现代汽车车身开发关键技术及应用

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欢迎访问e展厅 展厅 4 汽车与公路设备展厅 乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ... 引言 车身是一个品牌的标志和象征，它直接代表着汽车的开发水平。汽车车身发展的历史是设计师不断开发新资源和采用新技术并按照审美的规律进行造物的历史。在这个历史发展的过程中，设计师不断的协调着材料、结构、工艺、技术与造型美之间的矛盾关系，使汽车设计既符合功能要求又符合人的审美要求。当前激烈的市场竞争要求汽车工业在更短的开发周期中，推出高质量、低价格的产品。车身总成占汽车（乘用车）总质量和成本的一半左右，在汽车开发中占有主体地位，起着主导作用，因此车身开发是决定整车竞争力大小和成本高低的关键因素，因而各集团公司均把车身开发放在整车开发的首要位置。 1 汽车车身开发流程 如今开发一辆现代化的汽车，已经远远不是人们所想象的那样，只是从图样到加工这样一种简单的技术操作流程了。从战略决策、整车指标，经过资源调配、设计优化，最终到审查验收、批量投产，一辆既为公司创益，又深受顾客喜爱的高质量的现代化汽车的诞生，是一个高度综合、严谨、科学的产品开发流程的最终结晶。一套完整、综合、精密的产品开发系统，已经成为现代化汽车企业的核心组成部分。对国内众多汽车厂家来说，建立一套完整的开发流程，比具体的技术细节问题更迫切，更重要；还要引进、培训各种专业人才，这样才能建立起一支高效率的开发团队。 一辆汽车的整套开发流程可以划分为三个主要部分：一是要开发一辆什么样的车，二是怎样设计这样的车，三是怎样将设计好的新车型批量制造出来。无论是开发全新产品还是只开发新外形和新车身，前期工作都包括：项目确立开始—战略意向—决策—总布局及主结构几何定型—项目定型及投资确立。技术层面的车身开发过程是：内外部造型效果图—内外部CAS模型—内外部软模型(CAM)—内外部硬模型(CAM)—主体工程设计(CAD)—工程分析(CAE)—零件图的绘制(CAD)—样车试制。当然，有些阶段是可以并行的，根据分析和试制的结果，也会有向上改进的步骤。利用虚拟开发技术，在设计阶段，尽可能在制造样车前，发现问题，解决问题。在产品设计完成后，后期工作包括：批量投产准备—批量投产产品定型—批量投产—最终结果。这其中的工作也不是顺序的，在整个项目规划中都有详细的阶段。 2 汽车车身虚拟开发技术 在汽车车身整个开发过程中，全面采用计算机辅助技术，将造型、设计、计算、试验、直至制模、冲压、焊装、总装等各个环节中的计算机模拟技术联为一体的综合技术，称为车身虚拟开发技术。采用虚拟开发技术，将一代样车在计算机中成型，可以省却许多费时耗工的实体样车制造和试验过程，及早发现解决样车性能和生产工艺过程中的问题。它在降低成本、缩短开发周期、提高开发质量方面具有极大的优势和潜力，是汽车工业竞争取胜的关键技术。 （1）虚拟造型技术(CAS)。CAS技术是利用专业造型设计软件，在各种图形输入输出设备的支持下直接在计算机上完成复杂的车身造型设计工作。为更好的观察设计效果，可以产生光照模型，并在计算机屏幕上进行移动、转动、缩放等变换，可以经过复杂的计算，产生逼真的画面，并通过高效率录像系统，制成整车三维模型的旋转动画，甚至可以配上自然背景，产生汽车在实际道路上行驶的效果，并可以通过NC(CAM)制造出实体模型。 （2）计算机辅助设计(CAD)。汽车车身是复杂的空间自由曲面，在汽车设计开发过程中，车身设计是直接影响设计成功与否的重要因素，而在车身的计算机辅助设计当中，复杂曲线和曲面的设计又是一个核心的问题。将设计思想或实物原型转变为CAD模型，是加速引进车型的国产化与产品创新设计的关键技术。造型软件是计算机辅助产品设计的核心，构造曲面的品质客观上取决于所选用的造型软件的功能。目前世界上比较流行的几种是：CATLA、UG、Pro/Engineer等，每种软件都各有其自身的结构体系和模型表现方法。目前乘用车的外板设计一般都要达到Class-A曲面的要求，这可以通过对设计师的培训和其自身经验的积累而达到。 （3）计算机辅助制造(CAM)。所谓计算机辅助制造就是计算机中三维模型通过NC直接加工出来，而不需要其他的图纸，具有速度快、精度高等优点。计算机辅助制造技术在车身开发的多个阶段都有贡献，大大加快了汽车车身的开发速度。例如汽车车身软、硬模型的加工等。 在车身模具的开发过程中，一个重要的趋势就是大型铣削加工中心被用来加工模具型面，提高了模具型面的精度，缩短了模具开发的周期。 （4）计算机辅助分析(CAE)。如何评价车身结构设计的优劣呢？早在80年代初期，Paul F.Chenen先生就曾极有预见性地对汽车车身结构必须满足的一系列约束和应达到的目标作了详细的全面阐述。即：刚度、强度、耐久性、隔振降噪性能、安全性、轻量化设计、内外模型、制造性、环保及成本要求等。随着全球化经济发展，汽车市场竞争的加剧，车身结构设计应同时满足的要求越来越多，而同时车身开发的周期却在不断缩短。计算机辅助工程分析技术逐渐被各大汽车公司重视起来。现在，车身结构分析主要应用在以下方面： 流体分析CFD：空气动力特性直接影响着汽车的驱动特性、稳定特性、操作特性、燃油经济性、加速性能、噪声性能、室内乘坐舒适性等，有时甚至直接影响着行驶安全。车身的空气动力特性分析，包括车身的外部流场和车身的内部流场分析，可以快速的得到汽车的风阻系数、车身内部气体流动特点，从而为造型的修改和空调等的设计提供依据。 车身静态刚度、强度和疲劳寿命分析：在建立有限元模型的基础上，通过计算机线性静态模拟计算分析，汽车车身的主要应力、应变区域及薄弱部位就可以被充分显示出来；疲劳寿命分析是在掌握时域负荷的基础上，建立车身有限元模型，进行动态模拟分析和应变数据分析，从材料的疲劳特性出发，进行车身结构的疲劳寿命分析，最终对汽车车身结构作出疲劳寿命预测。可以通过对车身的负荷杆件的截面和节点的结构优化，车身焊点的合理分布，以及薄板材料和料厚的最优选择来达到设计目标。 整车及零部件的模态分析：车身结构性能决定于其结构的动态特性，模态分析是车身结构动态特性分析的基础。车身结构的自然频率能用来评价车身与汽车行驶中各种振源之间的动态干扰，避免共振的发生，车身模态振型和零部件的模态振型可以用来确定对结构的改进措施。 汽车安全性及碰撞分析：在发达国家中，对汽车安全性的要求已上升为硬性的法规指标，而传统的实车碰撞试验耗费巨大。碰撞模拟分析已经成为车身开发过程中一个必不可少的关键性环节。汽车安全碰撞分析的基本原理就是在有限的可利用的变形空间内保证乘员的安全性，其中包括汽车各个部件（如踏板、仪表板、转向盘等）的变形、位移，汽车部件和人体的接触，人体各部位在汽车碰撞过程中的减速度等。 NHV(Noise Vibration Harshness)分析：包括各种噪声的分析，如摩擦噪声、风噪声等，还可以得到噪声传递特性和噪声传递函数，为达到设计指标，可以对原有的结构进行验证和改进。 塑性成型模拟技术：成型模拟技术是目前薄板冲压成型工艺设计的重要辅助手段。利用有限元等理论模拟金属成型过程，在车身设计阶段，就可以对车身部件的成型性进行判断和优化，按照用户定义的几何条件、材料特性、边界条件、加载历程计算板料内的应力应变分布，并结合一定的失效原则（破裂、失稳、起皱），可以预测某一模具的工艺设计方案对零件成型的可行性和将会发生的问题，从而对工艺方案进行优化，减少调模试模次数。 （5）虚拟现实技术。虚拟现实（Virtual Reality,简称VR）又称灵境或虚拟环境，是继多媒体和计算机仿真以后另一个在科技界和工程界引起广泛关注的研究和应用热点。它是一种全新的人机界面，可通过计算机构造出形象逼真的三维模型，从而生成一种具有三维视觉效果的特殊环境。它可通过多种传感器和可视化设备，使视觉、听觉、触觉等作用于人脑，使之“投射”到这种特殊的环境去操作、控制环境，并产生身临其境的感觉，以实现特殊的目的。虚拟现实将用户和计算机视为一个整体，通过各种直观的工具将信息进行可视化，用户直接置身于这种三维信息空间中自由地操作和控制各种信息，由此成为信息的主人。 在车身开发的过程中，虚拟现实技术可以提供虚拟现实环境的立体交互显示，目前主要有三种方案：投影屏+立体眼镜，头盔显示器，激光全息成像。随着虚拟现实技术的不断进步，它将为车身开发提供更多的帮助。 （6）人机工程模拟技术。驾驶员和乘员的舒适程度，是车身开发的重要指标之一。驾驶员乘坐姿势是确定座椅、踏板、转向盘、挡位、中柱、以及音响、空调控制器等等部件布置的重要根据。仪表台、前风窗、表盘位置及后视镜位置，按照驾驶员视野的宽度要求确定，同时也和驾驶员体形有关。传统办法是按照标准身材设计基本位置和整车内饰。要花费大量的人力、财力和时间。人机工程模拟技术不仅可以缩短开发时间，节约开发经费，更重要的是为了得到一种有统计意义的对驾驶舒适程度科学描述。 人机工程模拟技术的设想是按人种制作标准人体模型的三维CAD数字模型，将数字模型和真人实体图像相配合，得到不同体形真人的数字模型，然后把真人试验的感觉输入网络分析，制作各种人在各种驾驶工况下舒适感觉的专家系统形成一种真实、客观、虚拟的自动判断程序。人机工程模拟技术集成了人类学、人体工效学、计算机辅助工程、测试图像处理、计算机网络、软件、数据库及专家系统等多学科知识。 采用人机工程虚拟设计技术，可以在设计阶段对乘员舒适程度进行客观考察和优化，避免样车完成以后改型所引起的时间损失和附加成本，大大节省样车阶段的实车试验时间和资金投入，同时提高设计质量。 3 PDM/PLM技术在车身开发中的应用 对于制造企业而言，虽然各单元的计算机辅助技术已经日益成熟，但都自成体系，彼此之间缺少有效的信息共享和利用，形成所谓的“信息孤岛”。在这种情况下，许多企业已经意识到：实现信息的有序管理将成为在未来的竞争中保持领先的关键因素。产品数据管理(PDM),CIMdata曾这样定义：PDM是一种帮助工程师和其它人员管理产品数据和产品研发过程的工具。PDM系统确保跟踪设计、制造所需的大量数据和信息，并由此支持和维护产品”。 PLM是一种新的电子商务解决方案，它通过充分利用设计人员和工程人员的知识和创新能力以及供应链上各个合作伙伴、客户和企业其它部门的创造力来激发企业的创新能力。产品生命周期管理(PLM)打破了限制产品设计者、产品制造者、销售者、使用者之间进行沟通的技术桎梏。可以说PLM—产品生命周期管理提供了对从产品设计、工艺制造、生产、使用维护到回收整个产品生命周期中产生的所有数据进行管理的功能，已经成为了制造商整合和改进产品生命周期流程的有效工具。 在车身开发的过程中，各种数据需要有效的管理。如在尽心车身开发前，在进行市场调查和预测时，需要收集和掌握的信息是：车型、规格、式样、色彩、功能价格、以及受市场的青睐程度等信息；在产品设计阶段，各种设计信息要保持各部门的并行，删除冗余数据，CAD/CAE信息，试验信息、供应商信息等，都要得到有效的整合。需要清晰有序的反映给设计人员和管理人员。在制造阶段，设计信息要转化为工艺信息，包括各种工艺卡等。并且在数据使用的过程中不同的工程师和管理人员拥有不同的权限，提高了数据的保密性。PDM/PLM系统能极大的提高产品开发效率，提高产品质量。 作为世界产品开发解决方案领导者的IBM/DS PDMPLM解决方案，目前已被世界上前34 名汽车制造商中的53 家使用，成为汽车行业事实上的行业标准。IBM/DS的PLM全系列产品， 包括CATIA V5和SMARTEAM等，结合了IBM多年的行业经验、强大的信息技术和丰富的工程服务实践。IBM产品生命周期解决方案涵盖了汽车设计开发的全过程，支持汽车整车厂与配套供应的协同和决策，帮助汽车用户不断创新，提高竞争力。 4 结语 现代社会科技飞速发展，新技术层出不穷；随着全球经济一体化，汽车业竞争愈趋激烈，作为在整车开发中居于主导地位的车身开发技术必须不断吸收新技术，缩短产品开发周期，提高产品质量，才能在竞争中处于有利地位。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/22/2006)