0  前言

虛擬制造 ( V irtual M anufacturing, 簡(jiǎn)稱(chēng) VM )是一種新的制造技術(shù) , 它以信息技術(shù)、仿真技術(shù)、虛擬現實(shí)技術(shù)為支持 , 對產(chǎn)品設計、工藝規劃、加工制造等生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行統一建模 , 在產(chǎn)品設計階段 , 實(shí)時(shí)地 , 并行地模擬出產(chǎn)品未來(lái)制造全過(guò)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(shù)、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(kāi)發(fā)一次獲得成功 , 以達到產(chǎn)品的開(kāi)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(chē)新車(chē)身開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)

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

B：周期長(cháng)　新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)是按規劃、車(chē)型設計、詳細設計、評價(jià)、工藝規劃與生產(chǎn)準備和生產(chǎn)的順序進(jìn)行的 , 設計的初期并不能全面地考慮產(chǎn)品在制造過(guò)程中存在的缺陷 , 會(huì )造成從方案設計到設計修改的大循環(huán) , 某些環(huán)節還可能出現重復循環(huán) , 因此從規劃到樣車(chē)的制造與實(shí)驗 , 最后到產(chǎn)品的形成周期很長(cháng)。

C：費用高　新車(chē)身的開(kāi)發(fā)周期長(cháng) , 投入的人力和物力很大 , 重復和無(wú)效投入比較高 , 需要大量的樣車(chē)制造與實(shí)驗費用。

2  虛擬制造技術(shù)在汽車(chē)新車(chē)身開(kāi)發(fā)中的應用

鑒于新車(chē)身開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)和開(kāi)發(fā)過(guò)程中存在的問(wèn)題，國際上福特、通用等著(zhù)名汽車(chē)公司早已從經(jīng)驗、類(lèi)別、靜態(tài)設計，過(guò)渡到建模、虛擬裝配、虛擬運動(dòng)仿真、分析優(yōu)化設計，這樣可以提高新車(chē)身開(kāi)發(fā)質(zhì)量，減少大量樣車(chē)實(shí)驗費用，而且應用并行工程大大縮短新車(chē)身開(kāi)發(fā)周期，適應了快速變化的市場(chǎng)需求。 

3  維特征造型設計以及特殊建模方法的研究

車(chē)身大部分零件是由若干個(gè)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(huà)法幾何和機械制圖方法是無(wú)法準確表達的 , 實(shí)現起來(lái)也有一定的難度 , 必須進(jìn)行 3 維特征造型設計。

對于車(chē)身骨架類(lèi)零件和部分內覆蓋件 , 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(shí)往往感到無(wú)從下手 , 但是 , 只要能合理地對零件進(jìn)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(guò)渡面 ( 如倒圓、倒角、翻邊等)，然后從基體入手 , 保證重點(diǎn) , 產(chǎn)生一個(gè)合理的造型“毛坯” , 最后在“毛坯”上完成細節部分的設計。

B：基體“毛坯”的生成。通過(guò)仔細分析零件和“毛坯”的空間結構 , 不難發(fā)現由一些空間特征曲線(xiàn)構成了“毛坯”的骨架 , 這些空間曲線(xiàn)的數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(guò) 2維平面曲線(xiàn)向空間交合 ( 如 PRO ? E 中的 Two Pro 2jections ) 。有了特征曲線(xiàn) , 就有了“毛坯”的骨架 , 再通過(guò)拉伸、旋轉、掃描、拼接等方法就能建立一個(gè)合理的“毛坯”。

C：完成細節部分的設計。有了基體“毛坯” , 就可以動(dòng)用實(shí)體間的布爾“加、差、交”運算 , 在實(shí)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(shí)體剪切、去除 , 以獲得實(shí)體完整的外觀(guān)形狀。對于車(chē)身外覆蓋件和部分內覆蓋件 , 都以大型曲面為主 , 構成車(chē)身外形 , 要求光順、曲面過(guò)渡部分圓滑、各部件相互吻合良好。

D：控制線(xiàn)的生成。曲面的品質(zhì)與生成它的曲線(xiàn)即控制線(xiàn)有密切關(guān)系 , 要得到光順的曲面 , 首先要有光順的控制線(xiàn)。建立曲線(xiàn)時(shí) , 可利用投影、插補、光順等手段生成樣條曲線(xiàn) , 然后通過(guò)其“曲率梳”的顯示來(lái)調整曲線(xiàn)段迭代次數、函數次數、起點(diǎn)與終點(diǎn)結束條件、曲線(xiàn)的段數量等 , 交互地實(shí)現曲線(xiàn)的修改 , 達到曲線(xiàn)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(gè)區域來(lái)構造幾張曲面 ,然后將其縫合。在曲面片之間實(shí)現光滑連接時(shí) , 應保證各連接面間具有公共邊 , 特別是各曲面片的控制線(xiàn)連接要光順。

F：曲面的光順。曲面的光順性可通過(guò)等高斯曲率線(xiàn)的形狀與分布、彩色光柵圖象的明暗區域及變化來(lái)判斷 , 也可通過(guò)透明度、反光度、合適位置的光源等處理手段來(lái)渲染產(chǎn)生高清晰度的逼真性和觀(guān)察性良好的彩色圖象 , 以及處理后的圖象光亮度和分布規律來(lái)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(dòng)仿真

虛擬車(chē)身裝配是在計算機上建立起如同真實(shí)汽車(chē)的可視化的數字模擬 , 即虛擬樣車(chē) , 然后在虛擬環(huán)境下對零件裝配情況進(jìn)行干涉檢查 , 可以方便地發(fā)現設計上的錯誤 , 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(chē)車(chē)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(chē)身結構復雜 , 外覆蓋件由復雜的自由曲面構成 , 內覆蓋件及內部零件的尺寸及外形很大程度上依賴(lài)于車(chē)身外覆蓋件。我們可在虛擬裝配環(huán)境下 , 首先對整車(chē)外形進(jìn)行設計 , 確定外形后 , 再確定內部的零部件組成和裝配結構 , 并同時(shí)由外向內將約束尺寸、裝配關(guān)系分發(fā)到與其相關(guān)的各個(gè)零部件中 , 再對各個(gè)零部件進(jìn)行詳細設計。

用于車(chē)身逆向造型設計的自底向上式。利用逆向造型技術(shù)對每個(gè)零部件進(jìn)行詳細設計 , 然后采用特征配合、對齊和定向的方式進(jìn)行裝配 , 或者采用零件空間絕對坐標的方式進(jìn)行裝配。通過(guò)特征配合 , 裝配的零件具有嚴格的父子依賴(lài)關(guān)系 , 并且相互配合間的零件間的約束關(guān)系始終保存 , 即使是對某個(gè)零件作了變更或修改 , 而利用零件的空間絕對坐標進(jìn)行的裝配卻不存在這個(gè)問(wèn)題 , 不過(guò)它們都適用于發(fā)動(dòng)機、傳動(dòng)系統這種結構復雜、緊湊、零件之間容易發(fā)生干涉、對動(dòng)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(wèn)題 , 也可以把裝配圖以爆炸視圖的形式表示 , 來(lái)方便設計開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行研究、新產(chǎn)品的宣傳介紹和裝配工人進(jìn)行裝配。但對于發(fā)動(dòng)機、傳動(dòng)系統、剎車(chē)系統這類(lèi)具有運動(dòng)機構的零部件 , 還不能確保運動(dòng)機構的設計是否合理、各相關(guān)零件的動(dòng)作是否協(xié)調、運動(dòng)過(guò)程是否有干涉等 , 這時(shí)就需要采用虛擬運動(dòng)仿真技術(shù)。

虛擬運動(dòng)仿真可以使“虛擬樣車(chē)”在屏幕上按設計的功能進(jìn)行運動(dòng) , 如發(fā)動(dòng)機的變速箱運動(dòng)、傳動(dòng)軸的轉動(dòng)、剎車(chē)系統的剎車(chē)過(guò)程等 , 設計人員通過(guò)觀(guān)察整個(gè)運動(dòng)過(guò)程 , 能夠方便直觀(guān)地檢查出機構間的動(dòng)態(tài)干涉問(wèn)題 , 得到指定構件或指定點(diǎn)的位移、速度、加速度的連續變化的數據以及相關(guān)圖形 , 最終可以準確的預測機構可能出現的問(wèn)題 , 為改進(jìn)設計提供準確的依據。

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(chē)身參數進(jìn)行優(yōu)化和對車(chē)身結構進(jìn)行修改 , 直到滿(mǎn)足選定的優(yōu)化條件。車(chē)身結構優(yōu)化設計是取得高質(zhì)量車(chē)身結構的必經(jīng)之路 , 它可以得到良好的車(chē)身結構動(dòng)態(tài)特性 , 很好地解決車(chē)身開(kāi)裂、乘員舒適、車(chē)身結構輕巧耐用等問(wèn)題 , 從而節省大量樣車(chē)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(guò)兩種方式建立有限元動(dòng)力學(xué)模型 , 一是直接應用有限元軟件 ( 如 AN SYS ) 對車(chē)身進(jìn)行有限元建模 , 二是通過(guò)轉化已存在的車(chē)身結構的 3 維CAD 圖 , 生成有限元動(dòng)力學(xué)模型 ;

B：通過(guò)大量實(shí)驗驗證和反復的模型修正 , 最終得到與實(shí)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(chē)車(chē)身、車(chē)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(jìn)設計提供有價(jià)值的理論依據 ;

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

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

F：以車(chē)身的固有頻率的范圍、振型形狀或某些局部點(diǎn) ( 范圍 ) 的動(dòng)力響應的大小作為目標函數或約束條件 , 構造一個(gè)合適的優(yōu)化算法 , 以最少的分析次數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控機床的加工環(huán)境（如 Pro ? M anufacturing 中的動(dòng)態(tài)仿真），放上一個(gè)預先設計好的毛坯 , 讓刀具進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬仿真 , 其情形就像真實(shí)加工一樣。通過(guò)加工仿真 , 設計人員和數控編程人員可以進(jìn)行如下工作 :

A：驗證工藝規程得到的刀具軌跡的正確性。采用工件的實(shí)體模型和機床模型來(lái)模擬加工過(guò)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(dòng)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(jìn)。

B：驗證工藝規程中確定的切削參數是否合理可行 , 預測所選擇的切削參數是否會(huì )導致一些不希望的結果出現 , 如顫震、表面粗糙度差、尺寸超差、刀具過(guò)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(gè)工藝規程的優(yōu)劣 , 而且基于該評估 , 可以確定合適的加工條件以改進(jìn)甚至優(yōu)化工藝規程。利用虛擬加工 , 可以改進(jìn)對加工時(shí)間和加工成本的估算精度。

3  結束語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō) , 進(jìn)入 90 年代 , 虛擬技術(shù)的迅猛發(fā)展為汽車(chē)工業(yè)的進(jìn)步注入了極大的活力 , 使得過(guò)去要36 個(gè)月才能完成的一個(gè)車(chē)型開(kāi)發(fā)周期縮短為 18 個(gè)月 , 效率大幅提高。虛擬制造技術(shù)為提高企業(yè)的產(chǎn)品自主開(kāi)發(fā)能力和增強其市場(chǎng)競爭力起到了至關(guān)重要的作用。