摩托车数字化设计与开发技术

2013-05-20  by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM  来源:仿真在线

对国内外摩托车制造业数字化技术应用情况、最新发展应用的CAD/CAE/CAM/PDM技术、计算机辅助工业设计技术和逆向工程技术作了介绍,并以某款摩托车的外观改形开发为例,介绍了基于逆向工程技术的摩托车快速数字化设计方法。
杨波 来源:万方数据
关键字:摩托车 数字化 逆向工程

1 国内外摩托车制造业数字化技术应用现状 

制造业是一个国家的支柱产业,制造业的发展水平直接反映出国家经济和科技的发展水平。以信息技术为主导的现代科学技术的迅速发展,推动了全球经济的高速增长,也推动了制造业和产品数字化设计技术的快速发展。传统的制造业在面临巨大挑战的同时,也发生了极其深刻的重大转变,出现了并行设计、协同设计、虚拟设计、敏捷设计、全生命周期设计、职能设计等多种设计方法,数字化、集成化、网络化、智能化也成为了产品设计模式的必然发展方向。 
 
改革开放刺激了我国摩托车工业的迅猛发展,目前,我国摩托车产量已超过1 200万辆,成为世界上最大的摩托车生产国。伴随人类对物质文明和精神文明的不断追求,摩托车工业设计向节能、环护和安全舒适的人性化方向发展,数字化设计技术将成为摩托车工业技术现代化的基础性技术。利用计算机及网络环境技术,以虚拟产品模型为核心,实现摩托车产品的数字化设计,是提高我国新产品自主开发和技术创新能力,缩短开发周期,加速产品更新换代,加快从摩托车生产大国转化为摩托车生产强国的重要手段。

摩托车数字化设计技术需集成现代设计制造过程中的多项先进技术,包括计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助分析(CAE)、计算机辅助制造(CAM)、产品数据管理(PDM)、计算机辅助工业设计(CAID)、虚拟样机技术、逆向工程技术、知识工程技术(KBE)、快速原型制造(RPM)技术、标准化技术等,贯穿产品设计、分析、制造全过程,是一项多学科的综合技术。

传统的产品开发是以实物样车(机)为开发平台,所有零件设计完成后,制造出手工样件来进行试装配,根据样件试装的结果判定设计缺陷,然后再回到设计环节进行修改,如此循环往复。该过程中各设计功能小组之间是相互独立的,各自完成自己的工作,然后进行检验、修改,因此工作的反复性很大,设计周期较长,人力、物力、财力浪费严重。 
 
目前,国内大部分以出口为主的摩托车生产企业仍然采用仿制实物样车(机)的模式进行产品开发,即主要依靠在原型样件的基础上,对样件的标志性特征进行增加或删减,同时转化为二维图样作为进行技术交流的依据,即使有的企业采用了计算机辅助二维绘图,但它只是二维图样的计算机表达式,还不能完全起到指导生产的作用。虽然计算机辅助绘图大大节省了图样修改的时间,但仍然要依靠实物样车(机)进行产品开发。有的企业已经采用三维建模技术对一些复杂产品建立数字化模型,以便于进行CAE分析和CAM加工,但CAE分析手段单一,临界条件设置经验非常匮乏。

2 CAD/CAM/CAE/PDM技术

CAD/CAM/CAE技术是数字化设计与制造技术的核心,是实现计算机辅助产品开发的主要工具。产品数据管理(PDM)技术集成并管理与产品有关的信息、过程,及人与组织,实现分布环境中的数据共享,为异构计算机提供了集成应用的平台,从而支持CAD/CAE/CAM系统过程的实现。PDM是实现并行过程协同工作的重要基础。国外一些先进的机械制造企业,在日益激烈的全球化市场竞争中,纷纷采用了先进的产品数字化设计与管理技术。例如,美国福特汽车公司在1995年就提出了“福特2000计划”,投资上亿美元,旨在采用先进的CAD/CAE/CAM/PDM(C3P)技术,并于1998年推出了第1辆全部采用C3P技术开发的轿车“FOCUS”,开发周期从原来的34个月缩短到24个月。该车型在欧洲和北美市场上的销售量也超过了其他同类车型,为企业创造了巨大的利润。摩托车结构件的传统设计是采用统计、类比和经验相结合的仿制方法。该方法对摩托车结构件缺乏准确分析判定能力已经成为摩托车最高端产品设计的瓶颈。以三维CAD/CAE/CAM为核心的计算机辅助设计、工程分析、辅助制造技术,已成为新产品开发不可缺少的现代技术手段。摩托车制造业在新产品开发过程中广泛的采用三维实体、曲面、实体与曲面混合建模的技术,建立零部件的三维数字化模型,并逐步向全数字样机DMU方向发展。

CAE技术的应用也从关键零部件(如,车架、覆盖件、灯具等)的强度、刚度、模态分析,向整机的工作原理仿真和性能评估分析发展;在CAE分析方法中,结合许多领域的专业知识,形成了专业化的CAE分析评估系统,如汽车、摩托车产品开发中的发动机燃烧分析,NVH分析,悬架刚度、强度及振动分析,整车的动力响应分析,零部件的优化设计、冷却系统的流场、温度场、应力场的多场耦合分析等。

CAM技术的应用已从简单的零件、工装模具的辅助制造,向复杂曲面零件,大型复杂模具三维型面的NC加工、加工过程仿真发展,现代CAM技术成为新产品的试制、工艺工装制造提供了先进的数字化加工手段。

PDM技术是一门管理所有与产品相关的信息和所有与产品相关的过程的技术,核心是对产品全生命周期进行管理,取得综合效益。该技术有更快的反应速度,更好的质量保证,更优质的服务,更低的成本,更有效的产品型谱建设,能更合理地把握更新换代的切入点。PDM技术可以使企业内各种人员迅速了解企业业务流程,知晓自己在企业的地位,逐渐养成从全局出发考虑其从事的工作的习惯,减少不必要的过程,以实现企业降低成本的目的。

3 计算机辅助工业设计

与其他机械产品相比,摩托车工业的外观设计是摩托车知识产权的重要内容。摩托车百年来的发展已形成公认的几大类型,不同厂家的各种类型的摩托车的外观越来越接近。因此,在设计具有自主知识产权的摩托车时,重点是摩托车的外观形态特征部位,主要指覆盖件、灯具、车座、油箱等用来与其他同类摩托车外观相区分的外饰部位。

摩托车设计时,应根据其使用特点,使摩托车的形体构成符合美学法则,具有适宜的色彩配置、表面质感和肌理,吸取自然美的精华,把握社会时代的审美潮流,创造出符合使用者审美观的外观造型。现在,摩托车外观设计普遍采用的设计流程为:概念草图→效果图→基本车体制作→1∶1胶带图→油泥模型制作→覆膜→定型。由于油泥模型的制作存在制作周期长、成本高、不利于进行多方案比较等困难,加之对环境温度和湿度要求也较高,因此容易产生裂纹或起皱,保存时间不能太长。另外,油泥模型制作与数字化体系割裂开来,需要通过逆向工程建立产品的CAD模型,加之效果设计、油泥制作、数字化设计往往是由不同的人员完成,这将延长设计周期,增加设计误差。采用计算机工业设计技术(CAID)将使这一现状得到改善。

目前,CAID对于早期的创意表达仍然比较棘手,对于概念设计中定性的、模糊的、非精确的信息难以非常准确地描述和处理,无法达到设计师追求的高度。目前使用的一些三维工业设计系统(如Alias/Wavefront Studio,UG/NX Shape Studio,proe CDRS CATIA等软件)与传统的CAD/CAM软件相比,更注重自由化曲面的建立与操纵,有更高的艺术表面创建能力,能提供丰富的材质、纹理、光源等表现工具,可以通过接口或直接将数字化模型传给CAD/CAM系统。对于汽车、摩托车这类投资较大,外形要求很高的产品,直接建立三维模型,通过屏幕所显示的影像同真实环境相比,还是有着相当的差距的,缺乏对空间感、质感的真实把握[5]。因此,一般在利用CAID做完三维造型设计后,还需要再加工实物模型进行验证、修改。将CAID技术引入摩托车工业设计后,设计模式将改为:概念草图→效果图→美学面型→三维概念模型→数控加工模型→模型修改→喷漆→定型。与油泥模型制作不同的是在效果图完成后直接建立三维概念模型,然后进行数控加工。

随着CAD、人工智能、多媒体、虚拟现实等技术的进一步发展,计算机辅助工业设计技术与其他计算机辅助技术最终必将建立起统一的产品设计支撑体系。摩托车设计将最终取消实物模型验证阶段,实现与工程设计的数字化集成。

4 逆向工程

逆向工程(Reverse Engineering)又叫反求设计,是从实物原型样机或样件快速获取三维数字信息和工程信息的一系列工作方法和技术的总和。自改革开发以来,我国在经济技术发展中非常重视应用逆向工程对国外先进技术进行引进和研究,并且取得了显著的效果。据统计,世界各国70%以上的技术源于国外,逆向工程的使用可使产品研制周期缩短40%以上,极大地提高了生产率。以摩托车为例,摩托车起源于欧洲,二次世界大战以前,世界摩托车的生产和技术中心在欧洲,20世纪50年代后,逐步向日本转移。发展到今天,日本摩托车工业(以本田、铃木、雅马哈、川崎等四大家为代表)由仿制到创新,已成为当前世界摩托车高新技术的代表。

逆向工程的最大优势是可以“原汁原味”地保留工业造型师的设计精髓,随着曲面造型理论的发展,专业逆向软件处理功能越来越强大,使得逆向技术几乎成为产品外观开发的必备工具。由于摩托车外观覆盖件的逆向建模更看重曲面的视觉效果,同时由于反求的是整套覆盖件,建模时不能孤立地只考虑单个零件的单纯反求,要综合地考虑它们之间的相互装配关系、与车架的配合、整体外观上的美感、后续模具设计及数控加工的工艺性等,因此,逆向工程技术在摩托车的新产品开发中得到了广泛的应用。逆向工程的设计流程如图1所示。

    4.1 逆向工程中的关键技术

目前,国内外逆向工程研究的重心是在CAD三维模型的重构上,并以重构参数作为制造产品的原始参数,这仅是一种“形状制造”而非“精度制造”。而逆向工程的更高层则是通过消化和吸收原始模型,在知其然和知其所以然的基础上,对原始产品进行再设计,开发出更先进的产品。因此,逆向工程应解决一些关键技术:①研究更方便实用的测量方法和设备,提高测量系统的制造精度和测量精度,降低测量误差;②研究更科学的三维重构方法,开发更高级的CAD/CAE/CAM软件,提高三维造型系统的处理功能,减小三维造型误差;③将人工智能技术、精度设计、先进设计制造技术、计算机网络技术综合运用,形成一套相对独立、完善的反求工程技术系统,以便能够快速、准确、经济地反求和开发出适销对路且具竞争力的产品。

    4.2 逆向工程的新产品开发实例

摩托车作为轻便、快捷、低能耗及外形美观的交通工具,越来越受到人们的青睐。随着市场竞争的日愈激烈,人们一直在寻求一种快速的摩托车新产品外观改形开发方法,以达到快速响应顾客需求的目标。基于逆向工程技术的新产品开发方法和技术,是当前摩托车新产品外观改形开发的主要技术。以下以某款摩托车的外观改形开发为例,介绍基于逆向工程技术的摩托车快速数字化设计方法,具体步骤如下:

    1)市场预测与原型产品分析。通过对市场的调查和预测,找出原车型中需要改进的外观造型部分,分析组成这些覆盖件的结构特征和装配关系,分析覆盖件成型的工艺特点,结合造型设计的美学原则,理出新摩托车外观改形开发的总体思路。

    2)造型方案构思。设计人员根据市场需求,在原物理样车外观覆盖件造型的基础上,对需要改型的几个主要覆盖件进行构思,并提出多个相对比较优化的设计方案及改型设计二维效果图。

    3)造型方案评价。将造型方案交给市场部或销售公司客户代表,及制造部门进行最终评价,以考察产品的可行性及可制造性。

    4)实物样机覆盖件反求建模。由于只涉及摩托车的外观覆盖件,因此,首先是针对原型样车的外覆盖件进行反求,建立原型样车外覆盖件的数字化三维模型,在此基础上按设计者最终的设计方案进行三维改型设计。

    5)由物理样车重构三维模型进行数字化预装配。由于覆盖件的反求建模是由多个设计人员共同参与完成的,并且是以单独的数据文件存储,将数字化重构后的覆盖件在计算机上进行预装配,可以检验其反求误差和装配精度是否达到要求,从而提高工作效率,节约开发成本。

    6)覆盖件改型开发部位的数字化设计。完成了覆盖件二维效果图,经反求得到的三维模型后,将覆盖件三维模型中需要改型设计的部位,按二维效果图在反求后的覆盖件三维模型上进行曲面的重新设计。要求参与三维模型修改的所有成员统一参考坐标系,以便对改型设计后的覆盖件再进行数字化装配时使用。

    7)数字化再装配、检验、修改完善。在原型样车基础上,采用逆向工程和正向设计相结合的方法,进行快速数字化改型设计后的整车覆盖件数字化装配。整个设计过程比传统的人工设计方法周期缩短一半。

5 结束语

数字化设计与制造在现代产品开发中的应用日趋广泛。摩托车数字化设计技术需要集成现代设计制造过程中的多项先进技术,随着先进技术的不断发展,需要对其不断跟踪和应用实施。通过对其中最新发展应用关键技术的探讨和综述,有助于将先进技术切实地应用到摩托车产品开发中,加快摩托车实现数字化设计的速度。

相关标签搜索：摩托车数字化设计与开发技术 AutoCAD培训 AutoCAD培训课程 AutoCAD图纸设计 AutoCAD在线视频 AutoCAD技术学习教程 AutoCAD软件教程 AutoCAD资料下载 Fluent、CFX流体分析 HFSS电磁分析 Ansys培训 Abaqus培训 Autoform培训