（车辆工程专业论文）基于ug平台的汽车车身侧围快速开发设计.pdf

同济大学申请硕士学位论文 摘要 随着计算机辅助设计在汽车设计工作中的应用，汽车设计的周期在不断的缩短。 作为计算机辅助设计手段的延伸，快速设计是一种以知识工程和计算机程序化为特征 的设计方法，它能够充分调配计算机资源，进一步的缩短设计的周期。在该方法思想 的指导下，本文提出设计的理论模型。探讨了汽车设计中知识工程的使用，对车身侧 围快速开发系统的结构设计和方法，汽车侧围断面结构，断面数据库进行了深入的研 究，并在u n i g r a p h i c s 软件平台下，以二次开发技术实现快速设计的系统化。汽车侧 围设计程序主要模块有汽车车身的整体简易模型设计，汽车车身截面数据库、车身侧 围结构设计、轮罩设计等、质量估算等。最后对汽车快速设计方法进行展望。 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra i d e dd e s i g nw i d e l yu s e di nv e h i c l ed e s i g n ，t h e p e r i o do fv e h i c l ed e s i g nh a sr e d u c e dm o r e v e h i c l ef a s td e s i g nm e t h o di san e wd e s i g n m e t h o db a s e do nk n o w l e d g e b a s e d e n g i n e e r i n ga n dc a ds o f t w a r e i tc a nf u l l yu s e c o m p u t e rr e s o u r c ea n dr e d u c ed e s i g np e r i o d t h i st a s km a i n l yi n c l u d e st h er e s e a r c ho ft h e t h e o r ya n di d e a so ft h ef a s t e nd e s i g nm e t h o d ，t h eu s a g eo fk n o w l e d g e - b a s e d - e n g i n e e ri n v e h i c l es i d eb o d yd e s i g n ，t h er e s e a r c h i n go ft h es e c t i o ns t r u c t u r ea n dv e h i c l es e c t i o n d a t a b a s ed e s i g n i t sp r o g r a m m e di nu n i g r a p h i c se n v i r o n m e n tu s i n gu go p e nm e t h o d t h e s o f t w a r ei sc o m p o s e do fc a rb o d ys h a p ed e s i g n ，e r g o n o m i c s ，c a rb o d ys e c t i o nd e s i g n ，s i d e b o d ys t r u c t u r ed e s i g n ，w h e e l h o u s ed e s i g n ，a n dv e h i c l ew e i g h te s t i m a t i o n a n df i n a l l yt h i s p a p e rg i v e st h ep r o s p e c to ft h ev e h i c l ef a s td e s i g nm e t h o d 一l 一 同济大学申请硕士学位论文 摘要 随着计算机辅助设计在汽车设计工作中的应用，汽车设计的周期在不断的缩短。 作为计算机辅助设计手段的延伸，快速设计是一种以知识工程和计算机程序化为特征 的设计方法，它能够充分调配计算机资源，进一步的缩短设计的周期。在该方法思想 的指导下，本文提出设计的理论模型。探讨了汽车设计中知识工程的使用，对车身侧 围快速开发系统的结构设计和方法，汽车侧围断面结构，断面数据库进行了深入的研 究，并在u n i g r a p h i c s 软件平台下，以二次开发技术实现快速设计的系统化。汽车侧 围设计程序主要模块有汽车车身的整体简易模型设计，汽车车身截面数据库、车身侧 围结构设计、轮罩设计等、质量估算等。最后对汽车快速设计方法进行展望。 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra i d e dd e s i g nw i d e l yu s e di nv e h i c l ed e s i g n ，t h e p e r i o do fv e h i c l ed e s i g nh a sr e d u c e dm o r e v e h i c l ef a s td e s i g nm e t h o di san e wd e s i g n m e t h o db a s e do n k n o w l e d g e b a s e d e n g i n e e r i n ga n dc a ds o f t w a r e i tc a nf u l l yu s e c o m p u t e rr e s o u r c ea n dr e d u c ed e s i g np e r i o d t h i st a s km a i n l yi n c l u d e st h er e s e a r c ho ft h e t h e o r ya n di d e a so ft h ef a s t e nd e s i g nm e t h o d ，t h eu s a g eo fk n o w l e d g e - b a s e d - e n g i n e e ri n v e h i c l es i d eb o d yd e s i g n ，t h er e s e a r c h i n go ft h es e c t i o ns t r u c t u r ea n dv e h i c l es e c t i o n d a t a b a s ed e s i g n i t sp r o g r a m m e di nu n i g r a p h i c se n v i r o n m e n tu s i n gu g o p e nm e t h o d t h e s o f t w a r ei sc o m p o s e do fc a rb o d ys h a p ed e s i g n ，e r g o n o m i c s ，c a l b o d ys e c t i o nd e s i g n ，s i d e b o d ys t r u c t u r ed e s i g n ，w h e e l h o u s ed e s i g n ，a n dv e h i c l ew e i g h te s t i m a t i o n a n df i n a l l yt h i s p a p e rg i v e st h ep r o s p e c to ft h ev e h i c l ef a s td e s i g nm e t h o d 一i 一 p 士= i明明 本人郑重声明，所提交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得同济大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料，论文中的创新点和关键技术都是作者独立完成的 研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：趁当 日期：丝垡兰盟! 立 同济大学申请硕士学位论文 1 1 立论依据 第1 章绪论 随着计算机的处理速度和计算机设计软件的成熟，计算机在现代汽车设计中的作 用越来越明显。c a d 、c a m 、c a e 技术的发展及其在汽车设计中的广泛应用，现代 汽车设计在深层次发生着巨大的变化，计算机已成为推动汽车技术变革的主要力量。 现代汽车设计方法如自顶向下的设计技术、参数化驱动技术、知识工程和专家系统等 先进的理念和方法的推行，进一步使汽车快速开发设计成为可能。 随着市场经济的发展，企业之间的竞争也越发的激烈，这便要求企业缩短产品的 开发周期并以更快的速度向市场投放新的设计产品，取得竞争优势：同时，消费者的 喜好和需求也趋于多样化，这也要求企业能够迅速及时的开发设计出满足顾客需要的 新产品，以赢得顾客，占有市场。为了实现这一目标，产品的设计必须具有灵活性， 能在各个阶段进行修改以适应新的要求并能够应用最新的技术，利用自动设计能实现 新产品的快速开发。 知识工程( k b e ) 是产品快速设计的灵魂和基础，k b e 是技术创新和产品开发 的基础。人类科技发展到今天，产品开发和技术创新的主要方法包括：三维建模与仿 真分析、设计经验与科技知识的应用、新的创新思维和方案等的综合。因此，现在技 术创新和产品开发的主要途径已不是盲目的创新，而是基于已积累的设计经验基础上 的创新和开发。这些知识和经验是人类最宝贵的财富，必须充分利用。 u g s 公司的u n i g r a p h i c s 软件作为机械行业的最优秀的三维设计软件之一，集 c a d 、c a e 、c a m 于一体。所以在汽车行业众多企业得到广泛的应用。利用u g 软 件提供的二次开发函数一u gf u n c t i o n 在v i s u a lc 语言环境下，可以对u g 软件中几 乎所有的功能编制程序实现二次开发，并可以方便的与数据库相连接。 随着市场的推动和技术的发展，车身的快速设计开发已越来越受到现代汽车制造 企业的重视。 同济大学汽车工程系现代汽车设计理论与方法课题组，一直致力于汽车车身快速 设计方法的研究，汽车的车身快速开发系统包括汽车车门、侧围、前围、后围、顶盖、 一1 一 同济大学申请硕士学位论文 保险杠等部分。本课题主要从事汽车车身总体和侧围的快速设计和开发。 1 - 2 国内外研究现状、发展动态 近十年来，参数化建模技术的实现，使得c a d 模型易于修改，减少了工程设计 变化带来的人力、物力和时间上的消耗，提高了原有设计的重复利用率。1 9 9 9 年u g s 公司又推出全新的总体参数化设计技术w a v e ，实现了参数化造型技术和系统工程设 计的有机结合。这些新型技术依托于大型的三维c a d c a m 软件，在汽车行业得到 广泛应用，推动了自动设计系统的进一步发展。 目前美国通用公司、法国雷诺公司和德国b m w 等公司都在开发自己的车身自动 设计系统。g m 车身开发部经理d i c km c g i n n i s 说：“根据市场和产品规划部门提出的 一系列要求，我们用了1 0 个星期，用一个参数计算的数学模型来表示概念，一旦有 了控制结构或者有了合适的关键参数，g m 设计中心的工程设计就可同步展开，在1 5 分钟内便可提供新的原型样机进行评估。德国b m w 公司1 9 9 9 年在研究的项目之 一就是实现车身件之间相关几何元素的自动修改，以期达到“动一发而变全身”的效 果。 在展望未来的汽车及车身设计时，克莱斯勒公司吉普车和卡车部的工程技术部负 责人b e r n a r di r o b e r t s o n 阐述了一种“变形设计一m o r p h 的思想，以车门设计为例， 工程师先选择种合适的车门结构方案作为新设计的起点，选择方案要考虑到成本、 制造、功能、可靠性和结构性能等方面的设计要求，然后计算机调出已有的设计模板 并询问工程师需要修改哪些参数，参数修改完毕后，计算机就能把原有的f - j 自动更改 成满足现在设计参数的新门。计算机所完成的工作相当于八星期用c a t i a ( 一种三 维c a d 设计系统) 设计的时间。这有利于缩短开发周期，使厂家能在更短的时间内 推出质量更高的产品，适应愈加激烈的市场竞争。 我国汽车行业也引进了各种大型c a d c a m 软件，对于零部件的自动设计或半 自动设计研究得较多，例如变速箱、减震器、制动系统等零部件总成的自动设计系统 已经研制成功并投入实际的开发应用过程中。 同济大学汽车工程系，在汽车总部置和零部件的快速设计领域研究在国内属于领 先地位，先后开发和设计了多种汽车开发和设计软件。 一2 一 同济大学申请硕士学位论文 1 3 本课题的主要研究内容和实现方法 车身的快速设计和快速修改的实质是：当某个总体设计参数或车身设计参数改变 后，车身会按照原来设定的设计准则和几何关联性，自动更新车身模型中每一个需要 改变的几何元素，并保证原有的设计意图和车身的整体性。这将把设计人员从简单枯 燥的绘图和修改工作中解脱出来，使之有时间多尝试些方案，有精力从中寻找最优方 案。利用简化的方案模型来寻找评价设计方案，可以通过简单地改变产品的主要设计 参数就可快速地研究无数的设计方案。 本课题研究的主要内容包括： 1 研究车身快速设计方法的主要思想，在此思想的基础之上提出设计的理 论模型。 2 综合车身设计过程的专家知识，研究车身快速开发包括主要模型和每个 的模块的实现方法。 3 研究知识工程在车身快速设计中的应用，并提出它们的实现路线。 4 研究汽车侧围断面结构，并建立断面数据库。 5 进行车身侧围快速开发系统的结构设计和方法研究。 6 汽车车身侧围设计参数确定和相关的程序编制工作。 7 对车身快速设计方法进行发展展望。 本课题的难点是：参数化断面数据库的结构设计、知识工程在汽车的侧围结构设 计中的实现和扩大程序的应用范围和实用性和通用性等。 一3 一 同济大学申请硕士学位论文 第2 章汽车车身设计方法概述 2 1 车身设计总体概述 汽车总体设计的任务是确定汽车的总体方案，协调各总成与整车的关系，以及各 种总成之间的关系，以满足各种相关的性能和法规的要求，实现总体设计的最优化。 总体设计的结果直接影响到整车的性能，并关系到接下来的零部件设计，是整个汽车 设计中一个至关重要的环节，缩短汽车总体设计的时间，提高总体设计的方案的质量 对于缩短汽车和整车开发的周期和增强最终产品的竞争力有决定性的意义。 汽车车身总体设计中汽车外形造型设计是汽车车身设计中的关键环节。外形设计 一般由汽车造型工程师完成，但是造型必须符合汽车设计的工艺、空气动力学，零部 部件和乘客对空间等要求，因此有必要在造型前考虑这些参数，避免设计的盲目性。 总布置设计所要解决的另一个主要是空间位置和相互关系，统筹协调各部件的相 互位置。汽车设计是从整车到总成，再从总成到零部件的设计过程，即首先要有整体 的概念，然后逐步进行具体化。整车由局部组成，而在进行局部设计时，则要从其在 整车中所处的位置和所起的作用出发，考虑组成整体的各局部问的相互关系，明确边 界条件，才能避免各部分出现不协调现象。可见，总体布置对汽车的设计质量、汽车 性能和产品的生命力起着相当重要的作用。 车身造型和结构是一种创造性的劳动，并且在不断的更新之中。随着各种新技术、 新材料、新工艺等的不断涌现，汽车车身的制造技术有了飞跃的发展，但伴随着客户 对汽车外形的要求的苛刻，使得汽车车身的设计和制造已成为汽车设计成败中至关重 要的环节。 车身结构的特点在于组成车身外形的各个零件多为尺寸大而形状复杂的空间曲 面( 所谓大的覆盖件) ，不易用一般的机械制图的方法将它完整的表现出来，不得不 需要立体模型为依据。为了使这些图纸和模型能够确切的表示车身形状和结构，需要 通过一套复杂的设计程序，步骤如下： ( a )收集资料信息形成造型设计概念； ( b ) 造型构思效果图； 一4 一 同济大学申请硕士学位论文 ( c ) 胶带图制作； ( d ) 比例模型制作： ( e ) 全尺寸油泥模型； ( f )主图板制作； ( g ) 测量与曲面光顺； ( h ) 车身结构设计； ( i )样车试制。 共九个步骤，一般的车身设计方法流程图如图2 1 所示。 图2 一l 传统车身设计方法流程图 一个汽车制造厂的最重要的任务之一就是在最短的时间内研制出优质的及市场 适销的汽车。为了保持竞争能力和提高产品的质量，传统以手工设计为主的设计方法 已经不能满足这些要求，因此新型汽车的设计开发中必须应用最现代化的设计技术及 制造技术。在现代化的制造技术中数控机床、加工中心、制造岛、柔性化生产线等以 计算机控制技术为核心的先进制造方法已广泛的应用在汽车生产的各个关键的部分 中，而在现代汽车车身设计中最常用的便是计算机辅助几何设计，这种方法已经逐渐 在替代传统的画板设计方法而成为车身设计的主流。但随着科学技术的发展和竞争的 加剧，计算机应用不能仅仅停留在取代图板手工绘图的水平，必须充分利用现代计算 一5 一 同济大学申请硕士学位论文 机技术和现代产品设计的理念与汽车车身设计融合，提高设计效率和水平。 2 2 现代产品设计的理念 现在的汽车可以说是现代科技的载体，对于汽车的设计同样要遵循现代产品设计 的理念。基于传统设计方法的产品设计通常采用类比法、经验法、模仿法进行设计， 与设计人员的经验关系较大。市场竞争的日趋激烈、需求的多变和各种新方法、新技 图2 2 产品设计流程 术、新工艺、新材料的不断涌现，推动了设计方法和技术 的不断进步，知识更新的周期越来越短，经验化的设计已 不能适应信息化时代汽车设计的需要，促进了汽车产品设 计从传统的经验设计( 属于经验的、近似的、静态的、可 行的设计) 向现代设计( 属于理论的、精确的、动态的、 优化的设计) 的转变。 产品的设计过程如右图2 2 所示，是一个设计一评 价一再设计的过程，一个成功的设计应该是一个不断重复 这个过程的过程，以便尽早的发现设计过程中的问题，而 设计过程中又要求尽可能的缩短开发周期，这就要求进行 并行设计，加快设计开发周期。推行现代化的设计，技术 资料的快速更新和查阅方便以成为设计工作中的瓶颈问 题。 产品设计过程是一项复杂的创造性活动。设计工程师 在进行产品设计时，通常采用从上至下的方式，即根据产品的功能要求设计出产品的 大致结构、轮廓以及它的主要构件，然后在考虑有关强度、成本、可加工性以及具体 性能要求等因素的过程中再逐步细化设计，可见产品设计是一个自上而下、逐步求精 的迭代过程，是一个设计约束不断分解、传播与满足的过程。 现代产品的设计是在传统基础上的深入发展和完善，而非独立于传统设计的完全 新概念。作为一种创造性的活动，设计的本质是对知识的处理和操作。设计能否成功， 很大程度上取决于其中现代设计知识的含量。在当今的知识经济时代，产品的知识含 量越高，设计的产品竞争能力越强。 现代产品设计的突出特征还包括： 一6 一 同济大学申请硕士学位论文 以计算机技术为核心 计算机技术的飞速发展对产品的设计的多个方面产生了巨大的影响，如下图所示 表1 计算机披术对产品设计产生的影响 影响方面具体表现 从图板直尺。铅笔到c a d 技术，计算机技术推动了设计手段从“手工”到 设计手段的更新 “自动”的转变 从利用投影原理进行产品结构二维表示到包括分析、加工和材, t 4 - 、特性等在内 产品表示的改变 的三雏产品模型，计算机技术推动了产品表示从“二维”向“三维一的转变 高性能的计算机硬件和先进的计算机软件技术使有限元分析、模态分析、虚拟 设计方法的发展 设计、仿真等的实施得到了有力保证 数据库技术和网络技术的发展，并行设计正得到广泛应用计算机技术促进了 工作方式的变化 设计方式从“串行”到“并行”的转变 设计制造一体化 产品的三维模型加强了设计与制造两个环节的衔接，提高了产品开发的效率 数据库技术的发展改变了设计中大量设计数据和设计行为的手工管理模式，提 管理水平的提高 高了设计的管理水平，保证了设计的高效、协同和安全 网络技术的发展加快了数据通讯的速度异地设计、虚拟企业、动态联盟等正 组织模式的开放 改变着传统的企业组织模式 以设计理论为指导 随着科学技术的发展和理论研究的深入，许多工程现象不断升华和总结为揭示事 物内在规律和本质的理论。现代设计方法是基于理论形成的方法，利用这些方法可以 减小经验设计的盲目性和随意性，提高设计的主动性、科学性和准确性。现代设计是 一种以理论指导为主、以设计经验为辅的设计。而且随着电子计算机在产品设计中的 推广，这些理论在产品设计中的应用也日益广泛。 因此，可以认为，现代产品设计是以计算机为工具，以专业设计理论和技术为基 础，以市场为导向的一种综合设计。 2 3 国内外计算机辅助车身设计的应用 上面介绍的是汽车车身设计的一般方法和现代产品设计方法特点。可见计算机技 术在汽车车身设计中的一应用是符合现代汽车设计要求的。由于计算机虚拟设计的直 观、方便、准确、迅速，现代汽车设计中某些传统的设计步骤以经逐步的谈化。 计算机辅助几何设计主要是利用计算机技术来代替传统的手工劳动。比如在几何 造型设计中利用三维造型软件建立精确的数学模型，进行车身零件的结构设计，车身 结构的有限元分析和碰撞性能分析，生成数控加工的机器代码等。图2 3 表示了一 一7 一 同济大学申请硕士学位论文 般计算机辅助车身设计的流程。 轿车的车身造型和结构设计是整个车身设计工作中最重要、周期较长的内容，作 为现代化的大批量、流水生产的产品，汽车车身设计的内容要求更严密，需要要经过 一步步可靠的技术验证，否则设计中的错误或缺陷将会在批量生产中造成严重的后 果。 总布置图 1 ：5 投影效果图 1 ：5 油泥模型和 1 ：1 油泥模型 三坐标测量 计算机造型、曲面光顺 上 车身结构设计 0 模具设计及制造 图2 3 计算机辅助车身设计流程图 计算机辅助设计有许多优点，如计算机设计的数据很容易被共享。在汽车设计中 分工很多很专一，如汽车设计过程中的人机工程学校核，运动学分析，有限元分析， 都是有不同的专门工程师完成的。在这种共享的协同工作的方式下计算机数据的共享 和交换的特点就可以充分体现，不同的设计人员可以同步得到最新的设计资料，为实 现产品的协同设计提供保证。美国著名的飞机制造企业波音公司，早就实现了产 品设计的无纸化，分布全球的6 0 家部件厂商和设计部门，2 2 0 0 台工作站，设计人员 可以在网上选择所需要的设计数据，在计算机中实现零部件设计、虚拟装配、设计差 错检查等工作。甚至可以通过利用全球的时差关系，利用分布在全球的各个不同的设 计中心，实现二十四小时不问断的设计，极大的缩短了设计周期，减少了设计的差错。 我国汽车设计领域的计算机辅助设计工作还处于起步阶段，汽车整车厂尤其是中 外合资的轿车生产企业由于受国外汽车企业的技术支持的影响，已逐步应用大型三维 软件进行汽车的设计和改型，但汽车零部件企业大多在计算机辅助设计应用水平不 高，大部分还是采用较初步的计算机辅助二维图a u t o c a d 方式进行设计，最终 一8 一 同济火学申请硕士学位论文 还是要以打印在纸上的图纸作为生产依据，但是随着整车厂对零部件企业的要求越来 越高，要求零部件厂在新产品设计中进行同步设计，整车厂提供给零部件厂的设计数 据是三维的，短期内零部件厂商可以通过三维转制二维图的方法应付，但是长期来看， 直接的三维设计是将来发展的必然趋势。 三维计算机设计软件，低端的有p r o e ，s o l i d w o r k s ，高端的有c a t i a 、u n i g r a p h i c s 等，它们普遍有良好的人机界面，强大的图形处理能力，并且与其他机械类设计和分 析和加工软件有良好的接口，设计数据可以为加工中心所用直接加工模具等。这些软 件同时也不断的在听取客户的意见，并在不断的升级和改进之中，它们在汽车车身设 计中的优势是不言而喻的。 在国外大的汽车公司，已经越来越依赖计算机三维设计软件，甚至有些改型设计 中手工模型都不作了，直接三维计算机造型后，数控加工可加工塑料内外模型，然后 在此模型上局部修改时采用油泥局部修改有些设计只完成l ：5 油泥模型，测量光顺后 数控加工l ：l 塑料主模型地板和发动机舱模型也可以用三维总体装配来免掉。 但是，三维设计软件应用较为复杂，对于设计人员熟悉计算机软件时间要求较长， 一般一个大型的三维设计软件设计人员从最初开始接触到基本能够进行设计工作一 般需要半年左右的时间，而一个比较精通软件的工程师往往需要连续使用软件二到三 年。因此设计水平的高度在某种程度上还取决于设计人员对软件使用的水平程度。 基于以上原因，汽车整车及其零部件生产厂家对三维设计软件的使用应该是越早 越好。 2 4 计算机辅助车身设计的优点 汽车造型设计的过程是一个不断探讨不断修改不断完善的过程，最后拿到生产线 的图纸很可能与最初的构思有很多不一样的地方，甚至大相径庭，这是一种很正常的 现象。这种传统的造型设计过程的最大缺陷是车身曲线需要依靠人力经过绘画一模型 一图板等多次反复测量反复修改才能确定，耗费大量的劳动和时间，对设计进行修改 是很不方便的事情，而且设计精度也难以保证，因此，用计算机技术辅助人的设计劳 动，是必然的趋势。 最新的设计，将是高速，高质量和低成本的开发设计方法，可能是在采用虚拟仿 真设计技术等先进技术的情况下应用所有的省钱、有效的方法和工具采用不同方法 一9 一 同济大学申请硕士学位论文 可以获得不同的结果，但必须考虑条件和成本。采用声、光、电和c a d 三维实体建 模、虚拟现实环境等技术，实现产品开发设计的方法，称为虚拟设计。其优点：可以 利用虚拟现实环境，实现产品工作性能和外观的检查和评估，减少开发周期，提高开 发质量。 车身开发中采用计算机辅助设计技术进行汽车车身三维建模无疑会带来传统设 计方法无法比拟的优点，主要表现在： ( 1 ) 提高了设计精度。利用计算机设计的数学模型可以实现数据的共享，消除 了中间数据形式的转换，提高了设计和加工的精度。 ( 2 ) 提高了设计效率、缩短了设计和制造的周期。计算机辅助设计取消了传统 设计中的一些烦琐操作和反复劳动，使人力、物力和时间大为节约。 ( 3 ) 可以很方便地对数学模型进行强度、刚度及有限元分析，也可以对车型进 行计算流体力学分析和可成型性分析等。这使初始设计的可信度大为提高。 ( 4 ) 在原设计基础上改型和换型比较容易。 综上所述，三维虚拟设计是汽车车身设计的必然方向，计算机辅助车身设计和底 盘建模设计已在我国的汽车企业的设计中得到应用。国内的大众，通用，昌河等汽车 厂家在设计新车型或车型改制的时候，已经开始使用三维设计软件进行设计，可以预 见在不久的将来二维图板为主的设计将会在汽车车身设计中逐步淘汰和消失。 一i o 同济大学申请硕士学位论文 第3 章车身设计程序开发平台简介 3 ：i tu g 软件及其二次开发技术 本课题采用u n i g r a p h i c s 软件为平台进行汽车车身的研究，主要是因为 u n i g r a p h i c s 软件是一个在汽车行业成功广泛应用的三维设计软件，它为本课题的设 计工作提供了丰富的设计函数和强大二次开发模块，能够提高进行汽车车身快速设计 程序开发效率。 3 1 1u n i g r a p h i c s 软件介绍 u n i g r a p h i c s 软件( 简称u g ) 是美国e d s u g s 公司大型c a d 肥a m ，c a 聃d m 软件产品，1 9 9 0 年进入中国市场，主要用于汽车、飞机、船舶等制造业的模具及复 杂零件的设计、计算、制造及工程分析。e d s 公司曾经一度与美国最大的汽车公司 g m 合并，并结合汽车工业的实际对软件进行了完善和扩充，因此该软件很适合于汽 车工业。 多年来，u g 软件汇集了美国航天航空与汽车工业的专业经验，发展为一流的集 成化机械设计、分析和制造软件，提供了集成最先进的技术和一流的实践经验的解决 方案，使产品开发从设计到加工真正实现了无缝集成，优化了企业的产品设计与制造。 在u g 环境中，全部产品及精确的数据模型都能在产品开发全过程的各个环节中保持 相关，从而可有效地实现并行工程。目前u g 已成为多家世界著名企业计算机辅助设 计、分析和制造的标准。 u g 的实体建模是其它所有几何造型的基础，它将基于约束的特征建模和传统的 几何建模融为一体，形成无缝的复合式建模工具。它能方便灵活地编辑和修改从特征 到自由形状曲面的所有实体模型，将实体建模、曲面建模、线框建模、半参数化及参 数化建模融为一体，充分发挥各自的长处。u g 复合式建模工具较之纯参数化的系统 更为灵活和自由。它允许在需要的时候随时增加参数，能同时有效地运用传统的产品 设计过程，并在必要时与基于约束的特征建模相结合，在最大程度上满足设计人员的 要求。 一工i 一 同济大学申请硕士学位论文 3 1 2u g 软件的二次开发概述 在u g 软件中，系统只提供通用的设计方法，但缺乏针对特定产品的功能的设计 方法，对如汽车车身这样的特定的产品设计无法提供有效的支持，显然，没有完全针 对汽车车身侧围设计的实际所需要的现成的软件系统，必须考虑开发设计针对某些具 体产品设计的系统。 二次开发是增值开发商或最终用户在u g 软件所提供的开发环境与编程接i ：1 基 础之上，根据自身的技术需要，进行新功能开发的过程。随着c a d 技术应用领域的 不断扩大和应用水平的不断提高，专业用户需求和c a d 系统规模之间的矛盾日益增 加。没有一个c a d 系统能够充分满足用户的各种需求。是否拥有一个开放的体系结 构，也成为衡量商品化的c a d 软件产品优劣性、适应性及生命力的重要标志。从某 种意义上说，软件“二次开发 工作的好坏反映了c a d 技术应用水平的高低。 为了实现汽车车身设计软件的编写和开发需要使用到u g 软件的二次开发功能， u g 软件将几乎所有的功能都提供了二次开发接口，用户可以方便的使用v i s u a lc + + 软件环境对u g 进行功能上的升级和改进。其主要的开发工具如下表所示： 开发工具功能说明 u g o p e ng r i pu g o p e n 图形交互程序 u g o p e na p iu g o p e n 应用程序接口 u g o p e nu is t y l e r u g o p e n 用户界面设计师 u g o p e nm e n us c r i p tu g o p e n 菜单脚本 3 1 3 u g o p e na p i 的概念及常用功能 u g o p e na p i ( u g 开放应用程序接口) ，也称作u s e rf u n c t i o n ( 用户函数) 。它是 u g o p e n 二次开发软件包的一个重要组成部分。其核心包括了约二千个c 函数，分 别来实现大部分的u g 操作。通过调用这些c 函数，用户自编的程序能查询并修改 u g 对象模型，处理用户和u g 界面的交互，控制u g 的行为等。另外，工作站版的 u g o p e na p i 工具中还包含了工作站平台开发所需的编译和链接工具。在以下的段落 中，u g o p e na p i 均简写为u f 。 类似g r i p ，u f 也有强大的功能。它能实现用户和u g 对象模型( u n i g r a p h i c s o b j e c tm o d e l ) 之间的交互；能创建和编辑用户自定义对象( u d o ) ，处理各种对象之 间的联系，并为它们的显示和更新提供了完整的手段；借助u g 菜单脚本( u g o p e n 一工2 一 同济大学申请硕士学位论文 m e n u s c r i p t ) 和用户界面设计师( u is t y l e r ) ，u f 能让第三方开发者定制u g 的用户 界面，把用户开发的程序集成到u g 的菜单和对话框之中。此外，u f 和c 程序天然 而紧密地和为一体，使得开发者在不失u g 强大功能的同时又获得c 程序的灵活高效， 为高质量的u g 二次开发提供了最大保证。 3 1 4u is t y l e r 用户界面设计和定制菜单功能 u go p e n 二次开发包中包含了用于可视界面的开发工具，这就是位于a p p l i c a t i o n 下的u s e ri n t e r f a c es t y l e r 。它提供了全部u g 标准可视控件u g 主界面下的所有程序 面板、对话框( d i a l o g ) 禾l j mu i 控件就能制作完全u g 风格的交互程序，而不必借用其 他可视开发工具，实际上w i n d o w s 下的可视开发工具也无法生成u g 风格的用户界 面。 用户在u s e ri n t e r f a c es t y l e r 中虽然不能自由设置每个控件的大小和具体位置，但 能够控制各个控件在对话框内的排列顺序，并设定对话框模块名。u s e ri n t e r f a c es t y l e r 将对话框存盘时会根据模块名和各个控件名自动生成对话框的头文件、各个控件回调 函数的框架及整个c 源代码模板。用户此后只须向c 源代码模板中的各回调函数框 架内添加实现自己功能的代码，不必手工编写程序框架，基本实现了u g 程序的快速 开发。 m e n u s c r i p t 也是u go p e n 二次开发软件包的一个部分，这是一套用于定义u g 菜单的脚本语言，u g 自身的菜单也是用m e n u s c r i p t 写成的。由于不需要菜单资源 文件，菜单文件是文本文件，可用记事本直接打开，因此对菜单的编辑和修改十分简 便。使用菜单脚本可以修改u g 菜单的结构，添加或删除定制的菜单，改变菜单的显 示文本或响应行为等。g r i p 程序、a p i 程序、u id i a l o g ，甚至操作系统命令行都可 以与菜单行为关联，大大扩展了u g 界面的功能。 3 2 数据库的应用 使用数据库来存放知识工程和参数化设计中的数据，可以使数据与软件相对的独 立。数据库可以直观的理解为存放数据的仓库，它使得数据能按照一定的格式进行组 织、描述和存储，具有较小的冗余度、较高的数据独立性和扩展性，并可以为多个用 户所共享。随着计算机存储技术的广泛使用，为了实现对于汽车车身数据的实施有效 一工3 一 同济大学申请硕士学位论文 的管理和充分的利用，有必要将这些数据存入数据库中，在需要的时候进行查询、浏 览和分析。 左图3 1 是一个数据库应用的简图，可以从下图看出数据可以通过接口程序被多 个不同软件应用，也可以通过网络被远程的客户所调用。正是有了独立与其他应用软 件的数据库技术，数据的作用才得到了最为广泛的应用。 数据库应能满足基本的 初始数据输入、转换功能、 数据库的转储、备份和恢复 功能，数据库的重新组织和 性能检测、分析功能系统。 目前数据库软件繁多，一般 中小型的数据软件有 f o x p r o 、a c c e s s 、，大型的数 图3 一l 数据库应用结构 据库软件有o r a c l e 、s q ls e r v e r 等。大型数据库软件主要用于银行、证券、邮局等 有大量数据交换的部门。一般的企业项目软件应用a c c e s s 即可。 a c c e s s 的主要特点是： 1 使信息更易于查找和使用：a c c e s s 有能够简便地查找信息使用的工具，它 们可以提供与o f f i c e 软件包中的其它应用程序的一致性和完整性。 2 ，支持w e b 功能的信息共享：a c c e s s 可以通过公司的i n t r a n e t 很简便地实现 信息共享，而且它可以很容易地将数据库定位到浏览器中。它将桌面数据库的功能和 网站的功能结合在一起。 3 用于信息管理的强大的解决方案工具：高级用户和开发人员现在可以创建那 些将a c c e s s 界面( 客户端) 的易用性和s q l 服务器的可扩展性和可靠性结合在一起 的解决方案了。 一工4 一 同济大学申请硕士学位论文 第4 章车身快速设计 汽车车身快速设计是一种充分利用计算机辅助设计技术，针对汽车车身设计过程 中的每个步骤，通过合理的融入知识工程和编写设计程序的方法，实现设计过程中的 部分工作的程序化和自动化，最终达到加快汽车车身设计的目的。 4 1 快速设计的关键技术 4 1 1 自顶向下的产品建模系统 汽车的车身设计是一个复杂的创造性的活动，传统的t o p d o w n 的设计过程是指 先利用c a d 软件的实体建模和曲面造型功能在计算机中设计好的零部件。再应用软 件的装配功能进行装配，得到设计的产品或部件总成。这样做限制了设计的自由性和 可更改性，由于车身各部分零件相互之间有较强的配合关系，对某一零件所做的修改， 往往会影响到许多相关零件的修改。采用自下向上的设计方法显然对于总体设计人员 修改设计提出了很高的要求，一旦车身零件设计完成，如果经过系统评估后整体设计 存在问题，不断的修改设计将造成零部件设计的改动工作量非常巨大。这样不利于提 高设计的效率和设计质量。 现代的高级三维c a d 设计软件如c a t i a 、u g 均支持自顶向下的设计。自顶向 图4 2 t o p d o w n 设计过程 下( t o p d o w n ) 的设计过程，设计是从产品功能要求出发，选用一系列的零件去实现 产品的功能。在这种设计过程中，在零件设计的初期就考虑总成和零部件的轮廓设计 一工5 一 同济大学申请硕士学位论文 和零件与零件之间的约束和定位关系，在完成产品的整体设计之后，再实现单个零件 的详细设计。自顶向上的设计则公认已是公认的符合人们思维习惯的设计工程，也是 当今c a d 软件设计发展的潮流。 在产品的设计过程中，总体和零部件之问的关系是一种树形的关系，现代的汽车 车身设计要求尽可能的加快产品的设计时间，往往采用并行设计的思想，即零部件的 设计不是在总体设计完成后才开始，而是几乎与总体设计同步进行的。采用了t o p - - d o w n 设计方法后零部件的设计可以看成是一个模块化的，函数化设计。它明确了上 级总体和下级部件设计的界线，由上级装配对下级零部件设计提出要求和设计的轮 廓。下级零件的设计中应将上级的要求看成是设计参数，建立约束驱动的产品模型。 当上级模块对下级模块的要求改变时，下级模块要求能够根据新的设计参数自动或通 过少量修改迅速的完成本模块的修改设计。t 0 p _ d o w n 这种设计过程可以充分利用 计算机的优良性能，最大限度的发挥设计人员的设计潜力，减少设计实施阶段的不必 要的重复工作，使企业的人力、物力、财力等资源得到充分的利用，有利于提高设计 效率，减少设计研究的时间，使企业在市场竞争中占据有利的位置。t o p - - d o w n 设 计的过程可以用图4 2 来表示。 在u g 软件中，自项向下的设计是依靠w a v e 的功能实现的。w a v e ( w h a t i f a l t e r n a t i v ev a l u ee n g i n e e r i n g ) 是u g 软件一项全新的产品概念设计技术，特别适合于 整车车身总体设计，是有效的解决整车设计“牵一发动全身”难题的关键。它可以使 的不同部门的工程师在设计早期阶段，就可以站在系统工程的角度，同时针对多种可 选的设计方案进行评估。通过将设计意图组织到一个相关控制结构( a s s o c i a t i v e c o n t r o ls t r u c t u r e ) 中去，可以使设计师十分有效地控制各种设计变更。努力达到设计 的最优化。 4 1 2 知识工程 知识工程k b e ( k n o w l e d eb a s e de n g i n e e r ) 类似于专家系统。它的基本思想是要 寻找和记录不同类型知识的方法，这些知识被用来以容易查询、理解、重用和维护的 方式策划、设计和完成产品，知识工程主要包括知识的获取、推理机制和知识库。 1 识获取的方式，通常来自于设计标准、手册、规范。但是诸如专家经验， 成熟产品反求，科研数据的积累，必须通过归纳、总结、提炼和抽象形成知识。 一工6 一 同济大学申请硕士学位论文 2 推理机制，主要包括两个任 i 一裹1 务，一是知识的运用，即从已有。一 的知识中推倒出所需的结论和知 识；二是控制搜索过程，即确定 知识库中规则的扫描顺序，决定 每个控制信息下要触发的规则。 3 。 知识库，主要用于存储大量领 域的专家经验和知识以及已知的 事实和采用这些知识的规则，这 些数据是通过知识的若干获取途 径得到的，并且能够被推理机制 图4 3 知识工程 所采纳的数据，这些数据可以通过相应的软件来添加和维护。 知识工程是现代汽车设计过程中被逐渐采用和发展的一种新的设计方法，它是基 于前期的设计经验和现代计算机技术的强大的推理功能的基础上的，能实现设计过程 中最优化和最快化。 汽车车身设计的质量和技术含量很大程度的决定了汽车产品的性能和制造成本。 由于汽车设计是一项非常复杂的工程，需要花费大量的人力和物力，一辆全新轿车的 设计需要5 0 0 个工程师长达2 3 年的时间才能完成，为了提高产品竞争力，世界上 大的汽车公司都在想方设法的缩短汽车设计周期，采用的方法是省略设计过程中的某 些步骤，减少试验样车的数量和修改设计的轮次，这就对设计师提出了很高的要求， 要求设计的结果必须一次就正确，否则就会对产品设计带来巨大的损失。所以有必要 高度重视汽车车身设计中融入专家知识和经验。 由于产品设计是人的创造力和环境交互作用的物化结果，是一种智能的行为，通 常需要设计人员分析推理、运筹决策和综合评价，才能取得合理的结果。为了对设计 的全过程进行有效地支持，需要将专家系统和数据库，图形库，方法库，参数化变量 技术、系统工程，优化设计以及非线性、智能数学算法( 神经网络) 等理论和技术结 合起来，传统的c a d 技术与专家系统知识工程技术相结合，必须扩展为基于知识的 c a d 系统。汽车的总体设计和车身设计必须建立在对现有汽车设计知识，包括设计