计算机辅助设计在汽车设计课程教学中的应用

文少波 臧利国

[摘 要]本文以汽车设计课程的主要内容为基础，结合本校学生知识水平和先修课程的情况，将计算机辅助技术合理地引入到教学过程中，使学生在掌握汽车专业知识的同时，学会运用现代设计方法和计算机辅助设计软件，以满足应用性本科学生的培养需求。在教学过程中，分别以汽车离合器、变速器和驱动桥壳的设计为例，从结构参数优化、虚拟仿真和有限元分析三个方面对计算机技术的应用进行了探索。实践证明，将计算机辅助技术融入传统课堂教学，能增强学生学习主动性，有效地提高教学质量。

[关键词]计算机辅助设计；汽车设计；参数优化；虚拟仿真；有限元分析

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2018）07-0049-03

○、引言

汽车设计是汽车工程专业的主干课程之一，主要内容包括汽车总体设计、离合器、变速器、万向传动轴、驱动桥、悬架、转向系和制动系等各总成的设计[1]。其目的是使学生在对汽车性能和基本结构知识有较系统了解的基础上，学习运用现代汽车设计方法，掌握先进汽车设计技术，从而达到基本具备分析和解决该领域问题的能力。汽车设计是一门实用性很强的课程，它综合运用了大学基础课程、专业基础课和专业课的知识，其专业跨度大，涉及面广，尤其涉及很多工程实踐和新技术的应用，授课难度较大，寻求一种新的教学方法成为当前教学中急需解决的问题。

计算机辅助设计（Computer Aided Design）是指工程技术人员在人和计算机组成的系统中以计算机为辅助工具完成产品的设计、分析、绘图、制造等工作，并达到提高产品设计质量、缩短产品开发周期、降低产品成本的目的[2]。根据主要功能划分，计算机辅助设计软件有很多类，有侧重于产品绘图的CAD（Computer Aided Drafting）软件，如AUTOCAD、Unigraphics（简称UG）、Pro/Engineering等；侧重于工程分析的CAE（Computer Aided Engineering）软件，如MATLAB、ANSYS等；侧重于制造的CAM（Computer Aided Manufacturing）软件，如MasterCAM等。随着计算机软件水平的逐步提高和硬件价格的不断降低，计算机辅助设计软件在二十世纪后期开始大量应用于工程设计，目前已成为现代化企业的必备工具。鉴于此，在大学本科基础教育阶段，很多学校专门开设了计算机辅助设计软件课程。但在实际的教学过程中，往往都是将其作为一门专门课程来开设，学习过程随着课程结束而停止。这种现象导致学生学习目的性不太明确，学习效果欠佳，不能与所学专业结合起来，无法促进其专业水平的提高和发展。作为应用型本科学校，其根本目标是为社会培养实用性人才[3]，培养学生如何解决实践问题，具体使用软件解决工程设计问题的能力尤为重要。

因此，结合本校学生知识水平和先修课程的情况，把计算机辅助设计用在汽车设计的教学环节中，改善传统的课堂教学效果，同时提高学生的计算机软件应用能力，值得我们探索。下面以汽车设计课程中的主要内容为基础，根据设计过程中实际需求，从先进设计方法的角度出发，选用相应的计算机辅助设计软件加以说明。

一、优化设计

汽车设计中很多零部件的设计，在设计过程中需要优化设计，以设计出较佳的产品。例如在离合器的结构设计中，需要确定离合器的性能参数和尺寸参数。传统的设计方法是采用先初选、后校核的方法进行。这样设计过程往往经过多次反复，最后所选的结果也只是一个相对合理的方案，不一定是最优方案。

对于离合器的参数优化设计，可采用如下思路：

1.设计变量：离合器性能因素主要有后备系数和单位压力，从理论分析可知，都取决于离合器的工作压力F和摩擦片的内外径d和D。设计变量见式1。

2.目标函数：离合器参数优化设计追求的目标，是在保证离合器性能要求的条件下使其结构尺寸尽可能小，见式2所示。

3.约束条件：所设计的离合器，摩擦片的最大圆周速度、内外径比、后备系数取值范围、减震弹簧的安装、过载保护能力等都要满足一定的要求，最后以一组等式约束（式3）和不等式约束（式4）来表示。

上述问题为有约束条件的非线性优化形式，常用的方法是采用惩罚函数法将其转换成无约束优化问题进行求解[4]，这需要较复杂的数学推理和程序编制。对于应用性本科大学的学生而言，按照此思路优化计算有很大的难度。因此，在教学过程中，可以只讲授优化设计思路，采用MATLAB软件来实现具体优化设计过程[5]。在MATLAB软件中，对于不同形式的优化设计问题，有相应的工具箱函数可以调用。例如对于上述问题，只需要分别建立目标函数文件objective.m和约束函数文件constrant.m的子程序，再编制主程序main.m调用工具箱函数fmincon即可解决。

通过将MATLAB软件引入离合器的参数优化设计，可以使学生将主要精力用在离合器的设计学习上，着眼于汽车设计的教学内容，而不必进行深层次的数学分析处理。避免了设计过程中复杂的理论和计算，简化了设计难度，达到了很好的教学效果。

二、虚拟仿真设计

随着计算机技术的飞速发展，在现代设计方法中，为了降低成本，提高设计效率，广泛采用虚拟仿真技术。它是以计算机三维实体建模为基础，在虚拟条件下对产品进行运动仿真测试和分析。通过对产品进行运动学仿真，模拟实际工作状态，验证其运动的正确性，检查运动机构间的协调关系，保证设备零件的干涉自由和运动协调，并根据零部件的干涉和运动情况完善设计。

汽车变速器用来改变发动机传到驱动轮上的转矩和转速，目的是在原地起步、爬坡、转弯、加速等各种行驶工况下，使汽车获得不同的牵引力和速度，同时使发动机在最有利的工况下工作。在汽车设计课程教学中，机械式变速器的设计为学习的重点。

在学习机械式变速器的设计时，根据所给参数，计算各档齿轮齿数是重要的学习内容。确定好各档齿轮齿数后，可以对变速器进行虚拟仿真设计。在UG软件中，按照理论计算所得的参数对变速器的各档齿轮和各轴进行三维实体建模和虚拟装配，并进行干涉检查，校验各零件位置关系。然后对其进行运动仿真分析，输出各档速度传动比和动力传动比[6] [7]，以确定所设计的变速器是否满足要求。变速器虚拟装配和运动仿真分别见图1和图2所示。

通过虚拟仿真设计，可以直观地显示学生的设计成果，加深学生对所设计的变速器理解，提高学生的学习兴趣和积极性。

三、有限元设计

在汽车设计过程中，各零部件的设计应满足强度的要求。对于结构较为简单的零件，例如轴类零件，可以直接简化为梁的形式，按照理论力学的方法算出各部位的受力，然后按照材料力学方法得出各截面处的应力大小及分布，用以进行零件形状和尺寸的设计或者校核是否符合强度要求。

但对于形状和受力较为复杂的零件，例如汽车驅动桥壳，它起着支撑汽车质量，并承受由车轮传来的路面反力和反力矩作用，同时它又是主减速器、差速器和半轴的装配基体，结构和受力都较为复杂。如果按上述方法简化计算，不可避免产生较大的误差，不能真实表达其实际应力大小及分布。在现代汽车设计中，往往是采用有限元分析来有效地解决此问题。

但对于本科学生而言，直接编程建立有限元模型并求解不太现实。结合实际生产中较为成熟的用法，可以采用商用有限元分析软件ANSYS软件来进行分析。ANSYS是一种通用工程有限元分析软件，现在已经广泛应用于航空航天、机械、汽车、电子、土木工程等各种领域[8]。 ANSYS软件主要包括前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块用于建模及网格划分；分析计算模块包括结构分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析等模块，可模拟多种物理介质的相互作用；后处理模块可将计算结果以各种形式显示出来。

虽然ANSYS软件具有强大的网格划分、加载求解和后处理功能，但它的几何建模功能相对较弱。如果采用ANSYS软件对驱动桥壳进行实体建模，将是一个极其烦琐的过程。因此可以采用UG软件对桥壳进行三维实体建模（图3），然后导入ANSYS软件中进行有限元网格划分（图4）。添加载荷时，对于全浮式半轴驱动桥，其壳体载荷分析时，根据桥壳的受力情况，主要考虑以下三种特殊形式：

（1）当牵引力或制动力最大时；

（2）当汽车发生侧滑时，侧向力最大；

（3）当汽车通过不平路面时，垂向力最大。

然后在ANSYS软件的分析模块中计算求解，得到在相应载荷下壳体精确的应力分布及大小，最后通过后处理模块将其结果显示出来（图5），以此为基础对驱动桥壳进行强度校核。同时可以得到壳体在载荷作用下各部位相应的变形（图6），进行刚度分析。

通过ANSYS有限元分析，不仅提高了驱动桥壳的设计精确度，而且可以形象地显示强度分析的结果，能够加强学生对课堂教学内容的理解力和认知力。

四、结论

将通用计算机辅助设计软件引入汽车设计的课堂教学环节，不仅可以有效地解决设计中遇到的问题，增强学生设计能力，而且能提高学生的学习兴趣和软件使用能力，也为学生毕业后能更有效地同生产实践相结合提供了一个锻炼的机会。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 王望予. 汽车设计：第四版[M]. 北京：机械工业出版社，2011.

[2] 潘云鹤，孙守迁，包恩伟. 计算机辅助工业设计技术发展状况与趋势[J]. 计算机辅助设计与图形学学报，1999（3）：248-252.

[3] 翟满桂. 谈地方高校本科教育中教学与科研的关系[J]. 高等教育研究，2006（12）：77-79.

[4] 康恺. 机械产品设计的结构优化技术运用探究[J]. 中国机械，2016（6）.

[5] 张昆晓，何海明，吴东盛. 基于MATLAB目标函数的建立优化离合器膜片弹簧的设计研究[J]. 汽车零部件，2012（5）：73-75.

[6] 谢晓华. 参数化动画与运动仿真相结合在UG教学中的应用[J]. 机电技术，2013（5）：46-47.

[7] 文少波. 基于UG 建模的机械式变速器设计[J]. 机械设计与制造，2009（9）：43-45.

[8] 李兵，宫鹏涵. ANSYS 14有限元分析自学手册[M]. 北京：人民邮电出版社，2013.

[责任编辑：张 雷]