汽车虚拟仿真设计技术发展探究＊

王中长

（滨州学院 机电工程系，山东 滨州 256603）

汽车虚拟仿真设计技术发展探究＊

王中长

（滨州学院 机电工程系，山东 滨州 256603）

利用汽车虚拟仿真设计技术进行汽车产品的设计开发，既可以提高产品的设计精度和质量，还可以大幅度降低产品的生产成本和研发周期，在汽车产品设计中的应用前景将非常广阔。本文为系统了解汽车虚拟仿真设计技术的发展，通过研究国内外汽车虚拟仿真设计软件设计过程的特点，总结了汽车设计中虚拟仿真技术的应用，对汽车设计水平的发展具有指导参考意义。

汽车；设计软件；虚拟仿真；发展探究

随着CAD、CAE和CAM技术的快速发展，汽车的设计制造开始有了新的设计理念和方法，产品的设计也进入新的发展时代。虚拟仿真设计技术，能大幅度提高汽车产品质量和产品先进开发能力，近年来倍受汽车企业青睐[1]。在欧美发达国家，CAD/ CAE/CAM技术已有40多年的发展历史。像通用汽车集团通过此技术每10多天出一款新车型, 波音747飞机的全程无纸化的设计与加工。在国内，一些大型的汽车企业都开始利用CAD/CAE/CAM 技术进行实际产品的开发, 如零部件、易损件、覆盖件的设计、汽车轻量化设计、整车性能分析与优化等。现在我国的虚拟设计软件市场，逐渐形成了国内外二、三维软件互相竞争共存的局面。

1 通用汽车CAD设计技术

通用汽车CAD设计技术是进行汽车设计的基础平台，利用它可以在设计过程中完成汽车产品的造型、零件设计、装配设计，并生成数模和工程图纸。主要分为二维CAD设计和三维CAD设计，下面将详细阐述这两类设计技术所涉及的软件的应用。

1.1 二维CAD设计

1.1.1 AutoCAD

对于二维设计软件来说，AutoCAD是当前世界上应用最广、最普遍的。它是由美国的欧特克公司开发的一款二维绘图设计软件，绘图员可以通过它来完成设计图形的新建文件、打开原有文件、管理各类文件、输出文件以及区域集成共享文件等。AutoCAD软件在国内外应用非常广泛，很多二维绘图的标准都是根据它来定包括国内外各企业间图纸的交流、设计方案的制定以及加工原料的要求等，都是利用了它的DWG文件格式。如图1所示为AutoCAD工程图纸的一个实例。

图1 AutoCAD工程图实例

尽管AutoCAD软件本身的功能非常丰富，但其还预留了很多可以让用户在其平台下进行二次开发，设计出适应各自行业发展的专用软件，汽车、建筑和航天等都有涉及，现在已经汉化的非常成熟，适合中国人操作。

1.1.2 清华天河PCCAD

清华天河PCCAD通过先进的技术，在保留了传统经典AutoCAD功能平台的同时，开发了更加智能化、特征化、参数化、专业化、用户化、标准化、集成化的软件。

此软件主要特点有5个，一是绘图效率高，比直接使用AutoCAD要快5-8倍；二是有多种数据接口，既可以利用各种现有资源，生成明细表，绘制表格等，还能通过导出文本文件和天河通用导出各种类型的数据；三是它的参数化、系列化国标库和零件库，并完全基于参数化的设计，提高一些标准件和常用件绘制的效率。四是二次开发手段方便，技术人员可以方便地扩充它的功能，开发适合自己的符号库和零件库。当然，国内还有很多不同的绘图特点二维CAD设计软件，见表1。

表1 其他国产二维CAD设计软件

1.2 三维CAD设计

1.2.1 Pro/Engineer

Pro/Engineer又名Pro/E，是由美国的参数技术公司开发的三维CAD设计软件，它的主要特点是参数化设计应用，是参数化设计最早的利用者，是当今世界上主流的CAD/CAM/CAE软件之一，汉化成熟，因此在国内很多的汽车企业特别是重型汽车的产品设计领域占有很大的比重[2]。图2所示为Pro/ Engineer绘制的铲车三维图。

图2 Pro/Engineer绘制的铲车三维图

1.2.2 UG

UG是一个交互式的CAD/CAM设计软件，它功能非常强大，尤其是模具设计、制造与加工方面有很大的优势，可以轻松实现各种复杂实体及造型的设计建模。UG于1969年开始开发，研发开始主要是基于工作站，利用C语言实现的。但随着计算机硬件的发展以及个人用户的增长，在计算机上的应用取得了快速增长，现在已经逐渐成为模具行业主流的三维设计软件。现在已经汉化的非常成熟，适合中国人操作。图3所示为利用UG软件绘制的奥迪轿车三维图。

图3 UG绘制奥迪轿车三维图

1.2.3 SolidWorks

SolidWorks公司于1993年成立，1995年推出第一套SolidWorks三维CAD设计软件后，发展异常迅速，到2010年就推广到全球销售。后来法国达索公司将它收购后加以开发，作为主要的销售品牌。它的主要特点是界面最接近Windows系统，会基本的计算机操作基础就可以快速学会，而且网络开源资料非常多，好学易懂，完全汉化，备受广大设计工程师的青睐。

1.2.4 CATIA

CATIA用途很广泛，在航空与航天、汽车、船舶、建筑等方面都有涉及到。用途最多的是汽车行业，比如国外用它来设计汽车产品的有福特汽车、通用汽车、宝马汽车、丰田、本田、雷诺、菲亚特、三菱等，在国内有上汽集团、一汽集团、奇瑞汽车等大公司也在使用。航空方面有波音麦道、空客、达索飞机等，欧盟各成员国和美国的军方都用CATIA进行设计。

CATIA主要特点是曲面、结构设计能力非常强大，设计精度非常高，汉化程度较高。图4为利用CATIA绘制的发动机内部结构。

图4 CATIA绘制的发动内部机结构图

2 多体动力学仿真技术

多体动力学仿真技术是随着三维设计技术的发展而产生的专门针对复杂机械系统的运动学和动力学进行模拟仿真的工具。最初只用来研究刚体的仿真，现在随着柔体动力学的发展，刚柔耦合的多体仿真技术已经趋于成熟。汽车系统多体动力学仿真类软件主要有ADAMS、SIMPACK、DADS等，下面就主要的ADAMS和SIMPACK两中来介绍。

2.1 ADAMS

ADAMS是多体动力学仿真设计用途最广的软件之一，由美国MDI公司开发，在全球各大汽车企也广泛应用。它拥有完善的绘图环境，能及时调取自己的零件库，丰富的约束库和力库，还有先进的拉格朗求解器，能进行静力学、运动学和动力学仿真分析。参数化的设计界面可以进行机构的优化设计[3]。

ADAMS不仅能够进行静力学、运动学和动力学分析，还预留了很多开放性的程序结构和多种接口，并且从2013版开始汉化，便于一些分析工程师进行二次开发，进而研究出适合自己的设计工具。

2.2 SIMPACK

SIMPACK软件是由德国的INTEC Gmbh公司研发的专门针对机械和机电系统运动学与动力学仿真分析的多体动力学分析软件。它以多体系统计算动力学为基础，涵盖多个专业模块和领域的虚拟样机开发系统软件。SIMPACK软件的主要应用领域涉及了汽车、轨道铁路、航空与航天、轮船等行业。SIMPACK软件包括运动学和动力学的基本模块、轮轨专门模块、汽车模块、发动机模块、柔性体处理模块、CAD接口模块和优化模块(Optimization)等部分。图5所示为利用SIMPACK软件构建的后排料水泥搅拌车的虚拟样机模型。

图5 SIMPACK软件构建的后排料水泥搅拌车虚拟样机模型

3 结构强度分析技术

对于新车开发中的零部件、系统以及整车的疲劳、寿命、振动、噪声、轻量化等结构强度和刚度问题[4]，可借助结构强度仿真分析技术在设计阶段解决，从而大幅度提高产品的设计质量，缩短了产品开发周期，同时还避免了反复试制带来的损失，节省了开发费用。汽车用的结构强度分析类软件主要有HyperMesh、ANSYS、MSC/NASTRAN、ABAQUS等。

3.1 HyperMesh

在结构强度分析技术领域,HyperMesh主要特点是前处理划分有限元网格的功能非常强大。它能让结构强度分析工程师在高度交互及可视化的环境下进行仿真分析工作。其他有限元前处理器不如HyperMesh的图形设计界面方便、智能，他可以将在通用三维CAD软件中建好的几何模型直接快速的导入，并且导入模型质量非常好，基本上不用大幅度的修改，从而提高了工作效率。HyperMesh也具有一定的后处理器模块，能完成各种复杂的仿真，像一般有限元软件都能产生的云图、曲线标和动画等[5]。如图6所示为Hypermesh设置的摩托车轮胎周围的计算流体力学网格。

图6 Hypermesh设置的摩托车轮胎周围的计算流体力学网格

3.2 ANSYS

ANSYS软件是一种常用的结构强度分析软件，它由全球最大的有限元分析软件公司美国ANSYS公司开发，能够进行机构结构静力学分析、结构强度和刚度、流体动力学分析、磁场分析、电场分析、声场分析等方面的仿真分析，且能够轻松的同大多数通用的三维设计软件进行模型、数据共享和交换，比如常见的CAD设计软件AutoCAD、Pro/Engineer、UG、solidworks等，是当今世界机械、汽车、航天、船舶等工业产品设计中的高级分析工具[6]。图7为ANSYS软件分析的构件云图。

图7 ANSYS软件分析的构件云图

当然在一些结构强度分析过程中，分析工程师要善于利用各个分析软件的特点进行利用，比如可以利用HyperMesh方便智能的前处理器对产品进行网格划分等前处理，再利用ANSYS的LS-DANA求解器进行计算，再通过后处理对结果进行分析。

4 结语

本文通过对汽车设计过程中用到的虚拟设计软件进行研究，得到汽车虚拟仿真设计技术的发展现状以及存在的问题，以及各种设计软件的特点及联合利用，还有国外软件现存的汉化问题、专业化二次开发问题等，为汽车虚拟仿真设计提供参考依据。

[1] 谭泽飞.计算机辅助工程(CAE)在汽车工业中的应用[J].森林工程.2005(03).

[2] 李世芸,李华,邓荣兵.三维CAD/CAE技术在汽车部件设计中的研究及应用[J].昆明理工大学学报(理工版).2003(03).

[3] 张铁山,胡建立,唐云,等.CAD/CAE技术在汽车车架设计中的应用[J].上海工程技术大学学报.2001(03).

[4] 陈智.CAD/CAE技术在汽车轻量化中的应用[J].内蒙古林学院学报.1999(02).

[5] 温志伟,陈江海.CAE在汽车开发中的应用[J].中国水运(理论版).2007(08).

[6] 蒋元广,张丙军,朱卫庆.结构仿真分析技术在汽车上的应用与展望[J].轻型汽车技术.2006(01).

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滨州学院科研基金项目（BZXYQNLG201402）。