CAD資源庫技術(shù)在汽車開發(fā)中的應(yīng)用研究

藍(lán)勤蘭 池杜旺

摘要：伴隨我國經(jīng)濟(jì)水平的提高，汽車等物質(zhì)生活用品的需求亦不斷提高。我國汽車銷售量及保有量位居世界前列，加上行業(yè)內(nèi)部各家企業(yè)之間競爭日漸激烈，知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)方面的壓力加重。汽車企業(yè)在開發(fā)研究中要不斷培養(yǎng)和提高產(chǎn)品自主設(shè)計(jì)與研發(fā)能力，熟練掌握和靈活應(yīng)用CAD資源庫技術(shù)，與計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)相結(jié)合，幫助企業(yè)創(chuàng)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)路徑。由此，系統(tǒng)性地介紹在汽車設(shè)計(jì)開發(fā)中CAD資源庫技術(shù)的應(yīng)用情況，深化對CAD資源庫技術(shù)的認(rèn)識，也為汽車開發(fā)設(shè)計(jì)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：CAD資源庫技術(shù)；汽車開發(fā)；車輛設(shè)計(jì)

中圖分類號：U469 ?收稿日期：2023-03-23

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.07.018

1 前言

汽車工業(yè)已經(jīng)發(fā)展成為國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)，行業(yè)發(fā)展水平可一定程度反映我國的工業(yè)實(shí)力，汽車企業(yè)是否具備獨(dú)立自主的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與研發(fā)能力，也與汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展能力息息相關(guān)。CAD資源庫技術(shù)作為先進(jìn)技術(shù)代表，成為汽車企業(yè)設(shè)計(jì)與開發(fā)產(chǎn)品的有效手段，基于CAD資源庫技術(shù)的科技體系，也已經(jīng)成為當(dāng)前汽車企業(yè)核心技術(shù)的有效載體[1]。

2 CAD資源庫技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)汽車車身

設(shè)計(jì)研發(fā)汽車車身，不僅要保證車身符合空氣動力學(xué)，還要重量輕、造型美觀。同時(shí)，在使用的時(shí)候表現(xiàn)出良好的剛度、強(qiáng)度和減震降噪性能，確保車輛在行駛的過程中具有環(huán)保性、節(jié)能性、安全性，延長車輛的使用壽命，保證運(yùn)行的可靠性與舒適性。車身設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，所包含的內(nèi)容有明確車身設(shè)計(jì)與開發(fā)的目的、清楚車身設(shè)計(jì)方案的可行性和必要性，制定車身設(shè)計(jì)任務(wù)書、合理調(diào)整車身尺寸和布置情況、調(diào)查車身的使用性能、組織開展車身設(shè)計(jì)與開發(fā)等。在實(shí)施設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要在車身的總布置配合之下，按照外部模型和內(nèi)部模型1∶1設(shè)計(jì)理念完成設(shè)計(jì)[2]。

在CAD技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)協(xié)同發(fā)展的當(dāng)下，CAD資源庫技術(shù)在設(shè)計(jì)汽車車身的時(shí)候多以三維造型為基礎(chǔ)而展開，這種設(shè)計(jì)技術(shù)手段可輔助提升車身設(shè)計(jì)精準(zhǔn)度和車身設(shè)計(jì)質(zhì)量，還可滿足消費(fèi)者對車身的個(gè)性化和多樣化需求。利用CAD資源庫技術(shù)進(jìn)行車身設(shè)計(jì)，要綜合計(jì)算機(jī)繪圖、優(yōu)化設(shè)計(jì)、碰撞安全性分析、NVH分析和模態(tài)分析等方法，提高設(shè)計(jì)成果質(zhì)量，保證車身研發(fā)品質(zhì)。設(shè)計(jì)完成的車身各組件模型，要具有一致性和完整性，以產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)作為基礎(chǔ)改進(jìn)汽車車身CAD資源庫技術(shù)，在汽車系列化和車身設(shè)計(jì)平臺化戰(zhàn)略環(huán)節(jié)中，提高設(shè)計(jì)成果的實(shí)現(xiàn)便捷性。設(shè)計(jì)汽車車身期間，計(jì)算機(jī)各類軟件是強(qiáng)有力的保證，經(jīng)常性地需要使用Alias軟件、Rhino軟件和Photoshop軟件，利用CATIA軟件、UGNX軟件、I-DEASNX軟件等一系列大型三維制圖軟件完成汽車車身布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

汽車車身設(shè)計(jì)人員利用CAD資源庫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)軟件的交互，將腦海中關(guān)于汽車車身的設(shè)計(jì)效果轉(zhuǎn)化為清晰的視覺模式，將設(shè)計(jì)過程予以簡化，將工作效率予以提升[3]。再者，設(shè)計(jì)人員使用CAD資源庫技術(shù)檢測車輛自身空氣動力學(xué)性能，可確保車輛車身設(shè)計(jì)效果達(dá)到理想的標(biāo)準(zhǔn)。在開發(fā)汽車車身部件的時(shí)候，需要進(jìn)行多個(gè)車型的交替設(shè)計(jì)，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)版本多種多樣，所以可以將產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)引入其中，構(gòu)建完成統(tǒng)一化的CAD資源庫，把開發(fā)和設(shè)計(jì)汽車車身的數(shù)據(jù)和內(nèi)部信息之間存在的數(shù)據(jù)冗余和矛盾問題解決，保證順利地完成汽車車身的設(shè)計(jì)與開發(fā)工作。

3 CAD資源庫技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)車輛底盤

在設(shè)計(jì)車輛的環(huán)節(jié)中，設(shè)計(jì)汽車底盤是最為關(guān)鍵的組成環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)成果直接影響到汽車的質(zhì)量。利用CAD資源庫技術(shù)可協(xié)調(diào)聯(lián)系所有部分，并達(dá)到模塊化設(shè)計(jì)的目標(biāo)，這種方式是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法所難以實(shí)現(xiàn)的。車輛底盤設(shè)計(jì)人員在對各類部件位置展開設(shè)計(jì)和調(diào)整的時(shí)候以CAD資源庫技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)三維空間的動態(tài)性調(diào)整，在構(gòu)建完成的坐標(biāo)系中直接構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，并實(shí)現(xiàn)全部數(shù)學(xué)模型的建立和裝配任務(wù)，檢查位置干涉情況和運(yùn)動干涉情況[4]。分析車輛制動性期間，探究操作穩(wěn)定性和車輛動力性十分重要，CAD資源庫技術(shù)的應(yīng)用，可仿真處理汽車模型，為設(shè)計(jì)和制造車輛底盤提供支持。

利用CAD資源庫技術(shù)設(shè)計(jì)汽車底盤，可使得汽車底盤質(zhì)量和制圖效率得到大幅度提高，降低車輛設(shè)計(jì)開發(fā)的成本支出。在總布置數(shù)據(jù)庫中包含有數(shù)學(xué)模型運(yùn)行結(jié)果和動態(tài)變化的中間參數(shù)。在設(shè)計(jì)車輛底盤環(huán)節(jié)中會形成一系列數(shù)據(jù)，可將其作為后期設(shè)計(jì)參數(shù)改進(jìn)和設(shè)計(jì)工作完善的依據(jù)，降低汽車底盤設(shè)計(jì)工作量[5]。

4 CAD資源庫技術(shù)在汽車模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

模具是一種生產(chǎn)工具，可按照一定的尺寸和形狀要求生產(chǎn)出相應(yīng)的零件，也是常見的模子，在設(shè)計(jì)與制作模具時(shí)，其具有低成本、節(jié)省材料、高效率和高質(zhì)量等方面的優(yōu)勢。汽車覆蓋件模具設(shè)計(jì)是決定汽車新品設(shè)計(jì)開發(fā)質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，要求參與的工作人員必須具有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)的理論知識，同時(shí)能夠有機(jī)整合計(jì)算和推理方式，滿足設(shè)計(jì)需求。制作傳統(tǒng)的覆蓋件模具時(shí)，首先要完成工藝模型、主模型和主板制造，之后使用工藝模型作為靠模，在仿形機(jī)床上完成模具表面加工處理作業(yè)，最后綜合鉗工裝配、調(diào)試等方式，得到符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的模具。這種處理方式在實(shí)際應(yīng)用期間，不僅具有比較長的工藝流程，還具有比較低的模具表面精準(zhǔn)度。同時(shí)對參與模具制作的工作人員有很高的要求，缺點(diǎn)總體上是比較明顯的[6]。所以，在汽車模具設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中應(yīng)用CAD資源庫技術(shù)，可在一定程度上解決這種問題。

CAD資源庫技術(shù)可在不同層次的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)支持下，綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)設(shè)備和外圍設(shè)備設(shè)計(jì)模具方案，分析金屬板料沖壓成型過程，設(shè)計(jì)汽車模具結(jié)構(gòu)、生成模具數(shù)控加工刀具運(yùn)動軌跡、對數(shù)控機(jī)床進(jìn)行控制加工模具等。在20世紀(jì)末期，國外汽車公司就已經(jīng)投入力量研究CAD資源庫技術(shù)設(shè)計(jì)模具方案，研究成果在汽車車輛機(jī)身設(shè)計(jì)中被規(guī)?；瘧?yīng)用，隨即各大汽車制造公司紛紛建立完成公司內(nèi)部CAD系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)與制造汽車模具的時(shí)候投入使用。當(dāng)前，在我國汽車生產(chǎn)制造企業(yè)內(nèi)仍舊廣泛使用CAD資源庫技術(shù)，并且在計(jì)算機(jī)自動編程領(lǐng)域已經(jīng)取得比較顯著的成果，掌握了相對較為豐富的經(jīng)驗(yàn)，使得模具生產(chǎn)和使用效率獲得大幅度提高。但是，我國還存在部分汽車生產(chǎn)制造企業(yè)在設(shè)計(jì)模具的時(shí)候使用手工處理的方式，即使是使用CAD資源庫技術(shù)，也只是簡單地使用計(jì)算機(jī)設(shè)備完成二維設(shè)計(jì)，少數(shù)的汽車企業(yè)設(shè)計(jì)和制造汽車模具的能力與國際先進(jìn)水平接近[7]。

目前我國設(shè)計(jì)與制造汽車模具的效率處于比較低的水平，提出的設(shè)計(jì)方案也難以與當(dāng)前企業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展和汽車工藝創(chuàng)新相適應(yīng)，最終影響我國汽車行業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)，拉大了我國與國外先進(jìn)國家之間的差距。部分企業(yè)花費(fèi)大量資金從國外引進(jìn)CAD資源庫技術(shù)，由于企業(yè)生產(chǎn)的個(gè)性化，引進(jìn)的技術(shù)不能完全融合本土企業(yè)設(shè)計(jì)與制造環(huán)節(jié)，對汽車產(chǎn)品更新?lián)Q代產(chǎn)生嚴(yán)重的阻礙影響，降低車輛生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效益。汽車企業(yè)作為技術(shù)型企業(yè)，應(yīng)尤其關(guān)注技術(shù)創(chuàng)新，基于企業(yè)自身產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造訴求，整合內(nèi)部技術(shù)方面的資源研發(fā)CAD資源庫技術(shù)，對汽車設(shè)計(jì)與制造水平提高具有積極作用。在引進(jìn)國外先進(jìn)的CAD資源庫技術(shù)之上，取其精華，去其糟粕，基于計(jì)算機(jī)造型軟件實(shí)現(xiàn)技術(shù)的再度開發(fā)，以全新的、適合我國本土汽車行業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制作需求為目標(biāo)，提高CAD資源庫技術(shù)在模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用效果[8]。

5 CAD資源庫技術(shù)在汽車零部件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

汽車零部件數(shù)量眾多，結(jié)構(gòu)各異，是車輛設(shè)計(jì)制造的關(guān)注點(diǎn)，設(shè)計(jì)汽車零件主要包括設(shè)計(jì)電氣與電子零件、機(jī)械零件等?，F(xiàn)代信息技術(shù)推進(jìn)和計(jì)算機(jī)工程創(chuàng)新，讓原本單一化的設(shè)計(jì)軟件和設(shè)計(jì)功能呈現(xiàn)出多元化特征，諸如CAXA電子圖板、電氣AutoCAD、Pro/E等各種類型的軟件層出不窮，全面實(shí)現(xiàn)電氣電子元器件和機(jī)械零件設(shè)計(jì)功能，達(dá)到電氣電子系統(tǒng)CAD設(shè)計(jì)目標(biāo)。

就目前而言，在普通的車輛中，電子設(shè)備的設(shè)計(jì)與制作成本相對較高，占據(jù)整車的20%～30%，在高檔的車輛中，電子設(shè)備的設(shè)計(jì)與制作成本占據(jù)整車的一半以上。對比設(shè)計(jì)與開發(fā)汽車零部件，國內(nèi)在這方面的成績比國外還有很大的差距，應(yīng)用與研究汽車電子技術(shù)，大多數(shù)是基于電控系統(tǒng)CAD設(shè)計(jì)和CAD布線實(shí)現(xiàn)，所以國內(nèi)在設(shè)計(jì)與開發(fā)汽車電子產(chǎn)品的過程中，更加注重使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，展開汽車電子控制系統(tǒng)軟件的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與分析，在設(shè)計(jì)零部件的時(shí)候利用CAD資源庫技術(shù)，在設(shè)計(jì)與檢測印刷電路板、模擬工作環(huán)境、功能仿真分析、編輯電路圖等內(nèi)容中進(jìn)行[9]。CAD資源庫技術(shù)的應(yīng)用，還能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)汽車零部件快速提供多種類型的報(bào)表文件，方便于工程預(yù)算和電子元件購置。

6 計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)新發(fā)展

6.1 構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，完善設(shè)計(jì)方法

優(yōu)化設(shè)計(jì)法將汽車設(shè)計(jì)與開發(fā)方法推向新的高度，CAD資源庫技術(shù)的出現(xiàn)與應(yīng)用，匯總了汽車公司全部零部件的CAD數(shù)據(jù)，憑借計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，開發(fā)出新的軟件，讓多種不同類型的汽車零部件在CAD資源庫技術(shù)的作用下進(jìn)行組合，形成全新的汽車系統(tǒng)。雖然CAD資源庫技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)開發(fā)中的應(yīng)用時(shí)間總體比較短暫，但是其已經(jīng)發(fā)展得相對比較成熟，可以組合85%以上的零部件，基于存儲的數(shù)據(jù)信息組合成型，將完成的汽車系統(tǒng)在界面上顯示出來。這種設(shè)計(jì)方案會在很大程度上縮短汽車設(shè)計(jì)的時(shí)間支出，并且為設(shè)計(jì)成果的修改和評級提供方便。

6.2 開發(fā)設(shè)計(jì)人機(jī)接口和計(jì)算機(jī)畫圖系統(tǒng)

在對汽車三維立體模型進(jìn)行描述的時(shí)候，最常見的措施便是填充遮蓋處理表面之間的遮掩關(guān)系，這在實(shí)體模型方面存在欠缺?；贑AD資源庫技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)展開造型設(shè)計(jì)，可獲得立體造型。在未來，利用三維光學(xué)圖像生成技術(shù)表現(xiàn)汽車的空間形體。利用計(jì)算機(jī)造型技術(shù)可將設(shè)計(jì)師的思想反映出來，并保證反映結(jié)果的準(zhǔn)確性和快速性，在車輛設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)通過屏幕顯示研究和探究外形，一方面將汽車設(shè)計(jì)質(zhì)量獲得改進(jìn)，另一方面可節(jié)省研究探討的時(shí)間。為了在汽車開發(fā)環(huán)節(jié)中對計(jì)算機(jī)畫圖技術(shù)充分利用，需要按照實(shí)際需求開發(fā)全新的輸入裝置，將關(guān)鍵數(shù)據(jù)錄入到數(shù)據(jù)庫內(nèi)，滿足數(shù)據(jù)的調(diào)用需求。

7 CAD資源庫技術(shù)在其他方面的應(yīng)用

7.1 在空氣動力學(xué)方面的應(yīng)用

設(shè)計(jì)開發(fā)汽車車身造型的時(shí)候，空氣動力學(xué)的作用舉足輕重。關(guān)于空氣動力學(xué)的研究已經(jīng)有大量的研究成果，對研究方法做出總結(jié)歸納可分為兩種，分別為基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法的模型構(gòu)建和數(shù)值模擬、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，其中基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法的模型構(gòu)建和數(shù)值模擬又被稱作為計(jì)算流體動力學(xué)分析。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)可以得到良好可靠性、高精準(zhǔn)度的結(jié)果，但是具有比較長的實(shí)驗(yàn)周期和大的風(fēng)洞投資，阻塞效應(yīng)的存在也是影響風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)全面推進(jìn)的關(guān)鍵要素。此外，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)不能詳細(xì)地描述出整個(gè)流場，對汽車設(shè)計(jì)有一定的阻礙。相比較于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)具有比較低的費(fèi)用支出和比較短暫的開發(fā)周期，復(fù)現(xiàn)性相對良好，能夠?qū)崿F(xiàn)可視化處理，并獲得流場內(nèi)的物理量值。

7.2 快速成型技術(shù)

隨著汽車開發(fā)的深度推進(jìn)，利用快速成型技術(shù)取代泡沫塑料、軟木、石膏、油泥、ABS工程塑料板所呈現(xiàn)的樣板、局部模型、比例模型、草模等工程進(jìn)程，持續(xù)完善實(shí)體。

8 結(jié)語

在我國汽車企業(yè)開發(fā)環(huán)節(jié)中，CAD資源庫技術(shù)的應(yīng)用帶動了汽車設(shè)計(jì)與生產(chǎn)方式變革，但是相比較于國外的先進(jìn)技術(shù)，仍舊存在一定的不足亟待完善。當(dāng)前，CAD資源庫技術(shù)正朝向智能化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化方向發(fā)展，汽車企業(yè)技術(shù)人員要緊抓機(jī)遇、積極研發(fā)，綜合既有資源創(chuàng)新技術(shù)手段，與時(shí)俱進(jìn)，提高CAD資源庫技術(shù)助力企業(yè)行業(yè)發(fā)展的能力。

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作者簡介：

藍(lán)勤蘭，女，1984年生，機(jī)械助理講師，研究方向?yàn)闄C(jī)械加工制造。