1 汽車產品開發技術及發展方向

　　目前對先進制造技術尚沒有一個明確的、一致公認的定義，經過近年來對發展先進制造技術方面開展的工作，通過對其特征的分析研究，可以認為:先進制造技術是制造業不斷吸收信息技術和現代管理技術的成果，并將其綜合應用于產品設計、加工、檢測、管理、銷售、使用、服務乃至回收的制造全過程，以實現優質、高效、低耗、清潔、靈活生產，提高對動態多變的市場的適應能力和競爭能力的制造技術的總稱。所以，一個先進的技術其實需要其他基本技術的支持。圖1是先進制造技術的層次及技術來源示意圖。第一層次是鑄造、鍛壓、焊接、熱處理、表面保護、機械加工等基礎工藝，它們至今仍是生產中大量采用、經濟適用的技術。這些經過優化而形成的優質、高效、低耗、清潔的基礎制造技術是先進制造技術的核心及重要組成部分;第二層次是制造技術與電子、信息、新材料、新能源、環境科學、系統工程、現代管理等高新技術結合而形成的嶄新制造技術;第三個層次是先進制造集成技術。這是應用信息技術和系統管理技術，通過網絡與數據庫對上述兩個層次的技術集成而形成的，如FMS、GIMS、IMS以及虛擬制造技術等。

　　從技術群的角度可以將汽車制造技術分為三個層次:

　　(1)主體技術群。它包括面向制造的設計技術群和制造工藝技術群。其中面向制造的設計技術群包括產品、工藝設計，它涉及計算機輔助設計、工藝過程建模和仿真、工藝規程設計、系統工程集成、工作環境設計、快速成型技術和并行工程技術等;制造工藝技術群涉及材料生產工藝、加工工藝、連接和裝配、測試和檢驗、環保技術和維修技術等;

　　(2)支撐技術群。它包括信息技術、設計標準、工具工裝技術和傳感器控制技術等;

　　(3)制造基礎設施，即制造技術環境。它包括質量管理、用戶供應商交互作用、工作人員培訓和教育、全局監督和基準評測、技術獲取和利用等。

　　本文將主要討論汽車制造主體技術群中的面向制造的設計技術群以及這些技術在汽車制造中的應用。

　　汽車設計通常經歷如下過程:首先采用快速成型技術進行汽車造型設計，然后采用嘆天PFO/E等三維軟件進行產品結構設計和工程設計，此后采用AUNAS等動力學軟件進行動力學仿真，以及利用CAE軟件如AIS} PATRAN/NASTRAN%A行工程分析和優化，再利用碰撞軟件DYN03D或IW咫環走囚勝行整車的碰撞性能仿真計算等。在工程設計和分析階段又采用了如下技術:汽車系統建模與仿真設計方法、汽車相似理論與模化技術設計方法、基于知識和經驗的設計開發方法與知識驅動的設計自動化方法、汽車智能 CAD/CAE/CAM及一體化設計方法、汽車設計平臺化與模塊化設計方法、三次設計方法、虛擬現實與虛擬設計等汽車設計先進理念。此外在產品數據和開發環境上采用PI件實現并行工程開發環境和數據統一管理。

　　采用上述先進的軟件、設計技術和管理方法，能大大提高設計質量，縮短開發周期，搶占更大的市場。同時也逐步實現了產品開發數字化和企業的集團化。其中，基于上述汽車產品設計方法和理論的發展，USVA件以其優越的性能脫穎而出，在全球CAD軟件銷售搶占了近二分之一的市場。

　　2 UG軟件中針對汽車產品開發的模塊

　　UG軟件從70年代開發以來，經歷了基于圖紙(74年)、基于特征(88年)、基于過程(95年)和基于知識(2000年)的發展階段，功能不斷得到擴展，在CAD/CAE/CAM/PLM等領域占有的市場不斷擴大，有獨領風騷之勢。UG軟件包含CAD/CAE/CAM計算機輔助工業設計、知識驅動自動化、數據交換和其他特殊應用等功能。但其主要優勢主要體現在如下幾個方面:

　　2 1 CAD造型和建模

　　UG軟件在CAD方面的建模和造型分為兩個模塊一實體造型和自由曲面造型。在造型功能方面，除其他軟件所具有的通用功能外，它還擁有靈活的復合建模、齊備的仿真照相、細膩的動畫渲染和快速的原型工具，僅復合建模就可讓用戶在實體建模、曲面建模、線框建模和基于特征的參數建模中任意選擇，使設計者可根據工程設計實際情況確定最佳建模方式，從而得到最佳設計效果。在加工功能方面，UG件針對計算機輔助制造的實用性、適應性和效能性，通過覆蓋制造過程，實現制造的自動化、集成化和用戶化，從而在產品制造周期、產品制造成本和產品制造質量諸方面都給用戶提供了極大的收益。

　　2 2 CAE模型

　　UG/CAE分析模塊主要包含結構模擬和運動分析，以及其他的仿真模塊。其中，

　　(1)結構模擬指包括UG/Scenario for FEA和CG/Scenario for ANISYS以及UG/FEA;其中UG/Scenario for FEA和UG/Scenario for ANSYS是進行前處理和后處理，UG/FEA是植入式的有限元求解器。通常，用戶可以在嘆;環境內利用嘆;強大的CAD功能對零件和裝配過程進行創建、修改、更新等操作，并將幾何模型轉換成所需要的有限元模型。

　　UG/Scenario for ATIS使用了ATbYS公司授權的有限元單元網格技術，UG/Scenario forFEA則是使用了MSC公司授權的網格劃分器可以迅速有效的在幾何體上進行網格劃分，其中支持的網格單元有薄板體的殼單元、實體體單元、梁、剛性連桿和彈簧等，并且可以指定相應對象的實體密度等物理特性。

　　UG/FEA是一個有限單元求解器，它提供了在份環境下分析的方案。可以進行線性靜力分析、模態分析、線性屈曲分析、間隙支持和穩態熱傳遞分析等。

　　(2)運動分析模塊則提供了機械運動的虛擬樣機。可以進行運動學和動力學分析，通過使用各種運動對象包括運動副、彈簧、阻尼器、運動驅動器、力、扭矩、柔性套管等來創建和評估虛擬樣機，同時通過干涉檢查結果、圖、表、動畫、電子表格等輸出，很形象直觀的得到相應數據。

　　(3)其他仿真模塊。嘆;不斷開發出的新模塊，如注塑模分析仿真。它提供了針對注塑零件易用的、完全的塑料流動分析。由于份在版本的不斷更新，在使用界面與操作步驟方面變得更為簡單、靈活，能夠讓份用戶在較短時間內完成對CAE部分的掌握，并進行運用，讓產品在設計過程中就避免了以往只有在實際生產時才發現的問題如運動干涉等，進而提高了設計生產效率。

　　2 3 CAM模塊

　　在UG的發展過程中，CAM.直是加工業者最可靠的工件伙伴。它不僅提供可靠、精確刀具路徑，更讓NC編程人員可以隨心所欲地設計出心目中最有效率的加工程序。去年CIMdata的調查報告指出，EDSUG被視為所有CAM件供應商中的最強大的競爭對手。

　　UG/CAM有下列幾個特點:

　　(1)提供可靠、精確的刀具路徑;

　　(2)能直接在曲面及實體上加工;

　　(3)良好的用戶界面，并允許使用者能依工作上的需要，定制用戶界面;

　　(4)提供多樣性的加工方式，方便呢編程人員設計各種高效率的刀具路徑;

　　(5)提供完整的刀具庫及加工參數庫管理功能，使新進人員能充分利用資深人員的經驗，設計優良的刀具路徑;

　　(6)提供通用型后處理功能，產生各種NC加工機適用的NC程序。

　　2.4 知識工程

　　自2000年，UG公司將軟件發展的重點放在知識工程的應用上，與上海同濟同捷科技股份有限公司成立了知識工程組，采用知識驅動CAD軟件開發機械產品。知識工程的知識來源有二:

　　①業界標準知識。通過知識驅動自動化功能提供過程向導和助理，如UG模具向導(mold Wizard)，UG齒輪工程向導(Gear EngineeringWizard)，UG/車門向導(UG/DoorWizard)，UG/沖模工程向導(Die Engineering Wizard)等。這些模塊將業界知識應用到專門的任務中，從而建立集成的解決方案，使嘆準欠件具有更強的功能、更易于使用和更高的生產率。

　　②公司獨特的知識。通過新模塊UG知識融合(UG/Knowledge Fusion)能夠快速和方便地添加公司獨特的知識，如工程規則等去驅動一個模型或建立實制的過程向導和助理，使基于知識工程的環境能直接進入UG的核心。

　　2.5 工作模式

　　UG公司通過改變工作模式提高工作效率，改變用戶對軟件的使用方便性。主要體現在如下幾個方面：

　　(1)從串行工程轉變到擴展企業范圍的并行工程(處用UG/in-KEY)。在早期計算機輔助設計、工程和制造階段，各工程之間沒有信息交流，各個工程獨立工作，需要在設計、分析和制造過程中重復建立模型，形成了CAX軟件之間的“信息孤島”。采用UG/in-KEY技術和iMAN軟件后，CAX軟件之間實現了信息反饋，這不僅減少了建模方面的重復工作，提高了工作效率，而且還提高企業范圍內各部門之間的合作，實行并行工程，縮短了產品開發周期，提高市場反應速度(見圖2)。基于并行工程。汽車設計也從原來的36-48個月，縮短為12-18個月。

　　(2)從零件的參數化建模轉變到產品的參數化建模(利用UG/Wave)。零件的參數化是為了便于零件的系列化和通用化，而產品的參數化是為了實現產品的系列化。這一功能是基于UG/Assembly功能之上。一個產品往往是由幾個零部件裝配而成的。產品的參數化設計是大型產品平臺化設計和柔性制造的基礎。通過平臺化柔性化設計，可以擴大產品的系列化生產，提高產品生產的批量，降低產品的成本。全球最大的汽車制造商比如通用、福特等公司均采用基于參數化建模的平臺化設計方法。

　　(3)從基于二維工程圖紙的開發過程轉變到以三維實體模型為中心的開發過程(利用主模型方法)。二維圖紙是廠家必須參照的資料，但是現代化生產需要的是三維實體模型。主模型思想就是在一個企業內部，同一個產品，只有一個主模型，該產品的CAE工程、二維圖紙、裝配模型和制造模型等都是來自主模型，這樣保證了該產品信息的一致性。這也是近年來汽車產品開發采用的設計思想。用三維模型取代二維圖紙，不僅可以實現虛擬建模、虛擬裝配，還能在三維環境中檢查干涉，進行運動校核和動力學仿真。

　　3 利用UG軟件進行汽車產品開發的模式

　　客戶化嘆準欠件提供CAD/CAM/CAE業界最先進的編程工具集，去定制嘆環口裁剪它以滿足一個企業的需求，這組工具集稱之為UG/Open,它是一系列UG開發工具的總稱。它們隨UG一起發布，以開放性架構面向不同的軟件平臺提供靈活的開發支持。包括:

　　(1) UG/OpenUIStyler。它是為了構建UG風格對話框的一個直觀可視化的編緝器;

　　(2) UG/OpenGrip。它是為了自動化CAD/CAM/CAE任務的一種腳本語言;

　　(3)UG/OpenAPI。它提供一種直接編程接口到UG允許用戶建立客戶化的應用，它使用許多當前最流行的編程語言，包括C、C++和JAVA UG/OpenAPI可以調用內部和外部的UG函數。外部UG是獨立于UG之外的普通C程序，通過UG運行庫調用API的功能;內部UG是運行在UG內部的API程序，通過動態鏈接成為UG的一部分;

　　(4)UG/OpenMenuscript。它是UG定義菜單的語言，通過Menu Script可以實現對菜單項的添加、修改、移動、刪除，并運行UF, Grip; UI DLG系統命令等;

　　(5)UG/Open它是一種真正面向對象的與UG的接口，用C++語言編寫。這種編程接口有面向對象特點的全部優點，包括繼承，壓縮和多形性。

　　在上述開發工具的基礎上，研制了一套基于UG平臺的汽車產品開發模式，如圖3所示。

　　4 基于UG平臺知識驅動自動化產品

　　從1996年起，同濟大學就開始從事嘆準欠件的應用和開發工作。在近5年的時間內，根據上述開發模式開發了以下近10個汽車和機械相關產品

　　.基于知識的齒輪設計軟件(Gear wizard);

　　.基于知識的整車設計軟件;

　　.基于知識的車門設計軟件(Door wizard);

　　.基于知識的軸承設計軟件;

　　.基于知識的減速箱(變速器)設計軟件(Gearbox wizard);

　　.基于知識的液壓成型設計軟件;

　　.基于知識的懸架設計軟件;

　　.基于知識的模型質量檢查軟件;

　　.基于知識的客車底盤總布置設計軟件。

　　其中懸架設計軟件由數據庫部分(知識庫)、CAD建模、CAE工程分析、逆向工程、文檔等模塊組成。各模塊的功能如圖4所示。知識庫中保存懸架建模和分析的的初始數據，同時也保存建模過程和CAE分析過程的中間數據。而CAD和CAE模塊均采用UG軟件實現。CAD建模模塊用UG軟件睥二次開發功能，即采用程序驅動懸架的建模。它包括七種車型懸架系統精確建模以及上典型懸架參數化模板和參數驅動工程。CAE模塊采用UG/Secnario for Strucutrue實現，能完成懸架運動學動力學、運動學，車輛的平順性、穩定性分析以及懸架系統的優化計算。文檔模塊提供各功能模塊的開發文檔和使用說明、懸架系統設計機理、方法、準則的技術報告、懸架系統測繪、逆向工程分析的技術報告、懸架系統性能的評價指標和性能試驗方法的技術報告、典型車型懸架系統的驗證設計、性能分析、測試對比報告以及項目驗收總結報告等。逆向工程模塊進行懸架系統測繪、光順和建模等反求工作。基于嘆平臺的系統菜單和對應模塊功能采用UG/Oper接口和C/C++開發。