汽車虛擬仿真設計技術發展探究＊

王中長

（濱州學院 機電工程系，山東 濱州 256603）

汽車虛擬仿真設計技術發展探究＊

王中長

（濱州學院 機電工程系，山東 濱州 256603）

利用汽車虛擬仿真設計技術進行汽車產品的設計開發，既可以提高產品的設計精度和質量，還可以大幅度降低產品的生產成本和研發周期，在汽車產品設計中的應用前景將非常廣闊。本文為系統了解汽車虛擬仿真設計技術的發展，通過研究國內外汽車虛擬仿真設計軟件設計過程的特點，總結了汽車設計中虛擬仿真技術的應用，對汽車設計水平的發展具有指導參考意義。

汽車；設計軟件；虛擬仿真；發展探究

隨著CAD、CAE和CAM技術的快速發展，汽車的設計制造開始有了新的設計理念和方法，產品的設計也進入新的發展時代。虛擬仿真設計技術，能大幅度提高汽車產品質量和產品先進開發能力，近年來倍受汽車企業青睞[1]。在歐美發達國家，CAD/ CAE/CAM技術已有40多年的發展歷史。像通用汽車集團通過此技術每10多天出一款新車型, 波音747飛機的全程無紙化的設計與加工。在國內，一些大型的汽車企業都開始利用CAD/CAE/CAM 技術進行實際產品的開發, 如零部件、易損件、覆蓋件的設計、汽車輕量化設計、整車性能分析與優化等。現在我國的虛擬設計軟件市場，逐漸形成了國內外二、三維軟件互相競爭共存的局面。

1 通用汽車CAD設計技術

通用汽車CAD設計技術是進行汽車設計的基礎平臺，利用它可以在設計過程中完成汽車產品的造型、零件設計、裝配設計，并生成數模和工程圖紙。主要分為二維CAD設計和三維CAD設計，下面將詳細闡述這兩類設計技術所涉及的軟件的應用。

1.1 二維CAD設計

1.1.1 AutoCAD

對于二維設計軟件來說，AutoCAD是當前世界上應用最廣、最普遍的。它是由美國的歐特克公司開發的一款二維繪圖設計軟件，繪圖員可以通過它來完成設計圖形的新建文件、打開原有文件、管理各類文件、輸出文件以及區域集成共享文件等。AutoCAD軟件在國內外應用非常廣泛，很多二維繪圖的標準都是根據它來定包括國內外各企業間圖紙的交流、設計方案的制定以及加工原料的要求等，都是利用了它的DWG文件格式。如圖1所示為AutoCAD工程圖紙的一個實例。

圖1 AutoCAD工程圖實例

盡管AutoCAD軟件本身的功能非常豐富，但其還預留了很多可以讓用戶在其平臺下進行二次開發，設計出適應各自行業發展的專用軟件，汽車、建筑和航天等都有涉及，現在已經漢化的非常成熟，適合中國人操作。

1.1.2 清華天河PCCAD

清華天河PCCAD通過先進的技術，在保留了傳統經典AutoCAD功能平臺的同時，開發了更加智能化、特征化、參數化、專業化、用戶化、標準化、集成化的軟件。

此軟件主要特點有5個，一是繪圖效率高，比直接使用AutoCAD要快5-8倍；二是有多種數據接口，既可以利用各種現有資源，生成明細表，繪制表格等，還能通過導出文本文件和天河通用導出各種類型的數據；三是它的參數化、系列化國標庫和零件庫，并完全基于參數化的設計，提高一些標準件和常用件繪制的效率。四是二次開發手段方便，技術人員可以方便地擴充它的功能，開發適合自己的符號庫和零件庫。當然，國內還有很多不同的繪圖特點二維CAD設計軟件，見表1。

表1 其他國產二維CAD設計軟件

1.2 三維CAD設計

1.2.1 Pro/Engineer

Pro/Engineer又名Pro/E，是由美國的參數技術公司開發的三維CAD設計軟件，它的主要特點是參數化設計應用，是參數化設計最早的利用者，是當今世界上主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，漢化成熟，因此在國內很多的汽車企業特別是重型汽車的產品設計領域占有很大的比重[2]。圖2所示為Pro/ Engineer繪制的鏟車三維圖。

圖2 Pro/Engineer繪制的鏟車三維圖

1.2.2 UG

UG是一個交互式的CAD/CAM設計軟件，它功能非常強大，尤其是模具設計、制造與加工方面有很大的優勢，可以輕松實現各種復雜實體及造型的設計建模。UG于1969年開始開發，研發開始主要是基于工作站，利用C語言實現的。但隨著計算機硬件的發展以及個人用戶的增長，在計算機上的應用取得了快速增長，現在已經逐漸成為模具行業主流的三維設計軟件。現在已經漢化的非常成熟，適合中國人操作。圖3所示為利用UG軟件繪制的奧迪轎車三維圖。

圖3 UG繪制奧迪轎車三維圖

1.2.3 SolidWorks

SolidWorks公司于1993年成立，1995年推出第一套SolidWorks三維CAD設計軟件后，發展異常迅速，到2010年就推廣到全球銷售。后來法國達索公司將它收購后加以開發，作為主要的銷售品牌。它的主要特點是界面最接近Windows系統，會基本的計算機操作基礎就可以快速學會，而且網絡開源資料非常多，好學易懂，完全漢化，備受廣大設計工程師的青睞。

1.2.4 CATIA

CATIA用途很廣泛，在航空與航天、汽車、船舶、建筑等方面都有涉及到。用途最多的是汽車行業，比如國外用它來設計汽車產品的有福特汽車、通用汽車、寶馬汽車、豐田、本田、雷諾、菲亞特、三菱等，在國內有上汽集團、一汽集團、奇瑞汽車等大公司也在使用。航空方面有波音麥道、空客、達索飛機等，歐盟各成員國和美國的軍方都用CATIA進行設計。

CATIA主要特點是曲面、結構設計能力非常強大，設計精度非常高，漢化程度較高。圖4為利用CATIA繪制的發動機內部結構。

圖4 CATIA繪制的發動內部機結構圖

2 多體動力學仿真技術

多體動力學仿真技術是隨著三維設計技術的發展而產生的專門針對復雜機械系統的運動學和動力學進行模擬仿真的工具。最初只用來研究剛體的仿真，現在隨著柔體動力學的發展，剛柔耦合的多體仿真技術已經趨于成熟。汽車系統多體動力學仿真類軟件主要有ADAMS、SIMPACK、DADS等，下面就主要的ADAMS和SIMPACK兩中來介紹。

2.1 ADAMS

ADAMS是多體動力學仿真設計用途最廣的軟件之一，由美國MDI公司開發，在全球各大汽車企也廣泛應用。它擁有完善的繪圖環境，能及時調取自己的零件庫，豐富的約束庫和力庫，還有先進的拉格朗求解器，能進行靜力學、運動學和動力學仿真分析。參數化的設計界面可以進行機構的優化設計[3]。

ADAMS不僅能夠進行靜力學、運動學和動力學分析，還預留了很多開放性的程序結構和多種接口，并且從2013版開始漢化，便于一些分析工程師進行二次開發，進而研究出適合自己的設計工具。

2.2 SIMPACK

SIMPACK軟件是由德國的INTEC Gmbh公司研發的專門針對機械和機電系統運動學與動力學仿真分析的多體動力學分析軟件。它以多體系統計算動力學為基礎，涵蓋多個專業模塊和領域的虛擬樣機開發系統軟件。SIMPACK軟件的主要應用領域涉及了汽車、軌道鐵路、航空與航天、輪船等行業。SIMPACK軟件包括運動學和動力學的基本模塊、輪軌專門模塊、汽車模塊、發動機模塊、柔性體處理模塊、CAD接口模塊和優化模塊(Optimization)等部分。圖5所示為利用SIMPACK軟件構建的后排料水泥攪拌車的虛擬樣機模型。

圖5 SIMPACK軟件構建的后排料水泥攪拌車虛擬樣機模型

3 結構強度分析技術

對于新車開發中的零部件、系統以及整車的疲勞、壽命、振動、噪聲、輕量化等結構強度和剛度問題[4]，可借助結構強度仿真分析技術在設計階段解決，從而大幅度提高產品的設計質量，縮短了產品開發周期，同時還避免了反復試制帶來的損失，節省了開發費用。汽車用的結構強度分析類軟件主要有HyperMesh、ANSYS、MSC/NASTRAN、ABAQUS等。

3.1 HyperMesh

在結構強度分析技術領域,HyperMesh主要特點是前處理劃分有限元網格的功能非常強大。它能讓結構強度分析工程師在高度交互及可視化的環境下進行仿真分析工作。其他有限元前處理器不如HyperMesh的圖形設計界面方便、智能，他可以將在通用三維CAD軟件中建好的幾何模型直接快速的導入，并且導入模型質量非常好，基本上不用大幅度的修改，從而提高了工作效率。HyperMesh也具有一定的后處理器模塊，能完成各種復雜的仿真，像一般有限元軟件都能產生的云圖、曲線標和動畫等[5]。如圖6所示為Hypermesh設置的摩托車輪胎周圍的計算流體力學網格。

圖6 Hypermesh設置的摩托車輪胎周圍的計算流體力學網格

3.2 ANSYS

ANSYS軟件是一種常用的結構強度分析軟件，它由全球最大的有限元分析軟件公司美國ANSYS公司開發，能夠進行機構結構靜力學分析、結構強度和剛度、流體動力學分析、磁場分析、電場分析、聲場分析等方面的仿真分析，且能夠輕松的同大多數通用的三維設計軟件進行模型、數據共享和交換，比如常見的CAD設計軟件AutoCAD、Pro/Engineer、UG、solidworks等，是當今世界機械、汽車、航天、船舶等工業產品設計中的高級分析工具[6]。圖7為ANSYS軟件分析的構件云圖。

圖7 ANSYS軟件分析的構件云圖

當然在一些結構強度分析過程中，分析工程師要善于利用各個分析軟件的特點進行利用，比如可以利用HyperMesh方便智能的前處理器對產品進行網格劃分等前處理，再利用ANSYS的LS-DANA求解器進行計算，再通過后處理對結果進行分析。

4 結語

本文通過對汽車設計過程中用到的虛擬設計軟件進行研究，得到汽車虛擬仿真設計技術的發展現狀以及存在的問題，以及各種設計軟件的特點及聯合利用，還有國外軟件現存的漢化問題、專業化二次開發問題等，為汽車虛擬仿真設計提供參考依據。

[1] 譚澤飛.計算機輔助工程(CAE)在汽車工業中的應用[J].森林工程.2005(03).

[2] 李世蕓,李華,鄧榮兵.三維CAD/CAE技術在汽車部件設計中的研究及應用[J].昆明理工大學學報(理工版).2003(03).

[3] 張鐵山,胡建立,唐云,等.CAD/CAE技術在汽車車架設計中的應用[J].上海工程技術大學學報.2001(03).

[4] 陳智.CAD/CAE技術在汽車輕量化中的應用[J].內蒙古林學院學報.1999(02).

[5] 溫志偉,陳江海.CAE在汽車開發中的應用[J].中國水運(理論版).2007(08).

[6] 蔣元廣,張丙軍,朱衛慶.結構仿真分析技術在汽車上的應用與展望[J].輕型汽車技術.2006(01).

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濱州學院科研基金項目（BZXYQNLG201402）。