汽车CAD技术发展及应用概述

1、汽车CAD技术发展及应用概述 1.1 本论文研究的目的和意义随着计算机技术的飞速发展，CAD已经广泛用于各个社会生产领域，特别是对于生产复杂产品如飞机、汽车、家电等制造业尤为重要。汽车是一件复杂的产品，其开发流程涉及到极大的工作量，借助于先进的CAD技术，能降低开发人员的工作量并提高产品质量。汽车行业是CAD技术最先应用的领域之一，国外一些著名的汽车公司很早就自行开发CAD软件。到现在，CAD技术几乎被所有汽车公司所采用，可以说CAD技术（包括计算机辅助制造、计算机辅助工程分析）的应用水平，已经成为评价一个国家汽车工业水平的重要指标。在我国，汽车企业一直都作为国家和地方的利税大户，同时也是CA

2、D技术应用的先锋。CAD技术在企业中的成功应用，不仅带来了企业技术上的创新，同时带动了企业经营、管理旧模式的变革。因此，它对我国传统产业的改造、新技术的兴起，以及汽车工业提高国际竞争力等方面，起到了巨大的推动作用。传统的汽车车身设计方法的整个过程是基于手工设计完成的，其特点是整个过程是通过实物、模型、图纸、样板等来传递信息。随着计算机技术的发展，计算机逐步代替人脑承担起复杂的计算和分析，同时引进CAD等现代设计方法，帮助工程师们抛掉传统的手工方式，既方便设计，又能改善设计质量，缩短设计周期。因此，国外著名汽车公司都不惜花巨资实施CAD技术，一方面加快新车型上市的速度满足复杂多变的市场需求，另一

3、方面节省开发成本，向消费者提供物美价廉、物超所值的产品，从而提高自身市场竞争力。CAD技术对于中国汽车企业的重要性是不言而喻的。尽管在2002年，中国汽车行业发生“井喷”，一时间汽车成为和手机、房子一样炙手可热的商品，中国汽车业就此迎来了发展的大好时机。同时，国外汽车企业看到了中国广阔的汽车市场，纷纷在华投资建厂，而国内的汽车公司趁机和国外公司合资，以为可以借助外国公司先进的技术来提高自身的研发能力，可实际上事与愿违。外国公司并不愿意把先进的技术介绍给中国的公司，中国公司始终充当着OEM的角色，仅仅是外国公司在中国的制造基地，汽车研发水平仍难有所提高。在2006年，国家将按照对WTO的承诺取消

4、汽车进口配额。步入21世纪的中国汽车工业将受到来自跨国汽车公司的巨大生存压力，以及数字化和产品、技术不断创新的严峻挑战。因此，全面应用CAD技术是中国汽车工业发展过程中的必由之路，应纳入到各个汽车企业的发展战略中。 1.2 浅谈CAD技术1.2.1 CAD技术简介 利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。简称CAD。 在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案；各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索；设计人员通常用草图开始设计，

5、将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成；利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。1.2.2 CAD发展概况20世 纪50年代在美国诞生第一台计算机绘图系统，开始出现具有简单绘图输出功能的被动式的计算机辅助设计技术。60年代初期出现了CAD的曲面片技术，中期推出商品化的计算机绘图设备。70年代，完整的CAD系统开始形成，后期出现了能产生逼真图形的光栅扫描显示器，推出了手动游标、图形输入板等多种形式的图形输入设备，促进了CAD技术的发展。80 年代，随着强有力的超大规模集成电路制成的微处理器和存储器件的出现，工程工作站问世，CAD技术在中小型企业逐步普

6、及。80 年代中期以来，CAD技术向标准化、集成化、智能化方向发展。一些标准的图形接口软件和图形功能相继推出，为CAD 技术的推广、软件的移植和数据共享起了重要的促进作用；系统构造由过去的单一功能变成综合功能，出现了计算机辅助设计与辅助制造联成一体的计算机集成制造系统；固化技术、网络技术、多处理机和并行处理技术在CAD中的应用，极大地提高了CAD系统的性能；人工智能和专家系统技术引入CAD，出现了智能CAD技术，使CAD系统的问题求解能力大为增强，设计过程更趋自动化。CAD已在建筑设计、电子和电气、科学研究、机械设计、软件开发、机器人、服装业、出版业、工厂自动化、土木筑、地质、计算机艺术等各个

7、领域得到广泛应用。1.2.3 系统组成通常以具有图形功能的交互计算机系统为基础，主要设备有：计算机主机，图形显示终端，图形输入板，绘图仪，扫描仪，打印机，磁带机，以及各类软件。1.2.4目前的CAD主要软件 CAD技术从最初的工业设计领域已渗透到人们日常生活的每个角落，以CAD技术为基础开发的各类商业专业软件已超过10万个。以下浅谈目前市场上比较主流的CAD软件：(1)AutoCAD AutoCAD是国际上著名的二维和三维CAD设计软件，是美国Autodesk公司首次于1982年生产的自动计算机辅助设计软件，用于二维绘图、详细绘制、设计文档和基本三维设计。现已经成为国际上广为流行的绘图工具。.

8、dwg文件格式成为二维绘图的事实标准格式。(2)Pro/Engineer Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。(3)Unigraphics(UG) UG是Unigraphics的缩写，这是一个交互式CAD/CAM(计算机辅助设计与计算机辅助制造)系

9、统，它功能强大，可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构。UG的开发始于1969年，它是基于C语言开发实现的。UG NX是一个在二和三维空间无结构网格上使用自适应多重网格方法开发的一个灵活的数值求解偏微分方程的软件工具。其设计思想足够灵活地支持多种离散方案。它在诞生之初主要基于工作站，但随着PC硬件的发展和个人用户的迅速增长，在PC上的应用取得了迅猛的增长，目前已经成为模具行业三维设计的一个主流应用。UG是一个集CAD、CAE和CAM于一体的机械工程辅助系统，适用于航空航天器、汽车、通用机械以及模具等的设计、分析及制造工程。(4)SolidWorks SolidWorks为达索系统（Dassaul

10、t Systemes S.A）下的子公司，专门负责研发与销售机械设计软件的视窗产品。达索公司是负责系统性的软件供应，并为制造厂商提供具有Internet整合能力的支援服务。该集团提供涵盖整个产品生命周期的系统，包括设计、工程、制造和产品数据管理等各个领域中的最佳软件系统，著名的CATIAV5就出自该公司之手，目前达索的CAD产品市场占有率居世界前列。国内软件产品（1）浩辰CAD浩辰CAD是著名的国产CAD设计软件，由苏州浩辰软件股份有限公司开发，目前最新版本为浩辰CAD 2012。浩辰CAD完美兼容AutoCAD，在界面、功能、操作习惯、命令方式、文件格式、二次开发接口与之基本一致，并根据国内

11、用户需求开发大量使用工具，具有更高的性价比，此外浩辰CAD还可以提供针对勘察设计行业和制造业的全面解决方案。（2）中望CAD中望CAD是另一种国产CAD设计软件，由广州中望龙腾软件股份有限公司开发并在2001年推出了第一个版本，目前最新版本为中望CAD 2011。中望CAD兼容普遍使用的AutoCAD，在界面、功能、操作习惯、命令方式、文件格式上与之基本一致，但具有更高的性价比和更贴心的本土化服务，深受用户欢迎，被广泛应用于通信、建筑、煤炭、水利水电、电子、机械、模具等勘察设计和制造业领域。中望公司在2010年斥资千万美元收购了美国著名的三维CAD/CAM设计软件公司：VX，并在2010年8月

12、份推出了中望3D2010版，从此中望公司开始涉及三维CAD设计软件领域。 1.2.5CAD技术的发展趋势随着计算机硬件技术的发展，特别是图形处理设备的飞速发展，计算机辅助设计/制造(CAD/CAM)技术以惊人的速度快速发展， CAD技术的发展方向主要围绕在标准化、开放式、集成化、智能化四方面。 集成化 为适应机械设计与制造自动化的要托特别是近年来出现的计算机集成制造系统CI煅的要求。进一步提高集成水平是CADCAM的重要发展方向之一。当然，提高集成水平还要傲以下几方面工作：(1)在几何造型方面，必须实现从传统的实体造型到参数化特征的造型转变。(2) CADCA强系统必须有自己统一的数据库及其管

13、理系统。(3)解决好不同CAD系统间产品模型数据转换问题。(4)集成系统内部应包括种类更多、功能更为完善的设计与制造及应用软件。智能化 现有的CAD技术在机械设计中只能处理数值性工作，包括计算、分析与绘图。然而在机械设计活动中存在着另一类符号推理工作，如方案的构思和拟定、最佳方案选择、结构设计、评价、决策，以及参数选择等。这些工作依赖于一定的知识模型，采用符号推理方法才能圆满解决。因此，人工智能与现代机械设计结合形成的智能型CAD专家系统是机械CAD发展的必然趋势。标准化 随着CAD技术的发展，工业标准化问题越来越显示出它的重要性。迄今已制定了不少标准。随着技术的进步新标准还会出现，用户的应用

14、开发常常离不开合于标准的开发软件。更为重要的是，有些标准指明了CAD技术的进一步发展的道路。例如STEP，既是标准，又是方法学，而由此构成的STEP技术，将深刻地影响着产品的建模、数据管理、外部接口等。实用化 CAD技术更大限度地应用于实际的设计过程，还需迸一步完善相关技术。(1)主机向低成本的个人微型机和工程工作站转移，并且在这些低成本的系统上完成更为复杂的工程分析和设计任务。(2) CAD的基本技术，如三维造型、图形显示、图形数据库、工程分析、仿真等应进一步完善。(3)建立开放体系，解决好网络通讯工作，使不同地点和地区的用户能够协同工作。 1.3 CAD在汽车工程领域的应用在CAD技术发展

15、初期，美国通用公司就自主研发以设计车身为目标的 DAC1系统，来分析和综合车身的三维曲线设计。到上世纪90年代初，美国通用汽车公司选中UG作为全公司的 CAD/CAE/CAM/CIM主导系统。经过不断的发展，公司已100%采用CAD来进行设计制造，并取消了中间过程，使计算机与制造终端直接相连，最终实现了系统网络化。我国从上世纪70年代开始研究和推广CAD，使得CAD技术在国内得到了广泛的应用，并从中取得了不错的经济回报。到目前为止，国内大型制造型企业如汽车企业已普遍实施了CAD系统，取代手工作业，一些大型汽车企业的CAD应用水平也接近国际先进水平。但由于我国CAD软件自主研发术水平与发达国家之

16、间存在巨大的差距，国内一些研究机构和公司推出的CAD系列软件得不到更广泛的应用，市场占有率低，尤其在CAD系统集成方面还是刚刚起步。随着我国市场化程度的加深，市场竞争的加剧，迫使汽车企业必须改变传统的设计、制造、管理、销售模式，来提升企业竞争力和市场应变能力。可以说，实施CAD系统是最有效的方式之一。 1.3.1 汽车模具CAD技术模具是能生产出具有一定形状和尺寸要求的零件的一种生产工具，也就是通常人们所说的模子。模具生产具有高效、节材、成本低、保证质量等一系列优点。在60年代初期，国外一些汽车制造公司就开始了模具CAD的研究。例如DIECOMP公司研制成功的模具CAD系统，使整个生产准备周期

17、由18周缩短为6周。目前我国已有许多企业采用模具CAD技术，取得了丰富的经验和技巧，使模具精度和生产率大为提高，但是由于多方面的原因，尽管有些企业已经实现了无图纸设计，其模具CAD工作大多局限于计算机画图（Computer Aided Draft）和二维设计，只有个别企业的汽车模具设计和制造能力接近国际先进水平。此外，国内也出现了一些拥有自主版权的软件，如北京航空航天大学华正模具研究所开发的CAD系统CAXA等，解决了生产中的一些问题，但还没有得到很好的推广和使用。我国在对汽车新车型的开发上远远落后发达国家，其中一个重要原因就是覆盖件模具的设计效率低。国内传统的模具设计方法已不能适应汽车工业的

18、发展需要，而引进国外的覆盖件模具产品花费过高，而且会严重阻碍汽车产品的更新换代。要解决上述问题，就必须研究开发我国自己的模具CAD技术，同时在国外先进的通用造型软件基础上进行二次开发无疑是一种必要而又有效的手段。模具结构设计一般可分为二维设计和三维设计两种，两种方法各有其优、缺点。计算机二维设计优点是设计速度快、占用计算机内存小、对计算机硬件配置要求不高，使用成本低廉；缺点是设计错误不易被发现，不能直接用于分析和加工。而三维设计可实现参数化、基于特征、全相关等，使得产品在设计阶段易于修改，同时也使得并行工程成为可能。另外，三维设计形象、直观，设计结构是否合理使人一目了然，但三维设计会导致计算机

19、运算速度低、软件占用硬盘和内存的空间大、设计速度慢等。国外汽车覆盖件模具CAD技术的发展已进入实质性的应用阶段，不仅全面提高了模具设计的质量，而且大大缩短了模具的生产周期。近些年来，我国在汽车覆盖件模具CAD技术的应用方面也取得了显著的进步，但目前依然存在着一些问题，如设计效率低、标准化程度低、专用性差、开发手段落后、用户界面不能满足要求等，针对此，模具CAD技术主要向参数化、智能化、集成化、专业化等方面发展。1.3.2 汽车车身CAD技术车身是汽车的一个非常重要的总成，占汽车车身质量和造价的40%60%，其设计的好坏直接影响着汽车的使用性能。车身又决定了汽车外形的美观程度，而汽车外形是消费者

20、在购车时首先考虑的因素，对影响消费者的决策起着关键性的作用。同时车身还必须有足够的强度和静刚度、良好的动力学性能指标，达到保证成员安全和汽车寿命，抗振抗噪，节约能源等目标。车身CAD技术以三维造型为基础。在传统的设计中，由于缺乏有效的辅助工具，开发人员常常以二维为基础进行构思，然后扩张到三维。CAD技术在车身开发中的应用，使原来的旧模式有了彻底的改观。设计人员通过与CAD系统的交互，将自己脑中的概念模式转化为清晰的视觉模式几何实体，易于优化和改进，提高了工作效率和设计质量。车身CAD技术面向制造和装配。能熟练使用CAD进行产品设计的开发人员，主要集中于产品的数学建模，缺乏对制造技术的了解，而未

21、考虑设计产生的数据对后续加工的影响。为了精确加工产品，CAD系统提供的数据应该面向制造，保证其完整性和一致性，直接作为数控机床的输入数据。车身CAD技术基于PDM。在车身部件的开发中，可能会有多个车型设计要交替进行，产生多种数据版本，因此引入产品数据管理技术，建立统一的CAD工程数据库，消除车身开发中各部分内部信息和数据间的矛盾和数据冗余，从而保证开发过程顺利进行。基于PDM的车身CAD集成系统结构由用户层、应用层、系统层、PDM系统集成层、异构环境处理层组成。其中用户层由处在集成环境中各人员组成包括设计人员、工艺人员、制造人员等。应用层由CAX系统和用户界面组成。PDM系统集成层是整个系统的核心，由具有数据管理、数据操作的应用性软件组成。异构环境层提供了集成所需的网络平台、操作系统平台、网络间数据传输与操作等功能。 1.3.3 汽车底盘CAD技术汽车总布置是汽车设计中重要的一环，对汽车产品质量起决定性的作用。总体布置采用模块化设计，模块之间互相联系，彼此间可以交换数据。在进行布置设计时，都是在三维空间内进行，因此必须确定零部件位置，这对建立整车坐标系及总称的坐标系很有必要。在已建立的坐标系中建立数学模型，用坐标点的方法完成总称装配。待设计完成后，要进行干涉检查，一般分为位置干涉检查和运动干涉检查。汽车动力性、操纵稳定性、制动性都是性能分析的重要工作。另外，