淺談汽車機械結構數字化設計

余家平

摘? 要：一輛汽車的設計與生產有眾多環節，汽車機械結構設計是可以被稱為汽車生產設計的各環節中最基本的一環節，這一環節與人息息相關，復雜且重要是顯而易見的，此外，其也有以人為本的要求被提出。當今社會，計算機產業飛速發展，計算機技術也不斷加強，在這種大環境的熏陶下，汽車的設計與生產便也與計算機技術有所融合，這種融合便是數字人體模型技術。這種技術是通過采集人類測量數據將人體進行虛擬模擬，之后使用強大的作圖軟件將汽車與人的結合設計進行虛擬演練。這樣的新技術大大提高了設計質量和開發成本。本文通過對汽車進行各方面研究從而分析汽車機械結構虛擬設計。

關鍵詞：汽車、機械結構、數字化、虛擬設計

引言：

汽車的設計和生產十分復雜，涉及各種領域和多重技術，并且因為汽車載人的特殊性，其所要滿足的性能要求也十分嚴格，每個工作階段都需要使用各種不同的設計驗證技術。然而，現在通過采用計算機新技術，通過計算機的輔助，只需將整個產品開發過程和計算機技術有效結合便可以達到設計加速優化，成本降低等優良效果。

數字虛擬技術是一種整合了所有種類的計算機技術，并為應用發揮所有可能性的技術。其使產品開發和設計能夠以數字模型的方法在計算機系統中可靠地完成產品設計和驗證。在汽車的開發中，虛擬技術有助于決策者制定初始計劃并跟蹤設計計劃。它有助于加強不同場所之間的合作，共同解決設計、生產等多方面技術問題。在設計和生產汽車時，汽車都需要通過重重檢測和查驗來證明其設計的完善和質量的優良。然而，很多時候設計師并不能預料到所有的問題，一旦出現問題便會大大加重成本負擔。為了盡早避免設計錯誤，該技術便出現在了汽車的設計生產中。該技術可以幫助設計師模擬出各種狀況并盡快獲取產品信息以進行市場調查。經過產品開發全過程的數字虛擬技術綜合和系統地優化產品特性，大幅縮短開發周期，大幅降低開發成本，提高產品質量，最終提高市場企業的競爭力。

一.汽車機械結構分析

1.1汽車內部機械結構設計

汽車內部的機械結構十分復雜，其要考慮多種因素，自成一套體系，從概念、設計到驗證，在考慮這方面時設計師會碰到很多限制與有關人體工程方面的分析。汽車內部結構的設計是一種多維結構設計的過程，也是一種連續迭代地確定優化方法的設計過程。

1.2汽車機械結構的強度及剛度分析

汽車生產時必須要了解其剛度要求才能出產。汽車機械結構設計符合規定時，汽車機械結構所用的合規材料有吸收沖擊力的能力，在變形各階段的初期階段可以吸收沖擊，保護車內人們的身體安全。汽車的強度其實也可以認為是其能夠承受負荷的大小為多少，一般來說，機械結構的強度和其工作時應力的大小成正比例。在汽車機械結構的設計與分析中，剛性是整個設計中絕對不容忽視的一大問題，如果剛度滿足了要求，那么相對的該車的出產強度也絕對可以達到規定數值。我國高強度鋼板的設計要求通常為強度高、有較高綜合力學性能，所以其抗拉能力和屈服強度要求可以通過特定的傳統工藝，將普通強度鋼板設計成高強度鋼板。對于許多先進的高強度鋼板，需要借助于與先進裝置相關的工藝方法。例如馬氏體鋼、復相鋼板等。

1.3車型主要結構尺寸分析

整車需要確定結構尺寸的位置有：踏板、轉向盤及整個轉向系統、換擋桿與手剎結構、行李箱結構、座椅、儀表盤、頂蓋、玻璃等。

以上的所有汽車結構的相關問題都有銘文法規規定，在生產汽車時都需根據規定進行校核，合格后才可投入生產，例如，安全帶固定位置、儀表盤可視范圍等。在過去，確定這些規范需要工作人員進行一次次實驗與研究，然而，隨著科技與計算機的不斷發展，汽車的開發設計也與計算機相結合，在如今，工作人員可以使用CAD等軟件進行三維數字設計，在電腦上模擬出虛擬的汽車結構，提前得知設計是否合理，大大降低了試錯成本和節省了費用。

二.數字化三維人體模型

人類是產品生產整個周期的所有階段中最重要的因素。數字3D人體模型從最初的概念設計到最終產品驗證都在像人們證明其可以在汽車虛擬設計和制造的全生命周期中有效地應用。

數字人體模型技術有助于設計師確定人體在相應工作環境中的性能，并確定人體的大小/形態/功能及其位置，以滿足舒適性和安全性的標準。虛擬CAD設計數據可以通過虛擬人體模型完成操作任務和分析工作。通過3D人體模型，可以使數字人體和電子樣車對人和車的相關元件進行模擬分析和驗證操作性、舒適性、可見性等重要設計要素。在汽車內部結構設計過程中，應用數字三維人體模型可以提高設計效率和質量，提高安全性和人體機械工程性能，減少實物樣車的制造、驗證工作和周期。

主要的國際航空公司和其他大飛機和汽車公司都在產品生命周期的各個方面和階段逐漸接受并應用了數字三維人模型。CATIA、EDS和其他大型軟件公司還為用戶啟動了數字三維人體模塊，并持續補充和改進數據庫。

三.三維人體模型的汽車室內數字化設計

Catia提供基于人體工程學的模塊。而且，那個特別能用于在視覺和支配空間設計領域，基于人體工程學的設計很受人們歡迎。其獨特的功能為用戶提供了巨大的幫助，大大減少了設計者的負荷。

3.1視野設計

Catia的人體工程學模塊提供了視野的能力。通過使用這個功能，可以快速檢查汽車內部裝修設計。并且，它可以直觀地反映驅動程序的視野，讓Catia用戶可以輕松設置視圖的范圍。在汽車儀表板的視覺檢查領域，根據人的生理原理可以設定視野范圍。接下來，使用視野函數確認視野。同樣，CATN的視野功能也可以用于幫助設計和檢查視野前方的區域和盲區。前視設計主要考慮交通燈和前方道路對象是否容易觀察。

3.2可操性設計

在CATIA中，人體模型可以在實際生產中清楚地模擬各種操作狀態和人的操作姿勢，并幫助用戶設計各種人體工程參數。在特定姿勢下，駕駛員的手的擴展和接口的設計是汽車室內裝飾人體工程設計的重要部分。CATA可以提供上肢可以到達的所有空間位置域。該功能能夠直觀地表示操作面板的各操作按鈕的變速桿等室內部件是否在手能到的范圍內。

3.3室內空間設計

由于內部空間的限制，在設計過程中需要考慮空間的大小。由于CATA是一個三維軟件平臺，所以人類的活動空間一目了然，其優秀的直觀性便在此體現，其還為設計師的工作帶來了巨大的便利。

四.結束語

在軟件平臺上構建的3D人體模型，與設計對象的3D模型相互作用，兩者相輔相成，在軟件平臺上實現人類機械系統的直觀顯示，可以使產品設計更迅速、更可靠。以CATA軟件為例，其介紹了在數字平臺下建立汽車室內人體模型和人體工程設計的方法。在本文中，人體模型指的是人體測量數據的一部分，利用一部分數據便可以得出建議的人體模型數據，當然，如若擁有更細化的人體測量數據那么更能豐富該人體模型。CACA提供的人體工程設計功能，能為設計師提供非常有效的幫助，在視野和可操作的內部空間設計中，特別是產品設計的效率和質量可以大大提高，有了這種技術的幫助，對于今后的一些產品的設計與生產都有很大的作用。

參考文獻

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