0  前言

虛擬制造 ( V irtual M anufacturing, 簡稱 VM )是一種新的制造技術 , 它以信息技術、仿真技術、虛擬現(xiàn)實技術為支持 , 對產(chǎn)品設計、工藝規(guī)劃、加工制造等生產(chǎn)過程進行統(tǒng)一建模 , 在產(chǎn)品設計階段 , 實時地 , 并行地模擬出產(chǎn)品未來制造全過程及其對產(chǎn)品設計的影響 , 預測產(chǎn)品性能、產(chǎn)品制造技術、產(chǎn)品的可制造性 , 從而更有效、更經(jīng)濟地、柔性靈活地組織生產(chǎn) , 并使新產(chǎn)品開發(fā)一次獲得成功 , 以達到產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本的最小化 , 產(chǎn)品設計質(zhì)量的最優(yōu)化 ,生產(chǎn)效率的最高化。

1  汽車新車身開發(fā)的特點

A：必要性　為了滿足國民經(jīng)濟各部門、各地區(qū)不同層次各種用途的需要 , 以及汽車公司本身生存競爭的需要 , 汽車種類型號需要多樣化、系列化。而汽車整車生產(chǎn)能力的發(fā)展又取決于車身的生產(chǎn)能力 , 同時汽車的更新?lián)Q代在很大程度上也直觀地體現(xiàn)在車身上。

B：周期長　新產(chǎn)品開發(fā)是按規(guī)劃、車型設計、詳細設計、評價、工藝規(guī)劃與生產(chǎn)準備和生產(chǎn)的順序進行的 , 設計的初期并不能全面地考慮產(chǎn)品在制造過程中存在的缺陷 , 會造成從方案設計到設計修改的大循環(huán) , 某些環(huán)節(jié)還可能出現(xiàn)重復循環(huán) , 因此從規(guī)劃到樣車的制造與實驗 , 最后到產(chǎn)品的形成周期很長。

C：費用高　新車身的開發(fā)周期長 , 投入的人力和物力很大 , 重復和無效投入比較高 , 需要大量的樣車制造與實驗費用。

2  虛擬制造技術在汽車新車身開發(fā)中的應用

鑒于新車身開發(fā)的特點和開發(fā)過程中存在的問題，國際上福特、通用等著名汽車公司早已從經(jīng)驗、類別、靜態(tài)設計，過渡到建模、虛擬裝配、虛擬運動仿真、分析優(yōu)化設計，這樣可以提高新車身開發(fā)質(zhì)量，減少大量樣車實驗費用，而且應用并行工程大大縮短新車身開發(fā)周期，適應了快速變化的市場需求。 

3  維特征造型設計以及特殊建模方法的研究

車身大部分零件是由若干個不同曲率半徑的曲面光滑擬合和一些復雜的小特征組合而成 , 單純用畫法幾何和機械制圖方法是無法準確表達的 , 實現(xiàn)起來也有一定的難度 , 必須進行 3 維特征造型設計。

對于車身骨架類零件和部分內(nèi)覆蓋件 , 使用最常用的造型設計方法 ( 如下 ) 即可。

A：建立合理的建模順序。有些零件看上去相當復雜 , 造型時往往感到無從下手 , 但是 , 只要能合理地對零件進行分解，識別和確定產(chǎn)品結構的主要特征，分清哪些是基體，哪些是輔助體 ; 哪些是基本面( 如配合面、保持零件外形輪廓的曲面等)，哪些是過渡面 ( 如倒圓、倒角、翻邊等)，然后從基體入手 , 保證重點 , 產(chǎn)生一個合理的造型“毛坯” , 最后在“毛坯”上完成細節(jié)部分的設計。

B：基體“毛坯”的生成。通過仔細分析零件和“毛坯”的空間結構 , 不難發(fā)現(xiàn)由一些空間特征曲線構成了“毛坯”的骨架 , 這些空間曲線的數(shù)量和準確性直接影響“毛坯”生成的質(zhì)量 , 它們的生成主要通過 2維平面曲線向空間交合 ( 如 PRO ? E 中的 Two Pro 2jections ) 。有了特征曲線 , 就有了“毛坯”的骨架 , 再通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、拼接等方法就能建立一個合理的“毛坯”。

C：完成細節(jié)部分的設計。有了基體“毛坯” , 就可以動用實體間的布爾“加、差、交”運算 , 在實體之間合并、挖除、相交成型 , 也可以使用面片體作為“工具”將“毛坯”實體剪切、去除 , 以獲得實體完整的外觀形狀。對于車身外覆蓋件和部分內(nèi)覆蓋件 , 都以大型曲面為主 , 構成車身外形 , 要求光順、曲面過渡部分圓滑、各部件相互吻合良好。

D：控制線的生成。曲面的品質(zhì)與生成它的曲線即控制線有密切關系 , 要得到光順的曲面 , 首先要有光順的控制線。建立曲線時 , 可利用投影、插補、光順等手段生成樣條曲線 , 然后通過其“曲率梳”的顯示來調(diào)整曲線段迭代次數(shù)、函數(shù)次數(shù)、起點與終點結束條件、曲線的段數(shù)量等 , 交互地實現(xiàn)曲線的修改 , 達到曲線的光順。

E：曲面的生成與連接。對于形狀復雜、變形較大的曲面 , 大多將其劃分為多個區(qū)域來構造幾張曲面 ,然后將其縫合。在曲面片之間實現(xiàn)光滑連接時 , 應保證各連接面間具有公共邊 , 特別是各曲面片的控制線連接要光順。

F：曲面的光順。曲面的光順性可通過等高斯曲率線的形狀與分布、彩色光柵圖象的明暗區(qū)域及變化來判斷 , 也可通過透明度、反光度、合適位置的光源等處理手段來渲染產(chǎn)生高清晰度的逼真性和觀察性良好的彩色圖象 , 以及處理后的圖象光亮度和分布規(guī)律來判斷 , 圖象明暗度變化比較均勻的 , 則曲面光順性好 , 反之為光順性差。

2.2 　虛擬裝配、虛擬運動仿真

虛擬車身裝配是在計算機上建立起如同真實汽車的可視化的數(shù)字模擬 , 即虛擬樣車 , 然后在虛擬環(huán)境下對零件裝配情況進行干涉檢查 , 可以方便地發(fā)現(xiàn)設計上的錯誤 , 從而將其消除掉 , 減少設計變更、錯誤和返工 , 提高了設計效率 , 并降低修正錯誤的費用。

汽車車身虛擬裝配有二種裝配模式 : 自頂向下式和自底向上式 , 根據(jù)設計方式的不同可分別選用不同的虛擬裝配建模方法。

用于概念設計的自頂向下式。車身結構復雜 , 外覆蓋件由復雜的自由曲面構成 , 內(nèi)覆蓋件及內(nèi)部零件的尺寸及外形很大程度上依賴于車身外覆蓋件。我們可在虛擬裝配環(huán)境下 , 首先對整車外形進行設計 , 確定外形后 , 再確定內(nèi)部的零部件組成和裝配結構 , 并同時由外向內(nèi)將約束尺寸、裝配關系分發(fā)到與其相關的各個零部件中 , 再對各個零部件進行詳細設計。

用于車身逆向造型設計的自底向上式。利用逆向造型技術對每個零部件進行詳細設計 , 然后采用特征配合、對齊和定向的方式進行裝配 , 或者采用零件空間絕對坐標的方式進行裝配。通過特征配合 , 裝配的零件具有嚴格的父子依賴關系 , 并且相互配合間的零件間的約束關系始終保存 , 即使是對某個零件作了變更或修改 , 而利用零件的空間絕對坐標進行的裝配卻不存在這個問題 , 不過它們都適用于發(fā)動機、傳動系統(tǒng)這種結構復雜、緊湊、零件之間容易發(fā)生干涉、對動作可靠性和準確性要求高的零部件。

虛擬裝配可解決零件間靜態(tài)干涉的問題 , 也可以把裝配圖以爆炸視圖的形式表示 , 來方便設計開發(fā)人員進行研究、新產(chǎn)品的宣傳介紹和裝配工人進行裝配。但對于發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)這類具有運動機構的零部件 , 還不能確保運動機構的設計是否合理、各相關零件的動作是否協(xié)調(diào)、運動過程是否有干涉等 , 這時就需要采用虛擬運動仿真技術。

虛擬運動仿真可以使“虛擬樣車”在屏幕上按設計的功能進行運動 , 如發(fā)動機的變速箱運動、傳動軸的轉(zhuǎn)動、剎車系統(tǒng)的剎車過程等 , 設計人員通過觀察整個運動過程 , 能夠方便直觀地檢查出機構間的動態(tài)干涉問題 , 得到指定構件或指定點的位移、速度、加速度的連續(xù)變化的數(shù)據(jù)以及相關圖形 , 最終可以準確的預測機構可能出現(xiàn)的問題 , 為改進設計提供準確的依據(jù)。

2 .3 　分析優(yōu)化

優(yōu)化設計是在計算機工作平臺上建立正確的有限元模型 , 對車身參數(shù)進行優(yōu)化和對車身結構進行修改 , 直到滿足選定的優(yōu)化條件。車身結構優(yōu)化設計是取得高質(zhì)量車身結構的必經(jīng)之路 , 它可以得到良好的車身結構動態(tài)特性 , 很好地解決車身開裂、乘員舒適、車身結構輕巧耐用等問題 , 從而節(jié)省大量樣車試制費用 , 大大縮短設計周期。其基本思路和做法為：

A：可通過兩種方式建立有限元動力學模型 , 一是直接應用有限元軟件 ( 如 AN SYS ) 對車身進行有限元建模 , 二是通過轉(zhuǎn)化已存在的車身結構的 3 維CAD 圖 , 生成有限元動力學模型 ;

B：通過大量實驗驗證和反復的模型修正 , 最終得到與實驗相吻合的有限元模型 , 這一步相當重要 ;

C：用結構分析軟件 , 計算汽車車身、車架在各種工況下的靜態(tài)強度、剛度和固有頻率及振型 , 對改進設計提供有價值的理論依據(jù) ;

D：在各種模擬路況 ( 如緊急制動、急轉(zhuǎn)彎、前后輪過障礙等 ) 和約束條件 ( 如超載等 ) 下作動態(tài)響應分析 ;

E：對整車或分總成進行靜應力或集中質(zhì)量的靈敏度分析及優(yōu)化 ;

F：以車身的固有頻率的范圍、振型形狀或某些局部點 ( 范圍 ) 的動力響應的大小作為目標函數(shù)或約束條件 , 構造一個合適的優(yōu)化算法 , 以最少的分析次數(shù)得到局部或全局的最優(yōu)解 ;

G：將 CA E 分析的結果和修改信息反饋給 CAD圖形 , 修改得到新的 CAD 模型 , 以達到 CAD 和CAE 的信息集成。

2. 4 　虛擬加工仿真

虛擬加工仿真是在計算機中虛構出數(shù)控機床的加工環(huán)境（如 Pro ? M anufacturing 中的動態(tài)仿真），放上一個預先設計好的毛坯 , 讓刀具進行動態(tài)模擬仿真 , 其情形就像真實加工一樣。通過加工仿真 , 設計人員和數(shù)控編程人員可以進行如下工作 :

A：驗證工藝規(guī)程得到的刀具軌跡的正確性。采用工件的實體模型和機床模型來模擬加工過程，刀具沿設計好的軌跡切除工件上的材料，由此 ，可以很容易地檢查到刀具運動軌跡不合理的地方，如與機床、夾具和工件發(fā)生干涉，并加以改進。

B：驗證工藝規(guī)程中確定的切削參數(shù)是否合理可行 , 預測所選擇的切削參數(shù)是否會導致一些不希望的結果出現(xiàn) , 如顫震、表面粗糙度差、尺寸超差、刀具過度磨損等。例如較大的切深可能導致機床顫震并由此損壞工件、刀具、甚至機床本身。不合理的切削速度可導致表面粗糙度達不到設計要求。

C：虛擬加工也能準確評估一個工藝規(guī)程的優(yōu)劣 , 而且基于該評估 , 可以確定合適的加工條件以改進甚至優(yōu)化工藝規(guī)程。利用虛擬加工 , 可以改進對加工時間和加工成本的估算精度。

3  結束語

總的來說 , 進入 90 年代 , 虛擬技術的迅猛發(fā)展為汽車工業(yè)的進步注入了極大的活力 , 使得過去要36 個月才能完成的一個車型開發(fā)周期縮短為 18 個月 , 效率大幅提高。虛擬制造技術為提高企業(yè)的產(chǎn)品自主開發(fā)能力和增強其市場競爭力起到了至關重要的作用。