術當中，設計全過程智能化，例如：國外的建筑領域中的CAD軟件都能達到從方案到逼真的效果。向著更高技術發(fā)展是CAD技術發(fā)展趨勢之一。

普遍化 好的技術大家用，這才能為我國的發(fā)展做出大的貢獻，不僅僅是汽車行業(yè)，要在各種設計行業(yè)都能使用。在一些發(fā)達國家中，CAD技術在制造業(yè)的使用覆蓋率高達70%以上。產(chǎn)品的設計都是由計算機完成，例如：美國通用汽車、日本大限公司等等，在CAD技術運用方面都達到了很高的水平。

集成化 當前CAD技術發(fā)展的趨勢之一是系統(tǒng)集成化。以達到新產(chǎn)品設計及制造自動化的目的。集成化的多層次性表現(xiàn)在，它即可以是系統(tǒng)內(nèi)部模塊的集成，也可以是不同種系統(tǒng)間的相互兼容。在工程設計中的不同輔助設計軟件相互兼容，主要表現(xiàn)在產(chǎn)品整個生命周期上都可以支持系統(tǒng)集成化，規(guī)范化、標準化是實現(xiàn)CAD技術集成化的根本保證，增強CAD技術的模塊移植性、功能互聯(lián)性、系統(tǒng)開放性，進一步提高CAD的集成度，使CAD技術在整個產(chǎn)品的設計中都能發(fā)揮重要作用。

標準化 CAD技術在最初的開發(fā)過程中，各個模塊和功能是各自獨立進行的，但是在開發(fā)結(jié)果出來以后，在硬件、軟件、數(shù)據(jù)格式及數(shù)據(jù)儲存方面產(chǎn)生了很多障礙，嚴重影響了CAD技術的集成。如果CAD標準化難以實現(xiàn)，將會影響到CAD技術往后的發(fā)展，會拖慢技術更新的進度，阻礙發(fā)展。

6 結(jié)語

隨著科學技術的不斷進步，工程設計正朝著數(shù)字化、網(wǎng)絡化的方向發(fā)展，產(chǎn)品的研發(fā)周期越來越短，新產(chǎn)品的上市速度也越來越快。CAD技術得到廣泛應用已經(jīng)是不可阻擋的，它的使用提升了設計效率、減輕了設計人員的工作負擔、增強了設計方案的合理性、縮短了設計周期，同時、促進了行業(yè)標準化的進度。CAD技術也不斷地革新，正向著智能化、普遍化、集成化和標準化的方向快速發(fā)展。

【參考文獻】

[1]晁陽.淺談CAD技術的應用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[A].楊凌職業(yè)技術學院，陜西，2015（9）.

[2]王毅.淺談CAD/CAM技術在汽車產(chǎn)業(yè)中的應用及發(fā)展[A].山東科技大學交通學院，2016（2）.

[3]李炎粉，程彩霞.論CAD CAM技術在汽車中的應用[J].科協(xié)論壇（下半月），2010，（10）.

[4]李秋娟，張兵，論CAD在機械設計中的應用及機械制造技術的新發(fā)展[J].化學工程與裝配，2010.

[5]趙天嬋，馮俊，王維.汽車儀表盤面板逆向設計中CAD/CAM技術的應用[A].江漢大學，2008.