计算机在车身设计与开发中的应用

哈飞集团汽车研发中心 孟晓光
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　　[摘要]本文阐述了计算机在车身设计与开发中的广泛应用，结合车型论述了计算机在结构件设计中所起的重要作用。介绍了我们与世界汽车业计算机应用的差距，并提出了改进的措施。

　　关键词：计算机 车身设计 开发 应用

　　1.前言

　　今天的汽车已不仅仅是作为一种交通工具而存在。人们从追求其安全性、舒适性和外观的新颖到现在追求其完美的造型，流畅的线条，纯朴、自然的格调。汽车设计者们为了满足人们个性化的需求，不断地设计出一款动感的新车。这种高效率、快节奏的开发速度，功劳主要在于计算机。

　　在新车开发时，为了加快开发步伐，也为了节约开支，设计师们提出了一种新的设计思路，即：在性能良好、状态稳定可靠的底盘平台基础上，进行不同车身的设计开发，以实现新车型的快速开发。车身设计、研制开发在整车设计中是一个涉及面广、复杂、难度大、周期长的过程，影响它的因素很多。计算机在此环节中起着不可估量的作用。

　　2.车身设计中计算机的应用

　　2.1 计算机

　　这种高科技信息革命产物的出现，使汽车从设计之初的手工作坊式时代到现在的计算机数字信息时代；其研制开发生产的时间也缩短了一半，使整车的开发生产发生了质的飞跃。

　　传统车身设计过程为：

　　1)制定设计任务书

　　2)绘制1：5的车身总布置图

　　3)绘制缩小比例的彩色效果图

　　4)绘制车身主图板

　　5)绘制车身工作图

　　6)制作主模型

　　7)模具设计及制造

　　8)生产准备

　　现代车身设计工作的流程一般为：



　　2．2 概念设计阶段

　　对于车身的开发首先体现在概念设计上。概念设计也就是造型设计，它是由市场定位和销售反馈决定的。哈飞汽车公司生产的HFJ6370，计算机在概念设计上的应用主要表现为：造型人员根据一定的市场信息的反馈，用手工绘制彩色效果图，以最舒畅的流线表达车身的整体概念，使其在流体运动学方面也能满足要求，然后将产品定位在性能稳定的底盘基础上来制定车身设计任务书；设计任务书包含了对车身的明确要求，使后续设计明朗化，有理可依。然后手工制出1：5油泥模型；利用三坐标测量机将其外蒙皮的数据扫入计算机，利用我们的Alias工具软件的造型功能，为曲面赋予各自的颜色、纹理、设置好环境、光线、反射、透明度及光线跟踪分数，构成一幅生动逼真的三维数据立体图。

　　2．3 几何造型设计阶段

　　在此阶段要精确构造车身外形曲面。首先，用概念设计得来的三维数据进行设计评估，确认后的数模去进行风洞试验；其次，最大限度的进行车身曲面分块，描述车身整体曲面的形状，表达出特性线；再次，根据实车和经验值确定车身的间隙，及零件的三维数据和装配关系。

　　采用计算机进行几何造型，绘制线图，取消了主图板设计，减轻了设计人员的劳动强度，同时提高了设计效率。有了线图，便于开展并行工程，设计协同工装、模具等部门共同工作，互相传递数据，使工艺人员在线图上面继续画模具线图，夹具线图。车身设计人员则在下一步开始了结构设计。

　　2．4 车身结构设计阶段

　　1) 结构设计内容

　　车身结构设计属详细设计，包括外覆件、结构功能件和成品附件的设计。但设计之初，首先要有设计规范，主要是为了明确产品的设计根据，确定相关尺寸参数及性能；描述产品的结构特征，零件的结构要素及尺寸界限及产品的特性，对各种要求细致化和具体化。同时明确总成各零件间的外形。详细的结构与相关零件的连接结构、运动关系、间隙。考虑各种加强要素和工艺要素。

　　2)结构设计过程

　　在认可的外覆件数模上向车身内发展，根据功能需要及结构要求设计出结构件．把零件的结构加到外表面上，把成品加到车身总成中，在协调中形成最终的零件三维数学模型。

　　2．4．1外覆件设计

　　我们在使用计算机进行车身外覆件设计时，主要过程为：点→线→面。在每一个过程中

　　同时伴随进行的是不断修改完善。以我公司正在研制开发的车身外覆件的设计为例来简述使用CA—TIA软件进行外覆件的设计的过程。我们使用三坐标测量机测得三坐标点，剔除误差大的点，用逼近真实形状的点进行线的编辑，在CATIA功能通常使用ARC、SPLINE、NUBSCRV、CURVE2等功能生成线，线的质量好坏直接影响到面的质量。为了使所生成的曲率连续，通过ANALYZE功能中的Cxy，Cxz，Cyz，Txy，Txz，Tyz调整组成线的点，使其在所需方向上光顺。使用SURFl、SURF2、PATCH、NUBSURF、NET等功能生成面，如果线的质量好，面的调整就相对容易一些。面的质量如何，使用ANALYZE中的CURVATURE功能分析，检查面的光顺性。分析时，面的颜色单一，表明其质的均匀，颜色靠近绿色，表明此时公差月靠近零。但绝对公差为零的零件是不存在的。

　　2．4．2结构件设计

　　外覆盖件完成后，再确定边界线和合理的间隙，完成初步的车身设计。将此三维数模冻结后，开展并行工程：将三维数据传递给制造工艺、模具设计人员、夹具制造人员，各工程工艺部门利用此三维数据进行模装、夹具的设计，同时设计部门进行分组、分片设计，各部门互相协调工作，发现问题及时修改，使问题在萌芽状态被修改，优化产品。

　　现结合我公司HFJ6351B车的部分结构件来探讨计算机在结构设计中的应用。

　　2．4．2．1 从强度、刚度、安全性、轻量化上考虑

　　在设计中从零件轻量化考虑，就要将零件所用材料变薄，展开料变小，或采用合金材料。但，大量使用合金材料，会抬高成本；材料变薄、变小后又会影响到强度。为满足其强度设计的要求，同时又为了整车轻量化，于是要在结构和制造工艺上下功夫，设计人员多采用封闭盒形结构，加强梁，大过渡截面来加强局部刚度。如：HFJ6351B车的前风挡框口设计中，采用了双盒形断面结构。

　　从安全性上考虑：就要加上防撞梁和改变构件的材料，使车身在碰撞过程中某些部位变形小，吸能更好。如：在门内、外板间加防撞梁或采用铝管。

　　2．4．2．2大拼块设计

　　设计零件过程中，多采用大拼块设计，合并零件、合并功能。随着科技的进步，各种与汽车相关的行业也迅猛地发展起来。大型多工位压床的诞生，使结构零件尺寸加大，分块数减少，这样可以减少焊接工作量，提高零件间隙装配精度。于是，我们就从设计零件时入手，合并小零件成为大零件，同时合并它们的功能。如：将HFJ6351B车侧围设计为整体侧围内、外板，这样就减少了门与门洞的配合误差提高了精度。但在合并过程中，也应考虑我们的实际情况，以免过分强调大拼块，增加工艺成形困难，在设计完成后，造成更大的浪费。比如：在HFJ6351B设计中，最初的中断梁上盖板，形面变化太大，成形困难，经与工艺共同研究后，重新分块。如果在以往设计中，这需要重新绘图，重新与其他零部件协调，重新做样件。而利用计算机的CATIA软件，就可以将许多工作简化：在计算机上与其它相关件协调后，进行重新设计，很快就建立了新的数学模型，再利用CATIA软件中冲压成形性分析软件(KMAS)进行CAE技术分析，认为可行后，再进行加工。避免了繁重的重复工作，也为我们的设计工作赢得了时间。

　　2．4．2．3 利用数据库进行结构设计

　　在使用计算机进行零件设计时，我们还没有形成典型车身、典型零件、典型断面结构的数据库。但是，我们可以调用过去已生产车型的结构断面作参考，依靠自己的经验来进行最佳结构选择，在进行三维数学模型的协调后予以确认。同时，在数模的规范化过程中，我们建立了标准的启始数模文件(STANDARD-START-MODEL)，将空间(SPC)和二维(DRW)模式作系统过滤器(FILTER)管理，使整个数模在集(SET)、视图(VIEW)、层(LAY)的关系中处于一种相互交叉的使用状态，同时又是一种易识别状态。使我们设计起来更方便，也大大加快了车身设计的速度。

　　2．4．3 车身成品协调

　　作为车身钣件的附件，在结构件设计的同时，成品厂家根据设计给定的空间进行协调设计，将其所建数模与车身钣件拟合，利用CATIA的运动模块进行运动分析，及时发现问题，及时更改。如：我们在设计中发现玻璃托架在玻璃升降过程中与门内把手的安装螺钉干涉，于是，在数模中及时更改了内板上把手安装孔的位置，避免了很大的协调麻烦。

　　2．5 车身结构分析(CAE分析)

　　在产品结构设计的过程中，同时要进行可行的工程分析。如：受力部位的强度分析，零件的强度计算等等。根据分析结果，考虑各种工艺方法，最终选择最优、最适合的工艺方法。如：对门进行有限元分析后，我们根据其分析结果确定预折弯轴，将其做成预折弯状态，使其在装车后达到我们理想的状态。

　　2．6 仿真模拟

　　在完成结构设计后，进行样车制造，同时也进行各种产品分析和仿真模拟。

　　依靠各种仿真模拟软件，可以在设计过程中，在虚拟状态下，分析产品在使用时的性能，来发现设计时的不足和缺点，及时进行改进和优化，不必等到产品完成以后，再试验和鉴定。每一款开发的新车都要进行碰撞试验，以前必须用实车进行碰撞；现在，我们可以将一定数量的试验在计算机上进行，节约了大量的费用。利用计算机进行强度分析，机构运动分析，碰撞模拟分析，噪声水平分析，舒适性分析等等。虽然还没有完全达到所有项目的检验，但已经可以帮助我们在结构设计的同时及时了解车身性能的好坏，加快了新产品的开发进度，缩短了开发周期，加快了设计、生产准备过度，提高了设计质量。

　　3.与先进国家在使用计算机方面的差距

　　计算机虽然已经广泛地运用在我们车身设计中，但它与世界先进汽车业计算机的整体运用仍存在着巨大的差距。

　　计算机在工程应用方面，其发展过程，可以分为五个阶段

　　即：1)电子二维绘图(Electronic Drawing)

　　2)三维设计(3D Design)

　　3)数字模装(Digital Mockup)

　　4)虚拟产品及工艺过程(Virtual product ＆ process)

　　5)知识产品(智能集成)(knowledgeware)

　　先进国家的汽车业已发展到第四阶段，但我们的计算机车身设计也已进人第二阶段和第三阶段。我们设计部门使用的是世界先进的CATIA软件和Alias造型软件进行CAD和CAS设计，我们从结构设计到生产准备到管理一系列过程的计算机使用正在逐年提高。

　　4.体会和建议

　　我们汽车设计的目标是：在CAE指导下的无图纸设计。

　　计算机是一种现代信息的产物，是高科技的工具，它给我们提供的是机会和发挥空间，但只有使用计算机的人员素质高，才能真正发挥其强大的功能。我们将利用计算机积累、收集，形成典型车身、典型结构、典型零件的数据库，为实现CAD设计、CAE分析、CAM制造一体化的现代化汽车车身设计准备更充分的条件。

  

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