浅谈汽车机械结构数字化设计

余家平

摘  要：一辆汽车的设计与生产有众多环节，汽车机械结构设计是可以被称为汽车生产设计的各环节中最基本的一环节，这一环节与人息息相关，复杂且重要是显而易见的，此外，其也有以人为本的要求被提出。当今社会，计算机产业飞速发展，计算机技术也不断加强，在这种大环境的熏陶下，汽车的设计与生产便也与计算机技术有所融合，这种融合便是数字人体模型技术。这种技术是通过采集人类测量数据将人体进行虚拟模拟，之后使用强大的作图软件将汽车与人的结合设计进行虚拟演练。这样的新技术大大提高了设计质量和开发成本。本文通过对汽车进行各方面研究从而分析汽车机械结构虚拟设计。

关键词：汽车、机械结构、数字化、虚拟设计

引言：

汽车的设计和生产十分复杂，涉及各种领域和多重技术，并且因为汽车载人的特殊性，其所要满足的性能要求也十分严格，每个工作阶段都需要使用各种不同的设计验证技术。然而，现在通过采用计算机新技术，通过计算机的辅助，只需将整个产品开发过程和计算机技术有效结合便可以达到设计加速优化，成本降低等优良效果。

数字虚拟技术是一种整合了所有种类的计算机技术，并为应用发挥所有可能性的技术。其使产品开发和设计能够以数字模型的方法在计算机系统中可靠地完成产品设计和验证。在汽车的开发中，虚拟技术有助于决策者制定初始计划并跟踪设计计划。它有助于加强不同场所之间的合作，共同解决设计、生产等多方面技术问题。在设计和生产汽车时，汽车都需要通过重重检测和查验来证明其设计的完善和质量的优良。然而，很多时候设计师并不能预料到所有的问题，一旦出现问题便会大大加重成本负担。为了尽早避免设计错误，该技术便出现在了汽车的设计生产中。该技术可以帮助设计师模拟出各种状况并尽快获取产品信息以进行市场调查。经过产品开发全过程的数字虚拟技术综合和系统地优化产品特性，大幅缩短开发周期，大幅降低开发成本，提高产品质量，最终提高市场企业的竞争力。

一.汽车机械结构分析

1.1汽车内部机械结构设计

汽车内部的机械结构十分复杂，其要考虑多种因素，自成一套体系，从概念、设计到验证，在考虑这方面时设计师会碰到很多限制与有关人体工程方面的分析。汽车内部结构的设计是一种多维结构设计的过程，也是一种连续迭代地确定优化方法的设计过程。

1.2汽车机械结构的强度及刚度分析

汽车生产时必须要了解其刚度要求才能出产。汽车机械结构设计符合规定时，汽车机械结构所用的合规材料有吸收冲击力的能力，在变形各阶段的初期阶段可以吸收冲击，保护车内人们的身体安全。汽车的强度其实也可以认为是其能够承受负荷的大小为多少，一般来说，机械结构的强度和其工作时应力的大小成正比例。在汽车机械结构的设计与分析中，刚性是整个设计中绝对不容忽视的一大问题，如果刚度满足了要求，那么相对的该车的出产强度也绝对可以达到规定数值。我国高强度钢板的设计要求通常为强度高、有较高综合力学性能，所以其抗拉能力和屈服强度要求可以通过特定的传统工艺，将普通强度钢板设计成高强度钢板。对于许多先进的高强度钢板，需要借助于与先进装置相关的工艺方法。例如马氏体钢、复相钢板等。

1.3车型主要结构尺寸分析

整车需要确定结构尺寸的位置有：踏板、转向盘及整个转向系统、换挡杆与手刹结构、行李箱结构、座椅、仪表盘、顶盖、玻璃等。

以上的所有汽车结构的相关问题都有铭文法规规定，在生产汽车时都需根据规定进行校核，合格后才可投入生产，例如，安全带固定位置、仪表盘可视范围等。在过去，确定这些规范需要工作人员进行一次次实验与研究，然而，随着科技与计算机的不断发展，汽車的开发设计也与计算机相结合，在如今，工作人员可以使用CAD等软件进行三维数字设计，在电脑上模拟出虚拟的汽车结构，提前得知设计是否合理，大大降低了试错成本和节省了费用。

二.数字化三维人体模型

人类是产品生产整个周期的所有阶段中最重要的因素。数字3D人体模型从最初的概念设计到最终产品验证都在像人们证明其可以在汽车虚拟设计和制造的全生命周期中有效地应用。

数字人体模型技术有助于设计师确定人体在相应工作环境中的性能，并确定人体的大小/形态/功能及其位置，以满足舒适性和安全性的标准。虚拟CAD设计数据可以通过虚拟人体模型完成操作任务和分析工作。通过3D人体模型，可以使数字人体和电子样车对人和车的相关元件进行模拟分析和验证操作性、舒适性、可见性等重要设计要素。在汽车内部结构设计过程中，应用数字三维人体模型可以提高设计效率和质量，提高安全性和人体机械工程性能，减少实物样车的制造、验证工作和周期。

主要的国际航空公司和其他大飞机和汽车公司都在产品生命周期的各个方面和阶段逐渐接受并应用了数字三维人模型。CATIA、EDS和其他大型软件公司还为用户启动了数字三维人体模块，并持续补充和改进数据库。

三.三维人体模型的汽车室内数字化设计

Catia提供基于人体工程学的模块。而且，那个特别能用于在视觉和支配空间设计领域，基于人体工程学的设计很受人们欢迎。其独特的功能为用户提供了巨大的帮助，大大减少了设计者的负荷。

3.1视野设计

Catia的人体工程学模块提供了视野的能力。通过使用这个功能，可以快速检查汽车内部装修设计。并且，它可以直观地反映驱动程序的视野，让Catia用户可以轻松设置视图的范围。在汽车仪表板的视觉检查领域，根据人的生理原理可以设定视野范围。接下来，使用视野函数确认视野。同样，CATN的视野功能也可以用于帮助设计和检查视野前方的区域和盲区。前视设计主要考虑交通灯和前方道路对象是否容易观察。

3.2可操性设计

在CATIA中，人体模型可以在实际生产中清楚地模拟各种操作状态和人的操作姿势，并帮助用户设计各种人体工程参数。在特定姿势下，驾驶员的手的扩展和接口的设计是汽车室内装饰人体工程设计的重要部分。CATA可以提供上肢可以到达的所有空间位置域。该功能能够直观地表示操作面板的各操作按钮的变速杆等室内部件是否在手能到的范围内。

3.3室内空间设计

由于内部空间的限制，在设计过程中需要考虑空间的大小。由于CATA是一个三维软件平台，所以人类的活动空间一目了然，其优秀的直观性便在此体现，其还为设计师的工作带来了巨大的便利。

四.结束语

在软件平台上构建的3D人体模型，与设计对象的3D模型相互作用，两者相辅相成，在软件平台上实现人类机械系统的直观显示，可以使产品设计更迅速、更可靠。以CATA软件为例，其介绍了在数字平台下建立汽车室内人体模型和人体工程设计的方法。在本文中，人体模型指的是人体测量数据的一部分，利用一部分数据便可以得出建议的人体模型数据，当然，如若拥有更细化的人体测量数据那么更能丰富该人体模型。CACA提供的人体工程设计功能，能为设计师提供非常有效的帮助，在视野和可操作的内部空间设计中，特别是产品设计的效率和质量可以大大提高，有了这种技术的帮助，对于今后的一些产品的设计与生产都有很大的作用。

参考文献

[1]GB/T 7714陶晓庆. 电动汽车机械结构的有限元分析方法设计[J]. 山东工业技术， 2017， （18）：33.

[2]张阿玲.一种电动汽车车身、车架结构设计及其性能优化[D].中北大学，2012