计算机三维设计在汽车上的应用.docx
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计算机三维设计在汽车上的应用
摘要
在汽车制造行业中先进技术和知识产权，都被西方国家禁止传授，影响着我们国家经济的持续高效发展。
本世纪之初，CAD技术的发展达到顶峰，使其在各行各业都得到发展，而后计算机三维设计的发展使汽车行业得到了充足的发展，计算机三维设计软件的众多类型的出现，例如:
UG、Pro/E、CATIA、Solidworks等。
使汽车工业得到了蓬勃发展，而计算机三维软件在汽车设计、制造、试验中减少许多不必要的麻烦和损失。
三维数字化在60、70、80、90年代的四次CAD技术革命中，得到巨大的进步和广大的发展。
关键词：
计算机三维设计，汽车工业，应用状况
Abstract
Inautomobilemanufacturingindustryinadvancedtechnologyandintellectualpropertyrights,arewesterncountriestoban,influencesournationaleconomycontinuetoefficientdevelopment.Attheendofthe90satthebeginningofthiscentury,thedevelopmentofCADtechnologytoreachthetop,andmakeitdevelopinalltradesandprofessions,andthenthecomputer3dthedevelopmentofthecarindustrynumbertoplentyofdevelopment,thecomputer3ddesignsoftwareofmanytypesofappear,forexample:
UG,Pro/E,Catia,Solidworks.Tomakethecarindustryhasdevelopedvigorously,andthecomputer3dsoftwareincardesign,manufacturing,testreducemanyneedlesstroubleandloss.3ddigitizingin60,70,80,90soffourCADtechnologyrevolution,getahugeprogressandthedevelopment.
Keywords:
thecomputer3d,theautoindustry,applicationstatus
目录
1引言1
2计算机三维软件的类型1
2.1UG1
2.1.1性价比高2
2.1.2上手容易2
2.1.3制造效率高2
2.2PRO/E3
2.3CATIA3
2.4Solidworks4
3计算机三维在汽车上的应用现状4
3.1在产品设计中的应用4
3.1.1CATIA在产品设计中的应用4
3.2在汽车制造中的应用5
3.2.1CAXA在制造与管理信息化中的应用5
3.3在汽车试验中的应用7
3.3.1虚拟技术在汽车实验中的应用7
4总结9
参考文献12
致谢13
1引言
文章从计算机三维软件类型入手，先写了计算机三维软件的类型及其在各个行业中的发展。
其中以汽车行业发展最为迅速，尤其表现在汽车领域中的汽车设计、汽车制造、汽车试验尤为突出。
现代中国汽车行业中计算机三维的介入使其产生了激烈的竞争。
2计算机三维软件的类型
在三维设计领域里，有许多强大的制作工具和辅助工具，下面我们就来介绍其中最具代表性的软件如：
UG、Pro/E、CATIA、Solidworks等。
2.1UG
UG（UnigraphicsNX）是SiemensPLMSoftware公司出品的一个产品工程解决方案，它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。
UG针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求，提供了经过实践验证的解决方案。
UG同时也是用户指南和普遍语法的缩写；在DOTA中也被称为幽鬼。
UG是Unigraphics的缩写，这是一个交互式计算机与计算机辅助制造系统，它功能强大，可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构。
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的开发始于1990年7月，它是基于C语言开发实现的。
UG是一个在二和三维空间无结构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。
因此软件可对许多不同的应用再利用。
一个给定过程的有效模拟需要来自于应用领域（自然科学或工程）、数学（分析和数值数学）及计算机科学的知识。
然而，所有这些技术在复杂应用中的使用并不是太容易。
这是因为组合所有这些方法需要巨大的复杂性及交叉学科的知识。
最终软件的实现变得越来越复杂，以致于超出了一个人能够管理的范围。
一些非常成功的解偏微分方程的技术，特别是自适应网格加密和多重网格方法在过去的十年中已被数学家研究，同时随着计算机技术的巨大进展，特别是大型并行计算机的开发带来了许多新的可能。
UG的目标是用最新的数学技术，即自适应局部网格加密、多重网格和并行计算，为复杂应用问题的求解提供一个灵活的可再使用的软件基础一个如UG这样的大型软件系统通常需要有不同层次抽象的描述。
UG具有三个设计层次，即结构设计、子系统设计和组件设计。
至少在结构和子系统层次上，UG是用模块方法设计的并且信息隐藏原则被广泛地使用。
所有陈述的信息被分布于各子系统之间。
下面我们来说说UG的优势。
2.1.1性价比高
UG包括了世界上最强大、最广泛的产品设计应用模块。
UG具有高性能的机械设计和制图功能，为制造设计提供了高性能和灵活性，以满足客户设计任何复杂产品的需要。
UG优于通用的设计工具，具有专业的管路和线路设计系统、钣金模块、专用塑料件设计模块和其他行业设计所需的专业应用程序。
UG为那些培养创造性和产品技术革新的工业设计和风格提供了强有力的解决方案。
利用UG建模，工业设计师能够迅速地建立和改进复杂的产品形状，并且使用先进的渲染和可视化工具来最大限度地满足设计概念的审美要求。
UG产品开发解决方案完全支持制造商所需的各种工具，可用于管理过程并与扩展的企业共享产品信息。
UG与UGSPLM的其他解决方案的完整套件无缝结合。
这些对于CAD、CAM和CAE在可控环境下的协同、产品数据管理、数据转换、数字化实体模型和可视化都是一个补充。
2.1.2上手容易
初学者比较关心的问题就是UG是否容易上手，这一点你可以完全放心，UG的制作流程十分简洁高效，可以使你很快的上手，所以先不要被它的大堆命令吓倒，只要你的操作思路清晰上手是非常容易的。
2.1.3制造效率高
通过使用UG，制造团队可以用新的“同步建模技术”工具来快速优化生产过程模型。
用多过程计算工具来同时处理刀具路径和交互NC编程，可以把编程速度提高一倍。
新的编程与后处理工具可以帮助您利用生产力高的关键机床和控制器功能。
UG的力量、灵活性以及突破性技术可以大幅提高您的设计生产力。
由于“同步建模技术”得到了大幅改进，您能够以比以往更快的速度对设计进行建模和修改，并且以前所未有的效率处理来自其它CAD系统的数据。
UG里面的多CAD功能可以改善您与扩展设计团队和供应链之间的协同，并简化您与他们之间的交互。
HD3D可以高效、有效地索引和处理属性数据列表，并且以手动方式将其与三维产品模型关联起来，因此您可以通过交互式导航，以可视化方式理解PLM数据，并且得到您需要的详细信息。
通过查看产品的三维表示，您可以立即回答关于项目状态、设计变更、团队责任、议题、问题、成本、供应商以及其它属性方面的问题。
2.2Pro/E
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，在目前的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。
是现今主流的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。
Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。
另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。
Pro/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。
它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。
Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。
参数化设计，相对于产品而言，我们可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。
Pro/E是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。
这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。
2.3CATIA
CATIA是法国达索公司的产品开发旗舰解决方案。
作为PLM协同解决方案的一个重要组成部分，它可以帮助制造厂商设计他们未来的产品，并支持从项目前阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。
模块化的CATIA系列产品旨在满足客户在产品开发活动中的需要，包括风格和外型设计、机械设计、设备与系统工程、管理数字样机、机械加工、分析和模拟。
CATIA产品基于开放式可扩展的V5架构。
通过使企业能够重用产品设计知识，缩短开发周期，CATIA解决方案加快企业对市场的需求的反应。
自1999年以来，市场上广泛采用它的数字样机流程，从而使之成为世界上最常用的产品开发系统。
CATIA系列产品已经在七大领域里成为首要的3D设计和模拟解决方案：
汽车、航空航天、船舶制造、厂房设计、电力与电子、消费品和通用机械制造。
CATIA是汽车工业的事实标准，是欧洲、北美和亚洲顶尖汽车制造商所用的核心系统。
CATIA在造型风格、车身及引擎设计等方面具有独特的长处，为各种车辆的设计和制造提供了端对端的解决方案。
CATIA涉及产品、加工和人三个关键领域。
CATIA的可伸缩性和并行工程能力可显著缩短产品上市时间。
2.4Solidworks
SolidWorks为达索系统（DassaultSystemesS.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。
SolidWorks公司成立于1993年，由PTC公司的技术副总裁与CV公司的副总裁发起，总部位于马萨诸塞州的康克尔郡。
当初的目标是希望在每一个工程师的桌面上提供一套具有生产力的实体模型设计系统。
1995年推出第一套SolidWorks三维机械设计软件至今，至2010年已经拥有位于全球的办事处，并经由300家经销商在全球140个国家进行销售与分销该产品。
1997年，Solidworks被法国达索公司收购，作为达索中端主流市场的主流品牌。
3计算机三维在汽车上的应用现状
3.1在产品设计中的应用
3.1.1CATIA在产品设计中的应用
CATIA在汽车排气歧管复杂曲面设计中的应用
（1）零件分析、曲面分解
按零部件的功能和结构要求对零件进行分析，将构成零部件整体的曲面分解为基本曲面和过渡曲面。
基本曲面为形成零部件主要轮廓的曲面，过渡曲面为配合面或结合面。
排气歧管整体曲面划分为4个基本曲面和一个过渡曲面。
在曲面分解时，应使分解的曲面数量尽可能少。
（2）曲面的设计
首先，根据功能的要求及结构的特点，选择正确的曲面设计方法。
其次，按曲面造型方法的要求，构造“脊线”和其他约束曲线。
“脊线”为曲面造型的方向约束线，其他约束线指形状约束线和边界条件。
确定约束条件时应注意：
“脊线”应比要生成的曲面长些，以保证生成的曲面足够大；“脊线”尽量与其他约束线平行，生成曲面的质量较好；通过“脊线”上任何位置的法线与其他约束曲线的交点不应多于2个。
对这类封闭型管状零件，可选其分模面与断面的交点来生成约束线。
对生成的各种约束曲线进行评价，满意后，用SURF2、NURBS等功能即可构建曲面。
（3）曲面质量评价
对生成的单个曲面进行简单的上光着色检查，确认生成的曲面平滑、无扭曲变形。
（4）曲面组合，构造零部件整体曲面
将前述生成的曲面两两连接为一个整体。
曲面连接时利用生成的曲面的边界，用SURF2+FILLET功能作变半径倒圆，实现曲面与曲面的光滑连接。
（5）曲面整体的评价
光顺的独立曲面连接并不能保证一定能生成光顺的整体曲面，因而对整体曲面的评价是保证设计零件光顺的重要一步。
CATIA曲面造型技术应用于汽车零件复杂曲面造型设计中，使设计过程简化、快捷、精确，缩短了产品开发周期。
借助虚拟现实技术建立的三维汽车模型，可显示汽车的悬挂、底盘、内饰直至每一个焊接点，设计者可确定每个部件的质量，了解各个部件的运行性能。
这种三维模型准确性很高，汽车制造商可按得到的计算机数据直接进行大规模生产。
CATIA是汽车工业的事实标准，是欧洲、北美和亚洲顶尖汽车制造商所用的核心系统。
CATIA在造型风格、车身及引擎设计等方面具有独特的长处，为各种车辆的设计和制造提供了端对端（endtoend）的解决方案。
CATIA涉及产品、加工和人三个关键领域。
CATIA的可伸缩性和并行工程能力可显著缩短产品上市时间。
3.2在汽车制造中的应用
3.2.1CAXA在制造与管理信息化中的应用
中国一汽是中国汽车工业的摇篮，是中国汽车最大的企业集团，拥有直属专业厂10家，分公司3家，全资子公司36家，控股子公司16家，参股公司29家，在海外设立了11个分公司和办事机构。
拥有“解放”、“红旗”两大民族品牌、与德国大众公司合资生产的“奥迪”、“捷达”两大品牌，多品种、宽系列的产品格局，产品综合生产能力达到45万辆。
一汽铸模厂是较早将CAXA引入模具产品的数字化设计制造的企业之一，在二维绘图、三维建模、工艺设计、数控编程等的应用基础之上，2002年初，基于CAXA协同管理平台，CAXA为铸模厂成功开发了“模具生产管理系统”并全面启用，将包括订单管理、模具设计、工艺设计、模具生产等主要业务集中在一起，实现了信息共享，使设计和工艺有机结合。
该系统保证了信息的一致性，提升了模具设计能力，方便了模具生产成本的有效控制，而且实现了模具设计、工艺设计、车间生产并行工作，大大压缩了模具供货周期、提升了竞争能力。
CAXA协同管理平台已经成为铸模厂实现VDA认证的有效工具，比如规范各岗位的职能、实现设计数据的版本控制、对设备的维护、对质量数据的分析等，为铸模厂拿到进军国际市场的通行证创造了条件。
一汽专用车厂从先后使用CAXA三维图板、CAXA实体设计、CAXA协同管理等软件起，开始了从二维绘图向三维绘图和三维数字化设计的信息化跨越，不仅很好地解决了与汽研所PRO/E的数据交换以及与其他已有软件的兼容匹配等关键问题。
CAXA系列软件更已被技术人员广泛、有效地组合应用，如工装夹具的装配图、零件图由CAXA实体软件设计完成三维创新设计、通过CAXA电子图板输出符合国标的二维图形等，已成为设计和绘图的基本方法之一。
在减速器等产品上全部零件全部由CAXA软件完成。
随着技术人员对CAXA软件的熟悉，CAXA正被越来越多地应用在汽车车架、车身和整车的设计制造中。
长春齿轮厂是一汽的直属专业厂，2001年初长春齿轮厂在专业工艺软件的选型过程接触了CAXA工艺图表，为“所见即所得”的卡片填写和编辑方式，尤其是CAD图形的重用、丰富专业的工艺知识库以及智能双向关联填写等功能所动，先后购买了几十套CAXA工艺图表。
目前长春齿轮厂的所有工艺文件全部由CAXA工艺图表软件来完成。
CAXA工艺图表的成功应用，坚定了长齿全面应用CAXA软件的信心和决心。
目前长齿已开始分批将CAXA实体设计、CAXA三维图板等CAXA系列软件全面用于齿轮设计制造的各个环节，CAXA将在长齿的信息化过程中发挥越来越重要的作用。
近年来随着国内技术的日趋成熟和汽车国产化步伐的加快，一汽集团旗下的众多企业，包括一汽工艺装备、一汽四环、一汽富奥、一汽吉林标准件厂、一汽长春轻型发动机厂、一汽实业公司、一汽哈尔滨变速箱厂、一汽金杯等30多家企业，先后引入CAXA系列软件，广泛用于数字化产品设计、工艺、制造和生产管理等，通过低门槛、大面积、高效率的信息化，提升了企业核心能力，为一汽的发展发挥了积极作用。
3.3在汽车试验中的应用
3.3.1虚拟技术在汽车实验中的应用
虚拟试验技术作为虚拟制造技术的一个环节，在汽车空气动力学及汽车被动安全性研究中正得到越来越广泛的应用，汽车被动安全性研究包括车身抗撞性研究、碰撞生物力学研究以及乘员约束系统和内饰件的研究。
虚拟试验方法的核心是有限元法和多刚体动力学的数值方法，它通过一定的前后处理程序和数据转换模板，以CAD文件为输入，在计算机中模拟出与实际试验一样的环境。
通过计算，得到试验报告。
虚拟现实是计算机相关技术中的重要课题，继多媒体技术之后，正日益引起汽车厂商及开发设计部门的高度关注。
这不仅因为它的概念、理论及设备新颖，而且一经实现就表现出了强大的生命力，展示出极具应用前景的态势。
由于“需求推动”和“技术推动”的原因，虚拟现实技术在汽车开发与研究中广泛的应用，如汽车虚拟设计、虚拟制造、汽车模拟驾驶系统、汽车性能试验方针、汽车虚拟维修等，其前景十分诱人。
虚拟现实技术发展较快，而且是十分活跃的技术领域之一。
美国、英国、日本等国的政府机构和许多大公司特别重视这项技术，他们投入巨额资金进行开发并得到了迅速的进展。
我国正在开展这方面的研究工作。
产品的最初构思来自人类认识和改造世界的欲望和逻辑思维、形象逻辑的结果。
在计算机增强了人与自然及社会的信息交流能力的同时，也增强了人类创造思维的能力。
计算机虚拟现实技术在汽车开发时的应用就是一个证明。
社会的不断发展对汽车商品生产的要求越来越高，以往的大批量生产方式已经难以满足人们对商品规格多样化日益增长的需求，取而代之的将是小批量多规格的生产方式。
由于需要在同一个生产线上装配不同类型的商品，因此对设计和制造技术的灵活性（柔性）提出了很高的要求。
虚拟现实技术的投入性和交互性可以很好的帮助产品的开发和设计。
虚拟现实技术是虚拟制造系统的基础和灵魂，虚拟制造系统是由多学科知识形成的综合系统，是利用计算机支持技术对必须生产和制造的汽车进行全面建模和仿真，它能够仿真非实际生产的材料和产品，同时产生有关它们的信息。
也可以制定零件生产的机加工方案、拟定产品检验和试验步骤等。
虚拟现实是一种可以创造和体验虚拟世界的计算机系统，虚拟世界由计算机生成，通过视、听、触觉等作用于用户，使之产生身临其境的沉浸感、交互感。
虚拟现实技术实际上是包括计算机图形学、图形处理与模式识别、智能接口技术、人工智能技术、传感器技术、语言处理与响应技术、网络技术、并行处理技术和高性能计算机系统的集合。
设计师设计出的新型汽车是否合理，往往需要经过碰撞、风洞等测试加以检验。
最初检验新型汽车性能的方法是：
先在一辆样车上放置木偶，加速后让它与墙壁碰撞，然后，再检测车身与木偶的受损程度，由此断定碰撞过程中，车与人的受力情形。
这种方法，不仅存在着严重的误差，而且需先把样车做出来，费事费力。
而采用虚拟试验方法，则只需先用木材、黏土或陶土做一辆汽车模型，在风洞中测定其空气动力学数据，再把模型扫描进虚拟环境系统，把它放大成与真车一样的大小。
通过虚拟环境系统模拟撞车，可以精确地把木偶的手或脚的受力情况反映出来，采用这个系统，可以减少约一半的设计费用及时间。
虚拟试验方法在中、外汽车界获得了日益广泛的运用在代表世界汽车工业最高科技水平的F1赛车界，每年参赛的赛车都要进行一项虚拟测试。
这项测试的环境与真实的赛场毫无二致，同样是马达轰鸣、风驰电掣，惟一不同指出是没有车手参赛。
在这种虚拟环境中，计算机忠实地展现出了F1赛事中各个赛道中可能出现的情况，重点是虚拟出发生车祸后赛车能够提供给车手的保护，通过它判断赛车能否有效地保护车手不受或少受伤害。
近几年，F1赛坛车祸频发，而几乎没有车手因此丧生，无疑，这套虚拟环境系统功不可没。
一级方程式赛车、跑车、轿车、卡车、商用车、有轨电车、地铁列车、高速列车，各种车辆在CATIA上都可以作为数字化产品，在数字化工厂内，通过数字化流程，进行数字化工程实施。
CATIA的技术在汽车工业领域内是无人可及的，并且被各国的汽车零部件供应商所认可。
从近来一些著名汽车制造商所做的采购决定，如Renault、Toyota、Karman、Volvo、Chrysler等，足以证明数字化车辆的发展动态。
Scania是居于世界领先地位的卡车制造商，总部位于瑞典。
其卡车年产量超过50，000辆。
当其他竞争对手的卡车零部件还在25，000个左右时，Scania公司借助于CATIA系统，已经将卡车零部件减少了一半。
现在，Scania公司在整个卡车研制开发过程中，使用更多的分析仿真，以缩短开发周期，提高卡车的性能和维护性。
CATIA系统是Scania公司的主要CAD/CAM系统，全部用于卡车系统和零部件的设计。
通过应用这些新的设计工具，如发动机和车身底盘部门CATIA系统创成式零部件应力分析的应用，支持开发过程中的重复使用等应用，公司已取得了良好的投资回报。
现在，为了进一步提高产品的性能，Scania公司在整个开发力，同时又能从物理样机和虚过程中，正在推广设计师、分析师和检验部门更加紧密地协同工作方式。
这种协调工作方式可使Scania公司更具市场应变能拟数字化样机中不断积累产品知识。
4总结
提升制造过程的信息化水平是增强企业竞争力的关键手段，从三维CAD,到CATIA，再到虚拟制造，一直到现在引人关注的数字化制造，信息技术的应用领域正从产品生命周期的上游即设计阶段向下游即工艺规划和生产阶段延伸.数字化制造的目标就是从制造的现实出发，对制造准备和制造过程中产生的数据进行数字化描述和处理，在制造系统中进行存储和交换后直接应用于工艺的辅助设计和对生产过程的管理与控制，汽车制造行业一直是国内先进制造技术应用的聚集地，这些企业有较好的制造设备条件和IT应用基础，它们率先实施数字化制造既是大势所趋，也是形势所迫。
一方面，国家的方针政策引导它们不断进行创新，“建立创新体制，形成自主发展能力”是中国汽车行业“十二五规划”提出的九个战略目标之一，汽车制造业要增强创新能力，就离不开产品设计的数字化,工艺规划的数字化和生产管理的数字化；另一方面，市场竞争促使企业从传统制造模式向数字化制造模式转变，在产品越来越复杂，生产设备和制造系统日趋复杂和昂贵的情况下，只有引入数字化制造技术中的虚拟验证功能,并通过定量的手段来分析和优化制造工艺，才能保证在可制造的前提下，实现快速，低成本和高质量的制造。
值得欣喜的是,国内越来越多的汽车制造企业开始关注数字化制造，一些领先企业正在尝试实施数字化制造。
同时，学术界，IT咨询公司和软件公司对数
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