1 汽車產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)及發(fā)展方向

    目前對先進制造技術(shù)尚沒有一個明確的、一致公認的定義，經(jīng)過近年來對發(fā)展先進制造技術(shù)方面開展的工作，通過對其特征的分析研究，可以認為:先進制造技術(shù)是制造業(yè)不斷吸收信息技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)的成果，并將其綜合應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計、加工、檢測、管理、銷售、使用、服務(wù)乃至回收的制造全過程，以實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、靈活生產(chǎn)，提高對動態(tài)多變的市場的適應(yīng)能力和競爭能力的制造技術(shù)的總稱。所以，一個先進的技術(shù)其實需要其他基本技術(shù)的支持。圖1是先進制造技術(shù)的層次及技術(shù)來源示意圖。第一層次是鑄造、鍛壓、焊接、熱處理、表面保護、機械加工等基礎(chǔ)工藝，它們至今仍是生產(chǎn)中大量采用、經(jīng)濟適用的技術(shù)。這些經(jīng)過優(yōu)化而形成的優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔的基礎(chǔ)制造技術(shù)是先進制造技術(shù)的核心及重要組成部分;第二層次是制造技術(shù)與電子、信息、新材料、新能源、環(huán)境科學、系統(tǒng)工程、現(xiàn)代管理等高新技術(shù)結(jié)合而形成的嶄新制造技術(shù);第三個層次是先進制造集成技術(shù)。這是應(yīng)用信息技術(shù)和系統(tǒng)管理技術(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)庫對上述兩個層次的技術(shù)集成而形成的，如FMS、GIMS、IMS以及虛擬制造技術(shù)等。

    從技術(shù)群的角度可以將汽車制造技術(shù)分為三個層次:

    (1)主體技術(shù)群。它包括面向制造的設(shè)計技術(shù)群和制造工藝技術(shù)群。其中面向制造的設(shè)計技術(shù)群包括產(chǎn)品、工藝設(shè)計，它涉及計算機輔助設(shè)計、工藝過程建模和仿真、工藝規(guī)程設(shè)計、系統(tǒng)工程集成、工作環(huán)境設(shè)計、快速成型技術(shù)和并行工程技術(shù)等;制造工藝技術(shù)群涉及材料生產(chǎn)工藝、加工工藝、連接和裝配、測試和檢驗、環(huán)保技術(shù)和維修技術(shù)等;

    (2)支撐技術(shù)群。它包括信息技術(shù)、設(shè)計標準、工具工裝技術(shù)和傳感器控制技術(shù)等;

    (3)制造基礎(chǔ)設(shè)施，即制造技術(shù)環(huán)境。它包括質(zhì)量管理、用戶供應(yīng)商交互作用、工作人員培訓和教育、全局監(jiān)督和基準評測、技術(shù)獲取和利用等。

    本文將主要討論汽車制造主體技術(shù)群中的面向制造的設(shè)計技術(shù)群以及這些技術(shù)在汽車制造中的應(yīng)用。

    汽車設(shè)計通常經(jīng)歷如下過程:首先采用快速成型技術(shù)進行汽車造型設(shè)計，然后采用嘆天PFO/E等三維軟件進行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計和工程設(shè)計，此后采用AUNAS等動力學軟件進行動力學仿真，以及利用CAE軟件如AI\S} PATRAN/NASTRAN%A行工程分析和優(yōu)化，再利用碰撞軟件DYN03D或IW咫環(huán)走囚勝行整車的碰撞性能仿真計算等。在工程設(shè)計和分析階段又采用了如下技術(shù):汽車系統(tǒng)建模與仿真設(shè)計方法、汽車相似理論與�；�技術(shù)設(shè)計方法、基于知識和經(jīng)驗的設(shè)計開發(fā)方法與知識驅(qū)動的設(shè)計自動化方法、汽車智能 CAD/CAE/CAM及一體化設(shè)計方法、汽車設(shè)計平臺化與模塊化設(shè)計方法、三次設(shè)計方法、虛擬現(xiàn)實與虛擬設(shè)計等汽車設(shè)計先進理念。此外在產(chǎn)品數(shù)據(jù)和開發(fā)環(huán)境上采用PI件實現(xiàn)并行工程開發(fā)環(huán)境和數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理。

    采用上述先進的軟件、設(shè)計技術(shù)和管理方法，能大大提高設(shè)計質(zhì)量，縮短開發(fā)周期，搶占更大的市場。同時也逐步實現(xiàn)了產(chǎn)品開發(fā)數(shù)字化和企業(yè)的集團化。其中，基于上述汽車產(chǎn)品設(shè)計方法和理論的發(fā)展，USVA件以其優(yōu)越的性能脫穎而出，在全球CAD軟件銷售搶占了近二分之一的市場。

    2 UG軟件中針對汽車產(chǎn)品開發(fā)的模塊

    UG軟件從70年代開發(fā)以來，經(jīng)歷了基于圖紙(74年)、基于特征(88年)、基于過程(95年)和基于知識(2000年)的發(fā)展階段，功能不斷得到擴展，在CAD/CAE/CAM/PLM等領(lǐng)域占有的市場不斷擴大，有獨領(lǐng)風騷之勢。UG軟件包含CAD/CAE/CAM計算機輔助工業(yè)設(shè)計、知識驅(qū)動自動化、數(shù)據(jù)交換和其他特殊應(yīng)用等功能。但其主要優(yōu)勢主要體現(xiàn)在如下幾個方面:

    2 1 CAD造型和建模

    UG軟件在CAD方面的建模和造型分為兩個模塊一實體造型和自由曲面造型。在造型功能方面，除其他軟件所具有的通用功能外，它還擁有靈活的復(fù)合建模、齊備的仿真照相、細膩的動畫渲染和快速的原型工具，僅復(fù)合建模就可讓用戶在實體建模、曲面建模、線框建模和基于特征的參數(shù)建模中任意選擇，使設(shè)計者可根據(jù)工程設(shè)計實際情況確定最佳建模方式，從而得到最佳設(shè)計效果。在加工功能方面，UG件針對計算機輔助制造的實用性、適應(yīng)性和效能性，通過覆蓋制造過程，實現(xiàn)制造的自動化、集成化和用戶化，從而在產(chǎn)品制造周期、產(chǎn)品制造成本和產(chǎn)品制造質(zhì)量諸方面都給用戶提供了極大的收益。

    2 2 CAE模型

    UG/CAE分析模塊主要包含結(jié)構(gòu)模擬和運動分析，以及其他的仿真模塊。其中，

    (1)結(jié)構(gòu)模擬指包括UG/Scenario for FEA和CG/Scenario for ANISYS以及UG/FEA;其中UG/Scenario for FEA和UG/Scenario for ANSYS是進行前處理和后處理，UG/FEA是植入式的有限元求解器。通常，用戶可以在嘆;環(huán)境內(nèi)利用嘆;強大的CAD功能對零件和裝配過程進行創(chuàng)建、修改、更新等操作，并將幾何模型轉(zhuǎn)換成所需要的有限元模型。

    UG/Scenario for ATIS使用了AT\bYS公司授權(quán)的有限元單元網(wǎng)格技術(shù)，UG/Scenario forFEA則是使用了MSC公司授權(quán)的網(wǎng)格劃分器可以迅速有效的在幾何體上進行網(wǎng)格劃分，其中支持的網(wǎng)格單元有薄板體的殼單元、實體體單元、梁、剛性連桿和彈簧等，并且可以指定相應(yīng)對象的實體密度等物理特性。

    UG/FEA是一個有限單元求解器，它提供了在份環(huán)境下分析的方案。可以進行線性靜力分析、模態(tài)分析、線性屈曲分析、間隙支持和穩(wěn)態(tài)熱傳遞分析等。

    (2)運動分析模塊則提供了機械運動的虛擬樣機�？梢赃M行運動學和動力學分析，通過使用各種運動對象包括運動副、彈簧、阻尼器、運動驅(qū)動器、力、扭矩、柔性套管等來創(chuàng)建和評估虛擬樣機，同時通過干涉檢查結(jié)果、圖、表、動畫、電子表格等輸出，很形象直觀的得到相應(yīng)數(shù)據(jù)。

    (3)其他仿真模塊。嘆;不斷開發(fā)出的新模塊，如注塑模分析仿真。它提供了針對注塑零件易用的、完全的塑料流動分析。由于份在版本的不斷更新，在使用界面與操作步驟方面變得更為簡單、靈活，能夠讓份用戶在較短時間內(nèi)完成對CAE部分的掌握，并進行運用，讓產(chǎn)品在設(shè)計過程中就避免了以往只有在實際生產(chǎn)時才發(fā)現(xiàn)的問題如運動干涉等，進而提高了設(shè)計生產(chǎn)效率。

    2 3 CAM模塊

    在UG的發(fā)展過程中，CAM.直是加工業(yè)者最可靠的工件伙伴。它不僅提供可靠、精確刀具路徑，更讓NC編程人員可以隨心所欲地設(shè)計出心目中最有效率的加工程序。去年CIMdata的調(diào)查報告指出，EDSUG被視為所有CAM件供應(yīng)商中的最強大的競爭對手。

    UG/CAM有下列幾個特點:

    (1)提供可靠、精確的刀具路徑;

    (2)能直接在曲面及實體上加工;

    (3)良好的用戶界面，并允許使用者能依工作上的需要，定制用戶界面;

    (4)提供多樣性的加工方式，方便呢編程人員設(shè)計各種高效率的刀具路徑;

    (5)提供完整的刀具庫及加工參數(shù)庫管理功能，使新進人員能充分利用資深人員的經(jīng)驗，設(shè)計優(yōu)良的刀具路徑;

    (6)提供通用型后處理功能，產(chǎn)生各種NC加工機適用的NC程序。

    2.4 知識工程

    自2000年，UG公司將軟件發(fā)展的重點放在知識工程的應(yīng)用上，與上海同濟同捷科技股份有限公司成立了知識工程組，采用知識驅(qū)動CAD軟件開發(fā)機械產(chǎn)品。知識工程的知識來源有二:

    ①業(yè)界標準知識。通過知識驅(qū)動自動化功能提供過程向?qū)Ш椭�理，如UG模具向?qū)?mold Wizard)，UG齒輪工程向?qū)?Gear EngineeringWizard)，UG/車門向?qū)?UG/DoorWizard)，UG/沖模工程向?qū)?Die Engineering Wizard)等。這些模塊將業(yè)界知識應(yīng)用到專門的任務(wù)中，從而建立集成的解決方案，使嘆準欠件具有更強的功能、更易于使用和更高的生產(chǎn)率。

    ②公司獨特的知識。通過新模塊UG知識融合(UG/Knowledge Fusion)能夠快速和方便地添加公司獨特的知識，如工程規(guī)則等去驅(qū)動一個模型或建立實制的過程向?qū)Ш椭�理，使基于知識工程的環(huán)境能直接進入UG的核心。

    2.5 工作模式

    UG公司通過改變工作模式提高工作效率，改變用戶對軟件的使用方便性。主要體現(xiàn)在如下幾個方面：

    (1)從串行工程轉(zhuǎn)變到擴展企業(yè)范圍的并行工程(處用UG/in-KEY)。在早期計算機輔助設(shè)計、工程和制造階段，各工程之間沒有信息交流，各個工程獨立工作，需要在設(shè)計、分析和制造過程中重復(fù)建立模型，形成了CAX軟件之間的“信息孤島”。采用UG/in-KEY技術(shù)和iMAN軟件后，CAX軟件之間實現(xiàn)了信息反饋，這不僅減少了建模方面的重復(fù)工作，提高了工作效率，而且還提高企業(yè)范圍內(nèi)各部門之間的合作，實行并行工程，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，提高市場反應(yīng)速度(見圖2)�；�于并行工程。汽車設(shè)計也從原來的36-48個月，縮短為12-18個月。

    (2)從零件的參數(shù)化建模轉(zhuǎn)變到產(chǎn)品的參數(shù)化建模(利用UG/Wave)。零件的參數(shù)化是為了便于零件的系列化和通用化，而產(chǎn)品的參數(shù)化是為了實現(xiàn)產(chǎn)品的系列化。這一功能是基于UG/Assembly功能之上。一個產(chǎn)品往往是由幾個零部件裝配而成的。產(chǎn)品的參數(shù)化設(shè)計是大型產(chǎn)品平臺化設(shè)計和柔性制造的基礎(chǔ)。通過平臺化柔性化設(shè)計，可以擴大產(chǎn)品的系列化生產(chǎn)，提高產(chǎn)品生產(chǎn)的批量，降低產(chǎn)品的成本。全球最大的汽車制造商比如通用、福特等公司均采用基于參數(shù)化建模的平臺化設(shè)計方法。

    (3)從基于二維工程圖紙的開發(fā)過程轉(zhuǎn)變到以三維實體模型為中心的開發(fā)過程(利用主模型方法)。二維圖紙是廠家必須參照的資料，但是現(xiàn)代化生產(chǎn)需要的是三維實體模型。主模型思想就是在一個企業(yè)內(nèi)部，同一個產(chǎn)品，只有一個主模型，該產(chǎn)品的CAE工程、二維圖紙、裝配模型和制造模型等都是來自主模型，這樣保證了該產(chǎn)品信息的一致性。這也是近年來汽車產(chǎn)品開發(fā)采用的設(shè)計思想。用三維模型取代二維圖紙，不僅可以實現(xiàn)虛擬建模、虛擬裝配，還能在三維環(huán)境中檢查干涉，進行運動校核和動力學仿真。

    3 利用UG軟件進行汽車產(chǎn)品開發(fā)的模式

    客戶化嘆準欠件提供CAD/CAM/CAE業(yè)界最先進的編程工具集，去定制嘆環(huán)口裁剪它以滿足一個企業(yè)的需求，這組工具集稱之為UG/Open,它是一系列UG開發(fā)工具的總稱。它們隨UG一起發(fā)布，以開放性架構(gòu)面向不同的軟件平臺提供靈活的開發(fā)支持。包括:

    (1) UG/OpenUIStyler。它是為了構(gòu)建UG風格對話框的一個直觀可視化的編緝器;

    (2) UG/OpenGrip。它是為了自動化CAD/CAM/CAE任務(wù)的一種腳本語言;

    (3)UG/OpenAPI。它提供一種直接編程接口到UG允許用戶建立客戶化的應(yīng)用，它使用許多當前最流行的編程語言，包括C、C++和JAVA UG/OpenAPI可以調(diào)用內(nèi)部和外部的UG函數(shù)。外部UG是獨立于UG之外的普通C程序，通過UG運行庫調(diào)用API的功能;內(nèi)部UG是運行在UG內(nèi)部的API程序，通過動態(tài)鏈接成為UG的一部分;

    (4)UG/OpenMenuscript。它是UG定義菜單的語言，通過Menu Script可以實現(xiàn)對菜單項的添加、修改、移動、刪除，并運行UF, Grip; UI DLG系統(tǒng)命令等;

    (5)UG/Open它是一種真正面向?qū)ο蟮呐cUG的接口，用C++語言編寫。這種編程接口有面向?qū)ο筇攸c的全部優(yōu)點，包括繼承，壓縮和多形性。

    在上述開發(fā)工具的基礎(chǔ)上，研制了一套基于UG平臺的汽車產(chǎn)品開發(fā)模式，如圖3所示。

    4 基于UG平臺知識驅(qū)動自動化產(chǎn)品

    從1996年起，同濟大學就開始從事嘆準欠件的應(yīng)用和開發(fā)工作。在近5年的時間內(nèi)，根據(jù)上述開發(fā)模式開發(fā)了以下近10個汽車和機械相關(guān)產(chǎn)品

    .基于知識的齒輪設(shè)計軟件(Gear wizard);
    .基于知識的整車設(shè)計軟件;
    .基于知識的車門設(shè)計軟件(Door wizard);
    .基于知識的軸承設(shè)計軟件;
    .基于知識的減速箱(變速器)設(shè)計軟件(Gearbox wizard);
    .基于知識的液壓成型設(shè)計軟件;
    .基于知識的懸架設(shè)計軟件;
    .基于知識的模型質(zhì)量檢查軟件;
    .基于知識的客車底盤總布置設(shè)計軟件。

    其中懸架設(shè)計軟件由數(shù)據(jù)庫部分(知識庫)、CAD建模、CAE工程分析、逆向工程、文檔等模塊組成。各模塊的功能如圖4所示。知識庫中保存懸架建模和分析的的初始數(shù)據(jù)，同時也保存建模過程和CAE分析過程的中間數(shù)據(jù)。而CAD和CAE模塊均采用UG軟件實現(xiàn)。CAD建模模塊用UG軟件睥二次開發(fā)功能，即采用程序驅(qū)動懸架的建模。它包括七種車型懸架系統(tǒng)精確建模以及上典型懸架參數(shù)化模板和參數(shù)驅(qū)動工程。CAE模塊采用UG/Secnario for Strucutrue實現(xiàn)，能完成懸架運動學動力學、運動學，車輛的平順性、穩(wěn)定性分析以及懸架系統(tǒng)的優(yōu)化計算。文檔模塊提供各功能模塊的開發(fā)文檔和使用說明、懸架系統(tǒng)設(shè)計機理、方法、準則的技術(shù)報告、懸架系統(tǒng)測繪、逆向工程分析的技術(shù)報告、懸架系統(tǒng)性能的評價指標和性能試驗方法的技術(shù)報告、典型車型懸架系統(tǒng)的驗證設(shè)計、性能分析、測試對比報告以及項目驗收總結(jié)報告等。逆向工程模塊進行懸架系統(tǒng)測繪、光順和建模等反求工作。基于嘆平臺的系統(tǒng)菜單和對應(yīng)模塊功能采用UG/Oper接口和C/C++開發(fā)。

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