CAD資源庫技術在汽車開發中的應用研究

藍勤蘭 池杜旺

摘要：伴隨我國經濟水平的提高，汽車等物質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，加上行業內部各家企業之間競爭日漸激烈，知識產權保護方面的壓力加重。汽車企業在開發研究中要不斷培養和提高產品自主設計與研發能力，熟練掌握和靈活應用CAD資源庫技術，與計算機輔助技術相結合，幫助企業創新產品設計路徑。由此，系統性地介紹在汽車設計開發中CAD資源庫技術的應用情況，深化對CAD資源庫技術的認識，也為汽車開發設計提供借鑒。

關鍵詞：CAD資源庫技術；汽車開發；車輛設計

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

汽車工業已經發展成為國民經濟支柱產業，行業發展水平可一定程度反映我國的工業實力，汽車企業是否具備獨立自主的產品設計與研發能力，也與汽車工業的可持續發展能力息息相關。CAD資源庫技術作為先進技術代表，成為汽車企業設計與開發產品的有效手段，基于CAD資源庫技術的科技體系，也已經成為當前汽車企業核心技術的有效載體[1]。

2 CAD資源庫技術設計開發汽車車身

設計研發汽車車身，不僅要保證車身符合空氣動力學，還要重量輕、造型美觀。同時，在使用的時候表現出良好的剛度、強度和減震降噪性能，確保車輛在行駛的過程中具有環保性、節能性、安全性，延長車輛的使用壽命，保證運行的可靠性與舒適性。車身設計環節，所包含的內容有明確車身設計與開發的目的、清楚車身設計方案的可行性和必要性，制定車身設計任務書、合理調整車身尺寸和布置情況、調查車身的使用性能、組織開展車身設計與開發等。在實施設計的時候，需要在車身的總布置配合之下，按照外部模型和內部模型1∶1設計理念完成設計[2]。

在CAD技術和計算機技術協同發展的當下，CAD資源庫技術在設計汽車車身的時候多以三維造型為基礎而展開，這種設計技術手段可輔助提升車身設計精準度和車身設計質量，還可滿足消費者對車身的個性化和多樣化需求。利用CAD資源庫技術進行車身設計，要綜合計算機繪圖、優化設計、碰撞安全性分析、NVH分析和模態分析等方法，提高設計成果質量，保證車身研發品質。設計完成的車身各組件模型，要具有一致性和完整性，以產品數據管理技術作為基礎改進汽車車身CAD資源庫技術，在汽車系列化和車身設計平臺化戰略環節中，提高設計成果的實現便捷性。設計汽車車身期間，計算機各類軟件是強有力的保證，經常性地需要使用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構設計。

汽車車身設計人員利用CAD資源庫技術，實現與設計軟件的交互，將腦海中關于汽車車身的設計效果轉化為清晰的視覺模式，將設計過程予以簡化，將工作效率予以提升[3]。再者，設計人員使用CAD資源庫技術檢測車輛自身空氣動力學性能，可確保車輛車身設計效果達到理想的標準。在開發汽車車身部件的時候，需要進行多個車型的交替設計，產生的數據版本多種多樣，所以可以將產品數據管理技術引入其中，構建完成統一化的CAD資源庫，把開發和設計汽車車身的數據和內部信息之間存在的數據冗余和矛盾問題解決，保證順利地完成汽車車身的設計與開發工作。

3 CAD資源庫技術設計開發車輛底盤

在設計車輛的環節中，設計汽車底盤是最為關鍵的組成環節，設計成果直接影響到汽車的質量。利用CAD資源庫技術可協調聯系所有部分，并達到模塊化設計的目標，這種方式是傳統設計方法所難以實現的。車輛底盤設計人員在對各類部件位置展開設計和調整的時候以CAD資源庫技術為基礎，實現三維空間的動態性調整，在構建完成的坐標系中直接構建數學模型，并實現全部數學模型的建立和裝配任務，檢查位置干涉情況和運動干涉情況[4]。分析車輛制動性期間，探究操作穩定性和車輛動力性十分重要，CAD資源庫技術的應用，可仿真處理汽車模型，為設計和制造車輛底盤提供支持。

利用CAD資源庫技術設計汽車底盤，可使得汽車底盤質量和制圖效率得到大幅度提高，降低車輛設計開發的成本支出。在總布置數據庫中包含有數學模型運行結果和動態變化的中間參數。在設計車輛底盤環節中會形成一系列數據，可將其作為后期設計參數改進和設計工作完善的依據，降低汽車底盤設計工作量[5]。

4 CAD資源庫技術在汽車模具設計中的應用

模具是一種生產工具，可按照一定的尺寸和形狀要求生產出相應的零件，也是常見的模子，在設計與制作模具時，其具有低成本、節省材料、高效率和高質量等方面的優勢。汽車覆蓋件模具設計是決定汽車新品設計開發質量的關鍵環節，要求參與的工作人員必須具有豐富的實踐經驗和專業的理論知識，同時能夠有機整合計算和推理方式，滿足設計需求。制作傳統的覆蓋件模具時，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，在仿形機床上完成模具表面加工處理作業，最后綜合鉗工裝配、調試等方式，得到符合質量標準的模具。這種處理方式在實際應用期間，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度。同時對參與模具制作的工作人員有很高的要求，缺點總體上是比較明顯的[6]。所以，在汽車模具設計環節中應用CAD資源庫技術，可在一定程度上解決這種問題。

CAD資源庫技術可在不同層次的計算機軟件系統支持下，綜合應用計算機設備和外圍設備設計模具方案，分析金屬板料沖壓成型過程，設計汽車模具結構、生成模具數控加工刀具運動軌跡、對數控機床進行控制加工模具等。在20世紀末期，國外汽車公司就已經投入力量研究CAD資源庫技術設計模具方案，研究成果在汽車車輛機身設計中被規模化應用，隨即各大汽車制造公司紛紛建立完成公司內部CAD系統，在設計與制造汽車模具的時候投入使用。當前，在我國汽車生產制造企業內仍舊廣泛使用CAD資源庫技術，并且在計算機自動編程領域已經取得比較顯著的成果，掌握了相對較為豐富的經驗，使得模具生產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制造企業在設計模具的時候使用手工處理的方式，即使是使用CAD資源庫技術，也只是簡單地使用計算機設備完成二維設計，少數的汽車企業設計和制造汽車模具的能力與國際先進水平接近[7]。

目前我國設計與制造汽車模具的效率處于比較低的水平，提出的設計方案也難以與當前企業領域的發展和汽車工藝創新相適應，最終影響我國汽車行業的產品設計與開發，拉大了我國與國外先進國家之間的差距。部分企業花費大量資金從國外引進CAD資源庫技術，由于企業生產的個性化，引進的技術不能完全融合本土企業設計與制造環節，對汽車產品更新換代產生嚴重的阻礙影響，降低車輛生產質量和生產效益。汽車企業作為技術型企業，應尤其關注技術創新，基于企業自身產品設計與制造訴求，整合內部技術方面的資源研發CAD資源庫技術，對汽車設計與制造水平提高具有積極作用。在引進國外先進的CAD資源庫技術之上，取其精華，去其糟粕，基于計算機造型軟件實現技術的再度開發，以全新的、適合我國本土汽車行業產品設計制作需求為目標，提高CAD資源庫技術在模具設計中的應用效果[8]。

5 CAD資源庫技術在汽車零部件設計中的應用

汽車零部件數量眾多，結構各異，是車輛設計制造的關注點，設計汽車零件主要包括設計電氣與電子零件、機械零件等。現代信息技術推進和計算機工程創新，讓原本單一化的設計軟件和設計功能呈現出多元化特征，諸如CAXA電子圖板、電氣AutoCAD、Pro/E等各種類型的軟件層出不窮，全面實現電氣電子元器件和機械零件設計功能，達到電氣電子系統CAD設計目標。

就目前而言，在普通的車輛中，電子設備的設計與制作成本相對較高，占據整車的20%～30%，在高檔的車輛中，電子設備的設計與制作成本占據整車的一半以上。對比設計與開發汽車零部件，國內在這方面的成績比國外還有很大的差距，應用與研究汽車電子技術，大多數是基于電控系統CAD設計和CAD布線實現，所以國內在設計與開發汽車電子產品的過程中，更加注重使用計算機輔助設計技術，展開汽車電子控制系統軟件的計算機輔助設計與分析，在設計零部件的時候利用CAD資源庫技術，在設計與檢測印刷電路板、模擬工作環境、功能仿真分析、編輯電路圖等內容中進行[9]。CAD資源庫技術的應用，還能夠為設計汽車零部件快速提供多種類型的報表文件，方便于工程預算和電子元件購置。

6 計算機輔助技術新發展

6.1 構建數據庫，完善設計方法

優化設計法將汽車設計與開發方法推向新的高度，CAD資源庫技術的出現與應用，匯總了汽車公司全部零部件的CAD數據，憑借計算機技術和數據庫技術，開發出新的軟件，讓多種不同類型的汽車零部件在CAD資源庫技術的作用下進行組合，形成全新的汽車系統。雖然CAD資源庫技術在汽車設計開發中的應用時間總體比較短暫，但是其已經發展得相對比較成熟，可以組合85%以上的零部件，基于存儲的數據信息組合成型，將完成的汽車系統在界面上顯示出來。這種設計方案會在很大程度上縮短汽車設計的時間支出，并且為設計成果的修改和評級提供方便。

6.2 開發設計人機接口和計算機畫圖系統

在對汽車三維立體模型進行描述的時候，最常見的措施便是填充遮蓋處理表面之間的遮掩關系，這在實體模型方面存在欠缺。基于CAD資源庫技術和計算機輔助技術展開造型設計，可獲得立體造型。在未來，利用三維光學圖像生成技術表現汽車的空間形體。利用計算機造型技術可將設計師的思想反映出來，并保證反映結果的準確性和快速性，在車輛設計環節通過屏幕顯示研究和探究外形，一方面將汽車設計質量獲得改進，另一方面可節省研究探討的時間。為了在汽車開發環節中對計算機畫圖技術充分利用，需要按照實際需求開發全新的輸入裝置，將關鍵數據錄入到數據庫內，滿足數據的調用需求。

7 CAD資源庫技術在其他方面的應用

7.1 在空氣動力學方面的應用

設計開發汽車車身造型的時候，空氣動力學的作用舉足輕重。關于空氣動力學的研究已經有大量的研究成果，對研究方法做出總結歸納可分為兩種，分別為基于計算機輔助設計方法的模型構建和數值模擬、風洞實驗，其中基于計算機輔助設計方法的模型構建和數值模擬又被稱作為計算流體動力學分析。風洞實驗可以得到良好可靠性、高精準度的結果，但是具有比較長的實驗周期和大的風洞投資，阻塞效應的存在也是影響風洞實驗全面推進的關鍵要素。此外，風洞實驗不能詳細地描述出整個流場，對汽車設計有一定的阻礙。相比較于風洞實驗，計算機輔助設計具有比較低的費用支出和比較短暫的開發周期，復現性相對良好，能夠實現可視化處理，并獲得流場內的物理量值。

7.2 快速成型技術

隨著汽車開發的深度推進，利用快速成型技術取代泡沫塑料、軟木、石膏、油泥、ABS工程塑料板所呈現的樣板、局部模型、比例模型、草模等工程進程，持續完善實體。

8 結語

在我國汽車企業開發環節中，CAD資源庫技術的應用帶動了汽車設計與生產方式變革，但是相比較于國外的先進技術，仍舊存在一定的不足亟待完善。當前，CAD資源庫技術正朝向智能化、網絡化和集成化方向發展，汽車企業技術人員要緊抓機遇、積極研發，綜合既有資源創新技術手段，與時俱進，提高CAD資源庫技術助力企業行業發展的能力。

參考文獻

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[9]Technology-Vehicle Technology：Researchers from Korea University Detail Findings in Vehicle Technology （Feature-Based Cad System Buildup for Passenger Airbag Design）[J].Journal of Transportation，2018，12（13）：92-93.

作者簡介：

藍勤蘭，女，1984年生，機械助理講師，研究方向為機械加工制造。