全数字化技术为汽车业带来的变革

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欢迎访问e展厅 展厅 1 CAD/CAM软件展厅 CAD软件, CAD/CAM, CAM, 钣金CAD/CAM, CAI, ... 传统的汽车产品设计采用图板和二维图纸的方法，产品生产也是采用试错的方法进行，设计质量低，产品质量差，设计和生产的周期长，开发新产品一般需要4~5年时间。美国早在80年代末提出以计算机和信息技术实现产品的快速高水平开发，1995年后汽车设计方法出现新的变革，先进的三维参数化全相关实体建模技术和CAD/CAE/CAM一体化技术，以及车型平台化设计开发，成为实现快速反应和低成本开发的必然选择。 汽车全数字化技术 作为汽车工业重要环节的设计和生产，数字化技术主要体现在三维参数化建模软件、三维仿真技术和全生命周期管理。 三维参数化和全相关技术 参数化技术就是先提取模型的关键尺寸，采用关键尺寸控制模型的变化，在三维参数化技术的基础上建立在工程产品中频繁乃至重复使用的三维标准零件库，有效降低工程师的重复劳动。 三维参数化技术是基于三维软件建模的基础上。运用三维软件可以从二维草图开始，通过多种方法如拉伸（extrude）、扫过（sweep），然后就是参数化建模。采用三维参数化技术建模后，能快速地实现零部件之间的静态干涉检查、动态干涉检查和质量称重和质心位置等计算，使汽车产品清晰明了，布置准确有效。 全相关技术从另一个方面完成了汽车产品的结构控制和产品系列化变形。汽车设计在总布置时要考虑各个总成之间的相互关系，单个零部件一些关键尺寸的相互关系。在控制零部件的三维尺寸基础上，同时采用全相关技术控制不同零部件和总成之间的形状和位置，能在改变单个零部件几何尺寸和空间位置的同时，自动控制其它相关零部件和总成的形状、空间位置及配合关系。 采用三维技术和全相关技术，结合软件编程的方法，能编制基于三维软件开发平台的向导式软件。这些软件的主要特点是，产品的关键形状是完全参数化、很多参数又是相关的。其中任何一个参数的变化都能自动更新其它相关参数的变化；而且产品开发按照一个设计流程逐步进行，每个步骤均能得到系统的帮助。工程师利用这些软件能快速、有效地进行产品的开发、变型设计和创新设计，比如客车底盘的总布置工作需要几周、甚至几个月的时间，但采用专业软件只需要几小时就可以完成。 虚拟仿真技术 与网络技术结合所带来的仿真分布性，与图形和传感器技术相结合所带来的仿真交互性及仿真技术应用的集成化，是仿真技术在制造业应用的新趋势。按照仿真技术应用的对象不同，可将制造业应用的仿真分为四类：面向产品的仿真、面向制造工艺和装备的仿真、面向生产管理的仿真及面向企业其它环节的仿真。 虚拟仿真技术不仅给产品开发提供了结构强度、轻量化设计、运动学校核、疲劳寿命和碰撞安全等全生命周期的有效保障，同时也大大降低了传统产品开发的试验费用和时间，节省了企业产品开发的成本。 全生命周期管理 PDM产品数据管理：CAD/CAM的应用不仅要面向设计创新和过程创新，更要强调信息的集成与管理。产品数据管理（Product Data Management，PDM ）技术可以有效管理与产品相关的所有信息，如：设计说明书、图纸、工艺文件、技术规范、材料清单(BOM)等。还包括与产品开发相关的过程，如：人员组织、工作流程、信息的审批和发放等。此外，与CAX（CAD/CAE/CAM/CAPP）等软件的集成以及系统权限设计，为企业信息和数据的安全提供了有效的措施。PDM技术的实施使产品开发的各个部门能协同工作，实现了数据的共享。 ERP企业资源信息管理：ERP的基本思想是将企业的业务流程看作是一个紧密联接的供应链，在MRP II的基础上，增加了质量控制、运输、分销、售后服务与维护、市场开发、人事管理、实验室/配方管理、项目管理、融资投资管理、获利分析、经营风险管理等功能，并将这些功能集成在企业的供应链中。可以实现全球范围内的多工厂、多地点跨国经营运作，帮助企业实现“多品种小批量生产”和“大批量生产”两种情况或多种情况并存的混合型生产方式；财务系统根据不断收到的触发信息监控整个业务过程，快速作出决策；它还具有决策分析功能，在企业级的范围内为企业提供了对质量控制、适应变化、客户满意度、效绩等关键问题的实时分析能力。在管理的广度方面，ERP已打破了MRP II只局限在传统制造业的格局，把它的触角伸向各行各业，如金融业、高科技产业、通信业、零售业等，从而使ERP的应用范围大大地扩展，并逐渐形成了针对于某种行业的解决方案。图1所示就是PDM和ERP为产品开发整个生命周期提供的管理。 全数字化设计在汽车设计的应用 在产品开发初期需要进行总体设计，主要确定产品开发的主要内容、实现目标和开发日程表。该过程不是单个零部件的开发设计过程，而是由几千个零部件同时设计的过程，因此必须引进并行工程，以协同产品开发各个部门之间的工作，尽可能减少不必要的重复和反复，有效地提高开发效率，实现汽车产品对市场需要的快速反应。现在的汽车设计公司均需采用现代先进的汽车设计方法和设计理论，利用目前最为流行的UG、Pro/E、CATIA等三维设计软件和MSC/Nastran、MSC/Patran、ANSYS等CAE进行设计和分析。 通常采用CAS（Computer Aided Styling Design）完成造型草图、效果图。完成胶带图和油泥模型后，必须采用逆向工程获取模型的表面数据，利用计算机流体力学分析软件完成风洞试验，获得该车型的风阻系数和流场分析等结果。 此后的车身结构设计和底盘零部件设计均采用上述三维软件进行建模，完成产品的主模型。同时可以在过程中体现三维装配关系，进行静态干涉检查和利用三维软件中的仿真功能完成动态干涉检查。然后在主模型基础上一方面进行CAE结构强度分析、性能寿命分析、运动性能仿真和模态分析等，另一方面利用计算机技术直接完成二维图纸的绘制，复制手工标注则可以直接按照图纸进行试制，也可以直接对三维模型进行数控加工，以完成样件的试制。试制后的产品试验和生产由制造厂完成。整个产品过程中的数据采用PDM技术加以管理，既保证数据的安全，也实现数据共享和产品开发的并行工程。 数字化技术为汽车制造业带来的变革 经济学家认为，开发周期为12个月可获得100%市场，24个月的开发周期只能有70%市场，开发周期36个月只有35%市场，开发周期48个月几乎只有0%市场，因此产品开发的速度十分重要。福特和通用1999年宣布实现全新车型开发周期为22个月和24个月，最终目标是12～18个月。为了实现高速度开发，美国三大集团于2000年签订了共用零部件协议，通用公司提出在因特网环境采购零部件计划，并提出了产品协同开发与协同商务的概念(Collaborative Product Development and Commerce )；继而德国大众提出了平台化技术，福特公司提出了零部件矩阵的概念；此后通用、大众和丰田三大集团协议共建部分标准零部件数据库等。这些格局变化的目的，是实现零部件系列化、低成本和高质量的开发，先进的设计技术使这些变化成为可能。 宝马集团不久前创造了生产管理的新记录：几乎只花了一天的时间，在慕尼黑、雷根斯堡、丁格尔芬和南非Rosslyn地区的工厂完成了对BMW 3系列生产线的升级。 宝马3系列2003年型的改良几乎相当于新车型的开发，因为它包含了相当多的改进。苛刻的要求是将新车型的生产改造安插在现有工厂的工作过程中，而不影响现有的生产。为此，各工厂引进数字化生产的概念，通过采用超现代的仿真技术在实际改型前优化所有生产过程；同时，零部件供应商在项目早期便开始参与，以确保能及时提供零部件。在数字化生产过程中获取的知识和以往类似的经验，使这次3系列升级顺利完成。事实上，宝马已经可以在3个多月内把一款新车的生产能力提高到峰值，这在10年前需要至少2～3年时间。宝马集团董事会成员、负责全球产品生产的Norber Reithofer博士说：“过去更新一个车型的生产线需要数月的时间，现在已不可同日而语。数字化生产方法的应用，使我们可以更快地为顾客提供新的汽车产品。” (end)

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