搜索基于知识的概念汽车车身部件参数化设计方法
2013-05-17 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线
刘波 胡平 靳春宁 丁祎 来源:e-works
关键字:知识工程 参数化 概念车身 UG/NX
本文通过对汽车车身部件结构和设计流程的研究,阐述了基于知识的汽车车身零件参数化的过程和方法,由此提出了车身概念设计阶段白车身参数化设计的新思路。以某车型车身侧围外板为例,在UGS/NX平台上开发出一个基于知识的专业设计辅助工具,运用该工具可迅速生成侧围外板的全参数化模型。该设计工具内嵌了车身设计的专业知识和专家的经验,成功实现了车身零件设计过程的参数化、自动化和智能化,极大提高了车身设计效率和品质。
1、前言
汽车车身的开发过程中,空间关系和约束关系复杂,实现方法和评价指标模糊,设计师的经验和技巧仍然是影响设计效率的主要环节。现代计算机辅助设计技术(CAD)正从静止的和随意性很大的传统设计,变为基于知识工程或专家系统的动态的智能化设计方法。
知识工程(KBE)系统为解决传统CAD系统存在的问题提出了方案,如设计原理的体现、约束是否冲突、设计制造是否可行等。KBE系统所要达到的目的是使产品信息在整个生命周期中都可得到应用,从而获得最优化方案。
基于知识的工程设计系统的开发,国内外都进行了长期研究和大量的工作。但是,到目前为止大部分产品都集中于应用行业法规和标准进行验证和分析,如基于知识的汽车座椅布置、H点的优化、视野校核、车门附件的布置等。而基于知识的白车身设计开发,比如车身侧围板、发动机罩板等,则鲜有介绍。
本文以车身侧围外板为例,论述了基于知识的白车身结构参数化过程和方法,由此提出了全新的白车身的开发思路和设计方法。运用该思路和方法可帮助和指导工程师在车身概念设计阶段,快速生成完全参数化的白车身原型,从而迅速提出和确定零部件结构设计方案,以此提高产品设计效率,缩短产品开发周期。
2、汽车车身零部件原型概念
在研究各种车型的真实详细车身零部件基础上,去除特殊的或个别的细小结构,抽取共同的和普遍的形状和结构,形成完全参数化的三维模型,称之为零件原型,如图1所示。
图1 零件原型示意图
零部件原型属于对车身各种详细零部件的高度概括和总结,是一种捕获了专业知识和集成了专家经验的全参数化的KBE模型。
本文所阐述的基于知识的白车身设计工具的开发,其设计思想主要在于构建这种基于知识的产品原型,即通过软件技术将专家的设计经验和设计过程的有关知识集成在产品信息模型中,实现了产品设计智能化、自动化。使工程师在设计时能得到相关产品领域专业知识的帮助,从而提高产品的设计和创新能力。
3、基于知识的白车身设计方法
汽车车身设计过程是一个建立在工程师丰富的开发经验以及集合专业性知识基础上的创造性思维过程,同时也是在现有经验知识基础上的进一步积累创新,即是一个包含了对知识的继承、集成、创新和管理的过程。
众所周知,车身的大型覆盖件一般都是自由曲线曲面构成的复杂空间形状,很难像机械实体零件一样进行参数化。以典型的四门车身侧围外板为例至少需要约100个参数以及至少20个以上的基本几何输入才能进行相对完整的描述,而且这些参数和几何输入之间又存在着相互依存相互影响的关系。所以,车身侧围不仅仅是一个单纯几何体,它还是一个非常复杂的参数化系统。
虽然车身的零件如此复杂,但通过仔细分析并结合专家的经验,发现每个零件都有基本的参数,基本的几何输入以及主截面信息这些共同点。基于上述的分析,本文采用了“分区分层”的方法来实现车身零件的参数化设计。
3.1 白车身零部件结构参数化的“分区法”
以车身侧围外板为例,几乎每种车型的尺寸和结构都是不同的。在车身侧围的参数化设计工具开发过程中,应该怎样处理才能使零件原型提供最大的柔性,足以涵盖大部分典型结构,同时为将来的进一步修改留有余地。
采用“分区法”解决了的这个问题,其基本思路是将车身侧围进行分割:结构相对独立且具有共同截面信息的区域划分为一块;各个结构的过渡区域划分为一块。这样整个车身侧围就可以变成多个区域的柔性组合,然后比较容易单独构建并控制每个区域的结构,使得车身侧围变成一个全参数化灵活可变的零件原型。
典型的四门车身侧围外板采用“分区法”可以分成七个区,如图3所示。分别对应侧围外板A柱上部、A柱下部、B柱上部、B柱中部、B柱下部、C柱上部和C柱下部。
图2 车身侧围外板的分区
3.2 白车身零部件结构参数化的“分层法”
图3展示了车身零件参数化控制结构的不同层次已经各层组件之间几何链接的关系。
图3 分层控制结构
Level 0(总体架构层),这个存放一些基本曲线和曲面,用来定义车身零件的主要部分。
Level 1(驱动几何层),这个层包含了一些文件来对应总体架构层的每个输出。可以导入新的造型曲面或者其他一些基本几何元素。在驱动几何层,有一些部件文件包含有车身结构主断面的草图信息,其中存储了用于创建下游部件的截面参数。
Level 2(关系层),这个层里的文件可以基于如上所述的主要特征,创建与主截面相关的曲面。
Level 3(区域收集层),用划分区域的方法来控制主截面之间的过渡部分,而且可以从关系层收集所有信息用于创建过渡部分。
Level 4(区域建模层),通过Trim和Fillet的方式,在各个区域之间建立过渡结构。其尺寸和相关性通过主截面中的参数控制。
Level 5(部件层),收集所有区域建模层的不同部件到相应的一个部件里,并最终缝合成一个片体,然后将次片体链接到产品总体结构中。
这种分层的控制结构是实现车身覆盖件结构参数化的核心方法。层与层之间设计信息的传递与控制是通过UG/WAVE LINK技术和引用部件间表达式(Inter Part Expression)来实现,使得白车身变成了一个有机的全参数化的KBE模型。分层控制的思想体现了车身正向设计由粗到细、由简单到复杂的设计原则。
3.3 车身零件结构断面知识的获取与管理
白车身的复杂性决定了描述其结构形式的特殊性。机械实体零件可由若干基本几何体组合而成,而车身零部件一般是由若干结构断面这种特殊的方法来来描述其结构细节。每一个结构断面包括设计尺寸、圆角大小,翻边长度以及相邻零件相关信息,因此,结构断面是白车身参数化设计工具的基本知识来源。
而如何获取和管理知识(主要是典型结构断面信息),则是实现基于知识的白车身参数化的重要问题。每一种车型都有典型的结构断面,这些知识的获取可以从工程图纸、设计手册、工程师经验以及参考现有同类车型得到,并根据专家的意见加以进一步的提炼与总结,得到最终的参数化的结构截面。
图4以车身侧围外板A柱结构断面为例,表示了知识的获取与知识的表示流程。
图4 知识的获取与表示
对结构截面知识的存储和管理主要通过UGS/NX平台的内部电子表格(UG/spreadsheet)和向导式界面(UG/Wizard UI)来实现,如图5所示。描述结构断面的所有参数都以表达式(Expression)的形式存储在系统的电子表格里形成知识库。
图5 知识的存储与管理
对于车身侧围外板来说,知识库包括七大区域共六个典型截面结构的140个参数。对知识库的管理和访问主要是引用或编辑电子表格里的表达式来实现。知识库里的表达式与KBE三维模型密切联系,当表达式的值改变,就整个KBE三维模型就会相应更新。
UGS/NX Wizard UI 是UGS/NX软件开发平台提供的一种具有向导式功能的界面。它与传统的UI界面相比,具有如下优点:
1). 界面友好,有准确的提示语句和直观的图形来指导用户工作。
2). 严格控制操作流程,严格区分生成和编辑两个状态,出错机会降低。
3). 向导式的操作界面之间可任意跳转,便于灵活编辑。
向导式界面流程严谨清晰,参数和几何体的输入简单,模型的修改和编辑方便,适合把工程师对白车身的传统设计流程固定下来,这也是一个知识的积累和总结的过程。
4. 应用实例
以一个复杂的车身零件(四门车的侧围外板)为例,来验证基于知识的白车身参数化的思想和方法。
4.1 定义几何输入
设计软件模块工具的几何输入主要是通过从软件图形窗口拾取,并存储在数据结构里。四门车身侧围外板的几何物体输入包括前/后门洞线、前/后门洞面、腰线、门开口线、B柱外表面、冲压方向、前门上下铰链点等。
4.2 定义截面参数输入
设软件的参数输入主要是侧围的各分区典型断面的尺寸参数数值,如图6所示。用户还可以定义自己的截面库,以适合各种车型的特殊结构。
图6 截面参数输入
4.3 设计流程
软件的设计流程如图7所示。
图7 设计流程
4.4 设计输出
此软件工具的设计输出结果是一个四门车身侧围外板的装配结构,此零件的装配结构与本文所阐述的“分区分层”思想是一致的。
图8显示了软件最后输出的车身侧围外板全参数化模型。
图8 输出的模型
5、结论
在车身概念设计阶段,基于知识的汽车车身侧围设计工具能快速生成完全参数化的侧围原型零件。该原型零件内嵌了车身设计的专业知识和专家的经验,成功实现了车身侧围设计过程的参数化、自动化。运用基于知识的白车身参数化方法和思想可以很容易应用到车身其他零部件中,从而开发出基于知识的白车身结构参数化设计系统,使用该系统可提高白车身设计效率,大大缩短整个车身的开发周期。
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