数字原型技术应用与实践

一汽红塔云南汽车制造有限公司与北京航空航天大学进行产学研结合, 利用一汽红塔云南汽车制造有限公司长期积累的汽车设计、汽车生产制造工艺技术、技术人才等优势, 充分发挥北京航空航天大学科研、教学和专家团队等优势, 共同组建课题研究组, 应用数字原型技术, 开展新车型设计开发的应用和实践。

1 项目内容

(1) 建立CAD/CAE应用软硬件技术环境。

(2) 在新车型开发过程中集成各种CAE工具, 优化新车型开发过程, 实现新车型CAD/CAE并行设计。

(3) 在汽车零部件级, 进行关键零部件的CAD/CAE关键技术应用研究。

(4) 在汽车系统级, 进行悬架系、转向系等关键系统CAE建模和数字仿真技术研究。

(5) 在汽车整车级, 进行整车性能虚拟试验技术研究。

(6) 开发车身覆盖件冲压成形仿真系统。

(7) 开发汽车车身人机工程化设计与环境仿真系统, 实现基于人机工程学的驾驶室总布置设计的数字化和虚拟化。

(8) 进行新车型生产和性能试验。

(9) 进行CAD/CAE应用技术人员技术培训。

(10) 进行数字原型技术的试验验证与推广应用。

2 数字原型技术应用与实践

(1) 在CAD/CAE软硬件环境建设方面。课题研究组建立了基于PDM、以汽车行业主流CAD软件 (UG、CATIA等) 和CAE软件 (ANSYS、Hypmesh、Imageware等) 和自主开发软件为新产品开发平台的CAD/CAE应用软硬件技术环境。

(2) 在CAD/CAE并行工程研究方面, 课题研究组结合企业实际情况, 对新车型开发过程进行了研究和分析, 提出了适合企业的CAD/CAE并行设计开发流程, 在该并行开发流程中, 从产品概念设计开始, 集成了各种CAD和CAE工具, 使产品开发过程得到了优化。

(3) 在汽车零部件级CAE技术研究 (关键零部件CAE技术研究) 方面, 课题研究组对卡车轮毂疲劳强度分析及结构优化。采用有限元方法和灵敏度分析技术, 对影响卡车轮毂疲劳寿命的结构参数进行分析, 并在此基础上, 对卡车轮毂进行结构优化, 提出了新的结构设计方案, 成功解决了卡车轮毂可靠性不足的问题。

(4) 卡车钢板弹簧应力分析及结构优化。采用接触问题建模方法, 建立了钢板弹簧有限元分析模型, 对各片弹簧的应力进行了分析, 并对结构进行了优化, 成功解决了多片式钢板弹簧有限元模型建模中的接触问题和大变形问题等技术难题, 新的结构设计方案满足了疲劳寿命要求。

(5) 卡车车架强度CAE分析。结合FC19车型, 建立了FC19车型完整的车架CAD模型, 并在此基础上, 建立了包括悬架系统在内的车架CAE模型, 对车架弯曲工况、扭转工况、转弯工况和制动工况等极限工况的强度进行了分析, 找出了车架在各种工况下的应力分布、位移变化等, 得到了车架的强度、刚度特性。通过计算发现该车车架的前端驾驶室的第一根支撑梁附近属于车架中位置相对薄弱部位, 必须对该部位通过加厚壁厚或设置加强筋等方式而使此部位的强度、刚度的到提高, 从而防止在使用过程中该部位的断裂或损坏情况的发生。仿真计算结果与车架实际情况相符, 为指导车架设计提供了有力的技术支持。

(6) 卡车驾驶室悬置系统优化设计。建立了驾驶室振动系统动力学模型, 根据FC19金麒麟中卡的有关参数, 以国标的加权加速度均方根值为目标函数对驾驶室悬置进行参数优化, 得到悬置刚度和阻尼的最佳匹配;根据金麒麟中卡改型的具体要求设计计算了4点橡胶减振垫支承的非翻转式驾驶室悬置系统, 并给出合理的刚度和阻尼匹配;对金麒麟中卡现有驾驶室悬置系统进行了计算、分析和评价。

(7) 汽车排气噪声试验与仿真分析。建立了两类常用的主消声器 (B和C) 和一种副消声器 (A) 的模型, 对他们的不同组合进行仿真和试验研究, 研究分析了不同入口速度、不同入口温度情况下不同组合方案的功率损失情况;对不同组合与动力总成匹配后的噪声特性进行了仿真分析;对不同组合与整车匹配的噪声特性进行了仿真分析;对不同组合噪声进行试验测试。该子项目研究分析了影响排气消声器性能的主要使用参数, 总结使用计算机仿真分析软件进行消声器设计的方法, 提出了降低汽车排气噪声的消声器设计方法和流程, 从而指导企业设计, 降低噪声水平。

(8) 轿车行李架空气动力学特性仿真分析。结合企业乘用车加装行李架后, 噪声增大的技术问题, 对轿车行李架空气动力学特性进行仿真分析, 项目对简化的直背式轿车模型周围流场进行数值模拟, 建立了空气动力学仿真模型, 对不同模拟分析方法的精度进行对比研究, 通过与试验结果的对比, 确定轿车外流场数值模拟中精度最高的湍流模型、离散格式和速度与压力耦合的半隐式算法。对行李架加装在不同高度的轿车车身的外流场进行数值模拟, 得到了不同的行李架定位的情况下轿车外部的速度场数据, 并对其进行分析, 结果表明:行李架距车顶间隙越小, 气动阻力系数越大, 气动升力系数越小;在两种来流速度下, 阻力系数和升力系数随行李架的间隙的变化趋势基本上是一致的。对加装三种不同形状行李架后的轿车车身的外流长进行数值模拟, 结果表明在不同车速的情况下, 加装三种行李架后的轿车阻力系数均比加装前高, 升力系数则均比加装前低;无论是加装行李架前还是加装行李架后, 阻力系数和升力系数均随车速的提高而减小;加装三种不同的行李架后对轿车的气动特性的影响方面, 在不同的车速下, 无论是阻力系数还是升力系数, 均是行李架Ⅱ>行李架Ⅰ>行李架Ⅲ。

(9) 汽车碰撞安全性仿真分析。在系统总结国内外汽车碰撞仿真技术的基础上, 提出了汽车碰撞安全性仿真分析技术路线, 建立了汽车覆盖件典型结构——薄壁粱碰撞模型, 研究了薄壁粱建模的关键技术, 对其碰撞特性进行了研究, 并与试验结果进行了对比分析, 仿真结果与试验误差仅为3.9%, 在此基础上, 提出了闭口帽形薄壁梁设计的两步法:设计截面尺寸特征来决定结构形式, 以控制屈曲压溃模式和吸能总量;籍以不同焊点布置方案来控制吸能平顺性。两步设计法使吸能最大化与吸能平顺化的矛盾得以解决, 对于车架前端的设计思路具有重要的指导意义。另外, 还对某车型的白车身碰撞进行了建模和仿真分析, 其结果对于指导车身结果设计具有重要意义。

(10) 汽车动力性及燃油经济性仿真系统。通过对汽车动力性、燃油经济性采用数学描述的方法, 编制了汽车动力性与燃油经济性模拟计算软件。运用该计算软件, 不仅可以获得较好的计算结果, 而且还能了解结构及性能参数对汽车动力性、燃油经济性的影响程度, 从而找到最佳的动力传动系的匹配参数。该子项目开发的动力学经济性仿真计算的主要功能包括:最大车速、最大爬坡度、加速时间等三大动力特性和等速、加速、减速与怠速工况工况油耗计算以及货车国家标准六工况油耗计算等燃油经济性计算功能, 并能够把全部仿真计算结果以图形的形式直观地表示出来, 使新车型设计过程中动力性、经济性计算分析以及动力传动系统匹配变得非常容易, 时间大大缩短, 计算精度明显提高。另外, 该子项目开发的系统已成功应用到FC19车型及其他车型的动力性和燃油经济性仿真计算。

(11) 卡车车架强度及整车动力学仿真分析。建立了卡车车架及底盘的CAD模型和CAE分析模型, 在对卡车车架静态强度分析的基础上, 利用Lanczos分析方法, 对车架自由模态进行了分析。根据国标GB7031-86中“车辆振动输入路面平度表示方法”, 建立了B级路面谱 (白噪声) 的不平度数据曲线, 作为道路虚拟试验的输入数据和底盘系统的输入信号, 选择车架和整车上的关键点 (驾驶室前安装点、驾驶室后安装点、前板簧前吊耳处、前板簧后吊耳处、后板簧前吊耳处、后板簧后吊耳处、发动机支架、货厢支撑点A、货厢支撑点B、货厢支撑点C、货厢支撑点D、货厢支撑点E) , 研究了车架和整车的动力学特性:包括在B级路面输入条件下的动态位移响应特性;在B级路面输入条件下的动态应力响应特性;在B级路面输入条件下的动态应变响应特性;在B级路面输入条件下车架和整车约束反力的瞬态响应特性。整车的动力学特性不仅可以指导汽车整车设计, 而且, 直接关系汽车的舒适性和操作稳定性, 汽车动力学特性仿真对于指导汽车舒适性、操作稳定性设计也具有非常重要的意义。

(12) 道路虚拟试验数据库。对GB7031-1986建议的公路路面功率谱密度的拟和表达式进行了系统的研究, 在分析了所关心的汽车固有振动频率和行驶速度的影响后, 获得分布在一定频率范围内的离散功率谱密度数据, 利用计算、分析获得路面不平度的离散傅立叶变换, 进而利用离散傅立叶逆变换得到路面不平度值, 在此基础上, 建立了满足国标要求的随机路面不平度B级路面谱, 为车辆虚拟试验建立了所需的基本的道路虚拟试验数据库。所采用的方法思路明确、便于操作, 并且利用这种方法得到的路面不平度对应的功率谱密度可以达到与给定的功率谱密度一致。

(13) 汽车整车制动性建模和仿真分析。结合FC19产品, 应用计算机仿真技术, 通过重点研究气压系统的动态特性, 建立气压制动系统的数学模型, 将其引入随后建立起来的制动系统的动力学模型, 以模拟整个制动过程。应用matlab/simulink软件对制动过程进行仿真分析, 分析制动系各个参数对制动性能的影响, 由于制动系统是一个复杂的系统, 本子项目通过建立包括气压系统模型、制动器模型、轮胎模型、整车模型在内的一系列模型来描述整个制动系统的动态过程。通过动力学控制系统来补偿常规系统的缺陷, 从而达到各种工况下的最优控制, 对于提高设计效率、缩短新产品开发周期, 特别是提高整车制动性能都非常重要。

(14) 冲压仿真技术研究。后门侧立柱冲压成型仿真分析。结合FC19产品, 建立了FC19车型的后门侧立柱CAD模型, 并在CAD模型基础上, 建立CAE模型, 对后门侧立柱冲压成型过程进行了动态仿真, 分析了冲压成型中可能出现的缺陷, 并针对可能出现的缺陷, 提出了两种不同的方案, 指导设计, 使结构设计和模具设计, 实现了一次试模成功, 大大缩短了试模时间和费用。

(15) 卡车车门有限元分析。建立了车门CAD模型, 在此基础上通过合理简化, 建立了CAE分析模型, 对覆盖件仿真分析中的几个关键技术难题:单元选择、连接处焊点处理、网格划分、网格质量控制、载荷与约束条件确定等进行了系统的研究, 并提出了合理化建议;对车门的模态进行了分析, 指出了结构设计中存在的不足, 并提出了改进结构设计的意见。改进后的车门设计, 很好地满足了设计要求。

(16) 车顶盖成型有限元分析。系统研究了有限元法在车身覆盖件成型分析中的作用和特点, 对车顶盖成型特性进行了系统分析, 完成了车顶盖拉延部分设计、冲压方向确定、压料面设计、工艺补充面设计等, 另外, 还对车门拉延件和侧围拉延件的设计和成型进行了仿真分析。

另外, 结合FC驾驶室设计和冲压仿真, 该项目还对参数化设计和车身逆向工程技术、复杂曲面造型技术等进行了研究, 形成了具有企业特点的从车身造型概念设计-油泥模型制作-油泥模型数字化点云采集-复杂曲面拟合和重构-车身覆盖件结构设计-车身覆盖件成型分析-车身模具设计等一整套车身逆向设计开发流程, 完成了FC19驾驶室改型设计, 在FC19车门、后门侧立柱和车顶盖等车身典型覆盖年冲压仿真分析的基础上, 对车身结构进行了优化, 对车身覆盖件模具进行了优化, 使车型改型设计速度明显提高, 车身曲面造型设计-车身结构设计-车身覆盖件模具设计实现了无缝连接。

(17) 人机工程仿真3D人体数据库。首先研究了人体尺寸的差异性和人体测量尺寸的统计特性, 研究了人体的骨骼体系、对人体模型主要关节类型进行了分析, 从运动轴的角度, 讨论了人体模型运动所涉及到的主要关节的类别和自由度数, 研究了人体模型体表体系的表达、人体模型体表体系与骨骼体系的关联, 在此基础上, 以CATIA软件里的人机工程学设计与分析模块为基础建立了人体模型:模型构建由人体构造模块 (Human builder) 完成;模型的修正由人体尺寸编辑模块 (Human Measurement Edit) 完成;运动学分析由人体动作分析模块 (Human Activity Analysis) 完成;姿态分析由人体姿态分析模块 (Human Posture Analysis) 完成。该3D人体模型可以方便地植入3D CAD系统, 实现驾驶室等人机界面的辅助设计的空间及运动校核等。

(18) 卡车驾驶室布置模型研究。结合人机工程仿真3D人体数据库所开发的3D人体数模, 对如何利用3D人体数模进行轻卡驾驶室布置设计进行了系统的分析, 提出了眼椭圆绘制与视野校核、仪表板的布置与盲区校核、后视镜的布置与后视野的校核、前风窗雨刮器的布置与刮净率的校核等的基本原则和基本方法。研究成果已经成功应用于FC系列车型开发。

(19) 驾驶室总布置CAD系统及驾驶室总布置设计的数字化和虚拟化。基于人机工程学, 基于知识工程, 完成了驾驶室总布置系统的开发, 建立了中国三维人体模型;实现了驾驶室总布置中的视野模拟、视野校核、A柱设计、脚踏板与手操纵件的设计、操纵空间与操纵力校核、安全带固定点位置范围确定等的数字化和虚拟化;基于模糊决策论的驾驶室总布置设计方案评价方法研究, 分别应用模糊综合评判法、基于模糊集重心的模糊评价法和二元对比排序法对汽车内部设计方案中的定性与定量因素进行评价, 建立了整车内部布置与设计的多级评价体系。

(20) 新车样车试制和样车试验。完成了新车FC19的样车试制、试验和试生产, 通过了国家试验检测部门的试验和测试, 并上国家发改委汽车公告, 已批量生产。

(21) 组织CAD/CAE技术培训。推广应用推广结合项目进展, 采取派出去和请进来等不同方式, 对企业CAD/CAE应用技术人员进行了PDM/CAD/CAE初级、中级和高级技术培训, 累计超过500人天。获得各种培训资格证书43个。其中2人取得EDS公司认证的PLM证书, 5人取得EDS公司认证的高级工程师证书, 11人获得CAD/CAM工程师证书, 9人获得CAD/CAE工程师证书, 16人获得CATIA培训证书。

(22) 试验验证与推广应用。对新车型进行可靠性试验, 跟踪新车型用户, 进行了用户使用情况调查, 对FC19项目实施过程中取得的经验和积累, 在后续的新车型开发中进行了推广使用, 目前, 新开发车型都是基于该项目建立的CAD/CAE软件开发平台, 工程技术人员已经利用本项目取得的成果, 成功完成了其他新车型的开发, 经济效益和社会效益明显。

3 结语

本项目在课题研究组的努力下, 建设了C A D/C A E应用软硬件环境, 完成了CAD/CAE工程应用技术人员初级、中级和高级培训, 结合企业的现有产品和实际产品开发计划, 利用数字原型 (D i g i t a l Prototype) 技术的原理和方法, 解决了实际产品中存在的轮毂可靠性、钢板弹簧和悬架可靠性等技术难题, 并将数字原型技术与企业FC19系列车型开发相结合。通过数字化设计、仿真和虚拟技术, 使新产品开发过程得到优化, 实现了CAD/CAE并行设计, 新车型开发周期, 由实施前的24个月, 缩短到16个月, 缩短了33.3%;新车型开发物流模型减少了60%以上, 制作费用和试验费用降低了30%;用数字原型技术开发的解放金铃 (FC19) 系列车与老产品解放麒麟系列车对比, 正常三包费用降低450元, 单车修理费下降39.9%, 同时企业还取得了2项国家外观专利, 此专利已应用到企业32款系列车型中, 产品全部进行生产和销售。

摘要：应用数字原型 (Digital Prototype) 技术开展汽车车型开发, 减少物理原型试制次数与试验费用, 缩短新车型开发周期, 降低成本, 提高汽车使用性、可靠性、安全性。

关键词：数字原型技术,应用,实践