計算機輔助設計在汽車設計課程教學中的應用

文少波 臧利國

[摘 要]本文以汽車設計課程的主要內容為基礎，結合本校學生知識水平和先修課程的情況，將計算機輔助技術合理地引入到教學過程中，使學生在掌握汽車專業知識的同時，學會運用現代設計方法和計算機輔助設計軟件，以滿足應用性本科學生的培養需求。在教學過程中，分別以汽車離合器、變速器和驅動橋殼的設計為例，從結構參數優化、虛擬仿真和有限元分析三個方面對計算機技術的應用進行了探索。實踐證明，將計算機輔助技術融入傳統課堂教學，能增強學生學習主動性，有效地提高教學質量。

[關鍵詞]計算機輔助設計；汽車設計；參數優化；虛擬仿真；有限元分析

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

○、引言

汽車設計是汽車工程專業的主干課程之一，主要內容包括汽車總體設計、離合器、變速器、萬向傳動軸、驅動橋、懸架、轉向系和制動系等各總成的設計[1]。其目的是使學生在對汽車性能和基本結構知識有較系統了解的基礎上，學習運用現代汽車設計方法，掌握先進汽車設計技術，從而達到基本具備分析和解決該領域問題的能力。汽車設計是一門實用性很強的課程，它綜合運用了大學基礎課程、專業基礎課和專業課的知識，其專業跨度大，涉及面廣，尤其涉及很多工程實踐和新技術的應用，授課難度較大，尋求一種新的教學方法成為當前教學中急需解決的問題。

計算機輔助設計（Computer Aided Design）是指工程技術人員在人和計算機組成的系統中以計算機為輔助工具完成產品的設計、分析、繪圖、制造等工作，并達到提高產品設計質量、縮短產品開發周期、降低產品成本的目的[2]。根據主要功能劃分，計算機輔助設計軟件有很多類，有側重于產品繪圖的CAD（Computer Aided Drafting）軟件，如AUTOCAD、Unigraphics（簡稱UG）、Pro/Engineering等；側重于工程分析的CAE（Computer Aided Engineering）軟件，如MATLAB、ANSYS等；側重于制造的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，計算機輔助設計軟件在二十世紀后期開始大量應用于工程設計，目前已成為現代化企業的必備工具。鑒于此，在大學本科基礎教育階段，很多學校專門開設了計算機輔助設計軟件課程。但在實際的教學過程中，往往都是將其作為一門專門課程來開設，學習過程隨著課程結束而停止。這種現象導致學生學習目的性不太明確，學習效果欠佳，不能與所學專業結合起來，無法促進其專業水平的提高和發展。作為應用型本科學校，其根本目標是為社會培養實用性人才[3]，培養學生如何解決實踐問題，具體使用軟件解決工程設計問題的能力尤為重要。

因此，結合本校學生知識水平和先修課程的情況，把計算機輔助設計用在汽車設計的教學環節中，改善傳統的課堂教學效果，同時提高學生的計算機軟件應用能力，值得我們探索。下面以汽車設計課程中的主要內容為基礎，根據設計過程中實際需求，從先進設計方法的角度出發，選用相應的計算機輔助設計軟件加以說明。

一、優化設計

汽車設計中很多零部件的設計，在設計過程中需要優化設計，以設計出較佳的產品。例如在離合器的結構設計中，需要確定離合器的性能參數和尺寸參數。傳統的設計方法是采用先初選、后校核的方法進行。這樣設計過程往往經過多次反復，最后所選的結果也只是一個相對合理的方案，不一定是最優方案。

對于離合器的參數優化設計，可采用如下思路：

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

2.目標函數：離合器參數優化設計追求的目標，是在保證離合器性能要求的條件下使其結構尺寸盡可能小，見式2所示。

3.約束條件：所設計的離合器，摩擦片的最大圓周速度、內外徑比、后備系數取值范圍、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化形式，常用的方法是采用懲罰函數法將其轉換成無約束優化問題進行求解[4]，這需要較復雜的數學推理和程序編制。對于應用性本科大學的學生而言，按照此思路優化計算有很大的難度。因此，在教學過程中，可以只講授優化設計思路，采用MATLAB軟件來實現具體優化設計過程[5]。在MATLAB軟件中，對于不同形式的優化設計問題，有相應的工具箱函數可以調用。例如對于上述問題，只需要分別建立目標函數文件objective.m和約束函數文件constrant.m的子程序，再編制主程序main.m調用工具箱函數fmincon即可解決。

通過將MATLAB軟件引入離合器的參數優化設計，可以使學生將主要精力用在離合器的設計學習上，著眼于汽車設計的教學內容，而不必進行深層次的數學分析處理。避免了設計過程中復雜的理論和計算，簡化了設計難度，達到了很好的教學效果。

二、虛擬仿真設計

隨著計算機技術的飛速發展，在現代設計方法中，為了降低成本，提高設計效率，廣泛采用虛擬仿真技術。它是以計算機三維實體建模為基礎，在虛擬條件下對產品進行運動仿真測試和分析。通過對產品進行運動學仿真，模擬實際工作狀態，驗證其運動的正確性，檢查運動機構間的協調關系，保證設備零件的干涉自由和運動協調，并根據零部件的干涉和運動情況完善設計。

汽車變速器用來改變發動機傳到驅動輪上的轉矩和轉速，目的是在原地起步、爬坡、轉彎、加速等各種行駛工況下，使汽車獲得不同的牽引力和速度，同時使發動機在最有利的工況下工作。在汽車設計課程教學中，機械式變速器的設計為學習的重點。

在學習機械式變速器的設計時，根據所給參數，計算各檔齒輪齒數是重要的學習內容。確定好各檔齒輪齒數后，可以對變速器進行虛擬仿真設計。在UG軟件中，按照理論計算所得的參數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。

通過虛擬仿真設計，可以直觀地顯示學生的設計成果，加深學生對所設計的變速器理解，提高學生的學習興趣和積極性。

三、有限元設計

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

但對于形狀和受力較為復雜的零件，例如汽車驅動橋殼，它起著支撐汽車質量，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，結構和受力都較為復雜。如果按上述方法簡化計算，不可避免產生較大的誤差，不能真實表達其實際應力大小及分布。在現代汽車設計中，往往是采用有限元分析來有效地解決此問題。

但對于本科學生而言，直接編程建立有限元模型并求解不太現實。結合實際生產中較為成熟的用法，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，現在已經廣泛應用于航空航天、機械、汽車、電子、土木工程等各種領域[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格劃分；分析計算模塊包括結構分析、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析等模塊，可模擬多種物理介質的相互作用；后處理模塊可將計算結果以各種形式顯示出來。

雖然ANSYS軟件具有強大的網格劃分、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），然后導入ANSYS軟件中進行有限元網格劃分（圖4）。添加載荷時，對于全浮式半軸驅動橋，其殼體載荷分析時，根據橋殼的受力情況，主要考慮以下三種特殊形式：

（1）當牽引力或制動力最大時；

（2）當汽車發生側滑時，側向力最大；

（3）當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，得到在相應載荷下殼體精確的應力分布及大小，最后通過后處理模塊將其結果顯示出來（圖5），以此為基礎對驅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，不僅提高了驅動橋殼的設計精確度，而且可以形象地顯示強度分析的結果，能夠加強學生對課堂教學內容的理解力和認知力。

四、結論

將通用計算機輔助設計軟件引入汽車設計的課堂教學環節，不僅可以有效地解決設計中遇到的問題，增強學生設計能力，而且能提高學生的學習興趣和軟件使用能力，也為學生畢業后能更有效地同生產實踐相結合提供了一個鍛煉的機會。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 王望予. 汽車設計：第四版[M]. 北京：機械工業出版社，2011.

[2] 潘云鶴，孫守遷，包恩偉. 計算機輔助工業設計技術發展狀況與趨勢[J]. 計算機輔助設計與圖形學學報，1999（3）：248-252.

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

[4] 康愷. 機械產品設計的結構優化技術運用探究[J]. 中國機械，2016（6）.

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

[6] 謝曉華. 參數化動畫與運動仿真相結合在UG教學中的應用[J]. 機電技術，2013（5）：46-47.

[7] 文少波. 基于UG 建模的機械式變速器設計[J]. 機械設計與制造，2009（9）：43-45.

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

[責任編輯：張 雷]