1  三维仿真设计技术特点及应用

        三维仿真设计技术是在计算机环境下完成产品设计的创造、分析和修改，以达到预期的设计目标。一方面，产品设计构思可以通过计算机应用三维仿真设计技术展现出来，并及时进行产品的造型设计、外观设计；另一方面，通过虚拟装配、机构运动仿真进行尺寸干涉检查和运动干涉检查，可及时发现设计中的错误。而应用有限单元法和优化方法可以极大地提高设计精度，保证产品的设计质量。在现代的汽车设计中，有限元分析与优化、三维实体造型设计、虚拟装配、机构运动仿真已构成了现代的汽车设计不可缺少的组成部分[1]。

1.1  三维造型设计及其二维工程图

        三维造型设计是三维仿真设计技术的基础。现代汽车设计应用较多的三维建模软件如CATIA、UG、PRO/E等提供了能满足多种设计需求的建模建模方法，可进行实体、特征、自由曲面、线框和参数化建模等；既可以在计算机上建立产品零件的大致形状并根据特定要求生成参数化的实体模型，又可以根据产品特征直接进行实体建模。

        完成后的三维实体模型，可用于制作产品样本、投标报价等，适应设计评审和市场竞争需要，提高产品的竞争力。而且，可以直接由三维模型生成二维工程图，当实体模型改变时工程图尺寸会同步自动更新，可以从根本上杜绝传统的二维工程图设计中尺寸矛盾、丢线、漏线等常见错误，保证了二维工程图的正确性。如图1所示为车架的三维实体模型。

图1  车架三维实体模型

1.2  虚拟装配

        汽车的结构设计中需要进行大量的部装和总装，而三维仿真设计技术中的虚拟装配技术支持并行技术，采用树状的管理方式，一个装配件内可以包含多个子装配件和零件，层次清楚并易于管理，可以使汽车结构设计更方便、快捷。从装配的方式来说，同时支持自顶向下的和自底向上的装配技术。设计者可以使用邻近零件的几何图形，以确保装配的准确性，保证了新零件的造型可以在装配部件内进行。参与虚拟装配的各零部件配对或定位灵活，并一直保持其相关性。运用虚拟装配技术，可以检查设计中是否存在尺寸干涉，可以方便地绘制装配图，并能快速生成装配分解图，可以为PDM系统提供所需的BOM表信息，还可以利用装配信息进行机构的运动学和动力学仿真等。如图2所示为驱动桥的虚拟装配图。

图2  驱动桥总装图

1.3  机构运动仿真

        现代三维仿真设计技术可以直接应用已建立的几何模型，进行二维或三维机械系统的复杂运动分析，可分析机构最小距离、反作用力，图解合成位移、速度和加速度，绘制运动轨迹包络等。采用多体（刚体和柔体）动力学分析方法进行汽车动力学仿真，可在研究阶段预测整车的动力学性能，对这些性能进行优化，以达到提高产品性能、缩短开发时间、减少开发费用的目的。

        对汽车的零部件和整体结构进行动力学仿真和分析，是研究其可靠性、寻求最佳设计方案的主要手段。以整车的操纵稳定性为例，由于影响因素涉及到轮胎、悬架、转向等多个方面，简单的计算难以得到合理的结论，哪怕是定性的结论往往也不可靠。为此，已开发出多种机械动力学仿真软件。如可以应用软件来进行汽车操纵稳定性、汽车行驶平顺性的动态仿真。ADAMS中的TIRE模块提供若干种轮胎模型供分析时选用，以准确地建立轮胎的动力学模型。ADAMS中的CAR模块是专为汽车动力学仿真而设计的，使用十分方便。国内已有多家汽车公司利用该软件进行了货车、轿车、汽车列车和大客车的动力学仿真分析，并取得了较好的效果[2]。如图3所示为汽车前悬的动态仿真模型。

图3  前悬的动态仿真示意图

1.4  有限元分析及优化

        汽车是由发动机、车身、传动系、行驶系和制动系等组成的复杂结构，实际使用中的载荷情况也很复杂，采用经典力学的计算方法往往有很大的局限性。而有限元方法的发展和应用，为其带来了一种可靠的计算方法。有限元分析己成为三维仿真设计技术的不可缺少的重要环节，己融入到每一辆汽车的设计中。它包括从结构的物理模型抽象为有限元计算的数学模型，计算程序的选择或修改，以及计算前后大量信息数据的处理等过程。这个过程最后获得的主要数据是：结构的应力分布、变形分布、内力分布，结构的固有特性和动响应。利用这些数据，就可进行相应的分析。分析的目的包括：

        （1）进行方案的优化设计。计算结构的动、静态特性，进行动态优化设计，预测其疲劳寿命和可靠性。

        （2）分析故障原因，寻求改进方法。在汽车使用中发生故障时，分析其原因，提出合理改进方案。

        车架和车身是汽车中结构和受力都较复杂的部件，对车架和车身进行有限元分析的目的在于提高其承载能力和抗变形能力、减轻其自身重量并节省材料。另外，就整个汽车而言，当车架和车身重量减轻后，整车重量也随之降低，从而改善整车的动力性和经济性等性能[3]。如图4所示为货车车架弯扭工况的有限元分析云图。

图4  货车车架的有限元分析

        齿轮是汽车发动机和传动系中普遍采用的传动零件。通过对齿轮齿根弯曲应力和齿面接触应力的分析，优化齿轮结构参数，提高齿轮的承载载力和使用寿命。

        在汽车被动安全性方面，如何提高车身的抗碰撞能力是汽车被动安全性中需要解决的问题之一。利用有限元法进行汽车碰撞过程的模拟计算，以节省昂贵的实车碰撞试验经费，是国内、外汽车公司普遍采用的一种方法。目前已能够应用CAE技术对汽车正面、侧面、后面在冲撞情况下的变形和人体在冲撞时的二次碰撞进行分析。美国福特汽车公司过去每开发一个新车型，都要用120辆车进行冲撞试验，约耗资6000万美元，采用CAE技术以后，只需约70辆试验车，可节约资金2500万美元和宝贵的时间。目前进行汽车碰撞过程的模拟分析较常用的软件有LS-DYNA、PAM-CRASH等。如图5 所示。

图5  汽车碰撞仿真

        有限元分析与优化技术在汽车设计中的大量采用极大地缩短了产品的研制周期，减少了开发费用，使最终确定合理的结构参数所需时间得到大幅缩短。

2  结论

        三维仿真设计技术的最大优势在于它的集成性。它集三维实体设计真、虚拟装配、机构运动仿真和有限元分析于一体，使用统一的三维实体模型，在此基础上进行虚拟装配、机构动态仿真和有限元分析，为优化汽车结构、缩短设计周期开辟了一条有效途径。这种设计方式，不仅突破了传统的二维设计的局限性，更好地体现设计意图，还可以早在产品投标报价之时，就将未来产品的外观、造型、技术性能及特点介绍给用户，使产品更具有竞争力。所以，三维仿真设计技术作为现代汽车设计体系的一部分，具有强大的生命力和广阔的应用前景。

参考文献

[1]    王隆太. 机械CAD/CAM技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2005.

[2]    MSC公司. ADAMS2005 Documentation [R], 2004.7.

[3]    尹辉俊. 货车车架的有限元分析[J]. 机械设计, 2005, 11: 27－28.

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