车辆设计开发技术的发展.ppt

第七章 车辆设计开发技术 的发展趋势 虚拟设计 绿色设计 并行工程 第一节 概述 人类自从发明汽车作为交通工具以来，已 经过去100多年了。但汽车真正进入大的发展 ，是从一战后美国福特公司生产有壳汽车开始 的，一直到现在的电控汽车、导航汽车。 汽车和汽车工业可以说是现代科学技术的 高度结晶，因此，汽车及汽车设计和汽车生产 技术就成了一个国家现代科学技术发展水平的 根本标志。世界各国也因此把汽车工业作为其 经济发展的支柱产业，在这一行业中竞相角逐 ，展开了激烈的竞争。 (1)汽车设计的方式 传统的汽车设计。为经典手工设计 ，即车身造型设计师根据提出的方案进 行整车造型设计，并给出几种模型按照 一定的比例制作出车型木模然后交由 行家评定，经反复修改后确定方案，接 着进行汽车功能匹配设计，经反馈定型 后再接着进行内饰设计，同样经反馈 定型后，进行馅车的试制和试验，论证 修改后进行整车评价，最终定型。 计算机辅助设计。20世纪80年代以 来，计算机技术、通讯技术和控制理论的 飞速发展给汽车设计带来了非常大的变化 ，汽车设计进入了计算机辅助设计(CAD) 阶段，即在汽车设计过程中，用计算机来 代替人的某些工作，如车身造型设计师用 计算机进行设计，汽车技术人员用计算机 进行功能和内饰设计，在试制试验和整车 评价过程中，都用计算机来进行辅助设计 和实验。 计算机全程设计。是指在汽车设计 过程中，由庞大的计算机网络系统来进 行设计、实验和评价。这一方向是今后 汽车设计的发展趋势。它可以大大提高 汽车设计的性价比，使所设计的汽车极 具竞争优势。 (2)整车设计与开发技术过程 汽车的整车设计是汽车产品设计开 发中的一个重要过程，它包括整车总布 置和整车结构、性能分析。 整车总布置设计。三维CAD在当 今的汽车整车总布置中已被广泛应用。 整车结构与性能分析(CAE)。利用 计算机进行整车结构和性能分析是现代 汽车在整车设计开发过程今不可缺少的 重要环节。 (3)现代汽车设计的要求 汽车设计是指一种汽车车型的开发和设 计。它涵盖了从方案提出到模型设计、功 能匹配、试制试验、评价修改，一百列入 式投产前的全部过程。现代汽车的设计要 求如下： 整体匹配。 艺术性设计。 人性化的要求。 (4)现代汽车设计发展趋势： 汽车设计的新概念。 汽车设计的发展趋势之一就是在新概 念车出现后，现代汽车展现了新的造型思 想以及在安全、舒适、油耗、环境等方面 的技术进步，反映时代的精神。显示个性 。 汽车设计全程无人化。 汽车设计全程无人化是汽车设计今后 的重点发展方向。 计算机技术的广泛应用。 第二节 虚拟现实设计 一 概述 “虚拟现实”(Virtual Reality简称：VR)是计 算机相关技术中重要的课题，继多媒体技术之 后，正日益引起汽车产业界开发设计部门的高 度关注。这不仅因为它的概念、理论及其设备 新颖，面且一经实现就表现出了强大的生命力 ，展示出极具应用前景的态势。 发展计算机技术以适应人类在多维空间中的 极强的形象思维能力；采用模拟人类的感知功 能(视觉感知、听觉感知、力觉感知、触觉感 知、运动感知、味觉感知、嗅觉感知等)的多 种传感器技术转换客观数据促进入类处理数据 的能力(多感知性能)等诸类技术已成为新的研 究方向。 虚拟现实技术以共特征：多感知件(Multi Sensory)、交互性(Interaction用户对模拟 环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的 自然程度)、自主性(Autonomy虚拟环境中 物体依据物理定律动作的程度)、临场感 (Immersion)而独树一帜. 二 虚拟现实的概念 Virtual在中国译文出版社的新英汉字 典中有两个注释：“虚的”、“有效的”。最 初，这个词被计算机科学家用在软件运 作上。如，“Virtual memory”(虚拟内存) ，意思是计算机运行的内存仿佛超过了 实际存在的硬件限制。其后，Virtual在计 算机领域的其他方面也有广泛的使用.如“ 虚拟工作站”、“虚拟环境”、“虚拟工厂” 、“虚拟邮件”等等。 国际计算机界首次将虚拟现实用以下三 种基本技术进行了概括： 三维计算机图形学技术； 采用多种功能传感器的交互式接口装置 ； 高清晰度显示装置。 “虚拟现实”一词中的“现实”是泛指 在物理意义上或功能意义上存在的世界上 的任何事物或环境，它可以是实际上可实 现的，也可以是实际上难以实现的或极本 无法实现的；“虚拟”一词是指用计算机生 成的意思。 （1） 虚拟现实(VR)系统的结构 从功能上讲，VR系统可以与外部现实 世界不直接交互，即仟何操作不对外界 产生直接作用。虚拟环境可以是任意虚 构实际上不存在的世界。通常VR系统的 结构如图58所示。 (2)虚拟现实的编辑系统 我们常用的编辑工具中，无论是编辑文章、 图像或者处理数据的工具都是在Windows环境 下采用菜单及图标来运行的。 这其中应用了与VR相关的日趋成熟的技术： 实时三维图形生成与显示技术； 三维声音定位与合成技术； 传感器技术(视觉、触觉、力觉传感器等)； 识别定位技术(语音、二维景物、表情、 手势等)； 环境建模技术(视觉建模、行为建模、 CAD技术等)。 自90年代起，虚拟制造技术研究受到 学术界的重视。虚拟制造实际上可以看 作CADCAECAM集成化发展的最高层 次。 三 虚拟现实技术在汽车开发中的应用 社会的不断发展对汽车商品生产的要 求越来越高，以往的大批量生产方式已经 难以满足人们对商品规格多样化日益增长 的需求，取而代之的将是小批量多规格的 生产方式。由于需要在同一个生产线上装 配不同类型的商品，因此对设计和制造技 术的灵活性(柔性)提出了很高的要求。虚 拟现实技术的投人性和交互性可以很好的 帮助产品的开发和设计。 （1）汽车设计的概念验证 设计和制造一个新的汽车模型是社会需求 不断提出的任务。汽车外形的美观条件必须 满足安全、人类工程程学、生产工艺、装配 、维修等等方向的标准 所以，设计过程要 受到生产、时间以及经费等相互制约条件的 限制。VR系统可以比传统的CAD技术更好的 适应这种要求。上述各种条件可以集成在设 计过程巾，并且可以减少用于验证设计概念 所需的模型的个数。 （2）空气动力学的研究虚拟风洞 虚拟风洞可以让用户看到模拟的空气流 场，感到好像真的站在风洞里一样。虚拟风 洞的目的是让设计师分析多旋涡的复杂三维 性质和效果、空气循环区域气流被破坏时的 乱流等，而这些分析利用通常的数字仿真是 很难实现可视化的。操作时可以将一个汽车 的CAD模型数据调入到该虚拟风洞进行性能 分析。 分析空气流的模式可以通过数据 手套将轨迹追踪物注人到空气流中 ，该追踪物将随气流漂移，并将其 运动轨迹显示给用户CAD数据手套 可以将追踪物投向任意指定的位置 ，用户可以从任意视角观察。 (3)布鲁诺西蒙的成功实践 法国雷诺(RENAULT)汽车公司设计部 的汽车设计师们在造型上采用了崭新的 可视化技术虚拟现实技术。 雷诺汽车公司曾对计算机图形学有着 巨大的贡献。作为计算机造型基础的 BEZIER曲线就是当时任雷诺机械制造部 主任PIERRE BEZIER于1966年发明的。 现在BEZIER曲线已被广泛被用于复杂汽 车车身的曲面设计中。 第三节 绿色设计 （一）绿色汽车成为时尚 但是汽车环保是一项综合而又复杂的工作， 除了排放治理技术外，还包括设计时造材的选 择，结构设计及工艺，强调降低材料用量，降 低能耗、无毒副作用、不污染大气和水质，方 便拆卸和分类，提高材料循环利用率，同时在 生产、运输、管理、使用、维修、报废、回收 等体现环保概念，此外还包括社会公益事业， 使经济效益与生态效益达到完美统一。 （二）、开发“绿色”汽车形势所迫 在过去的100年，内燃汽车已发展到高度完善和精密 阶段，全世界已拥有8亿辆汽车。但随着内燃汽车的发展 ，由于石油是不可再生的能源，也带来重大隐患 w一是资源逐步枯竭， w二是环境污染严重， w三是国家经济安全。 全世界公认，新世纪汽车工业发展的方向是“绿色环保”汽车 。 （三）、“绿色”汽车新内涵 “绿色”汽车不是绿颜色的汽车，而是环保型汽车的 美称。它的基本内涵并非指一般意义的绿色汽车，而 是开发无污染、健康、安全、不会破坏环境和生态、 在特定的技术标准下生产出来的产品。它对汽车生产 基地、汽车能源、汽车尾气的要求，对汽车从生产、 销售到废品回收的整个过程的要求，以及对环境、生 产技术、安全等方面的要求都有一定的国际标准。 w 目前在国际上与“绿色”汽车相类似的名称 有很多，如称之为“环保汽车”或“清洁汽车”等 。虽然叫法不同，但实质上区别不大，都是要 求生产健康无污染的汽车，这是一种既追求保 护环境、提高汽车安全性，又容易被广大消费 者接受的产品。发展“绿色”汽车，也是我们在 可持续发展中找到的一条具有广阔前景的新路 子。当今，“绿色”食品已成为全球共同追求的 新目标和新潮流，同理，“绿色”汽车也将是未 来市场的一太热点，谁拥有“绿色”汽车，谁就 拥有占领汽车市场的主动权。 （四）、“绿色”汽车的类型 1:新型柴油车。柴油机的热效率高，和汽油机相比，可 节省20一25油耗。但是，多年来，柴油机在许多用户 脑海中有一些不好的印象，如噪声较大、尾气冒黑烟、提 速缓慢、冷启动困难等。 2:可变排量发动机。高级小轿车和载重汽车都需装用大功 率的发动机。此种功率强大的发动机，在汽车加速及满负 荷爬坡时十分必要。但是，当汽车在平路上等速运行时， 并无必要采用此种耗油很大的大排量发动机。因此，设计 人员研究开发了一种“可变排量”的发动机，即可按要求提 供排量(使部分汽缸暂时不起作用)的发动机。 3:混合动力驱动车。 w 是在车辆上装有一套内燃机发电机组以及一套 蓄电池组。发电机组中所用内燃机(汽油机或柴油机)， 较同类型的普通汽车上所闻发动机的功率小。这一较 小功率的内燃机，系在最佳工况(热效率最高、尾气排 放污染最小)的条件下作等速运转。 4:燃料电池电动车。 w 采用FCEV燃料电池。丰比汽车公司最新推出的 RAV4以甲醇为燃料，通过燃料电池转换成电能驱动汽 车行驶，由于燃料电他电动车对于节约能源、环境保 护具有明显效果，因此将成为本世纪的主要车型. (五)、环保汽车备受关注 w 目前内燃机技术仍为汽车动力主流 的前提下，降低尾气排放是当今环保技 术的核心。电喷发动机、三元催化等已 是过时的技术，世界各大汽车公司出于 社会环境、能源政策等因素的考虑，早 已在积极开发科技含量更高、更先进的 技术与产品。 (六)、国内外“绿色”汽车产业态势 国外 w20世纪90年代初，美国政府与企业加强合作，投人 巨资与各大汽车公司开展复合动力电动汽车的研制 。随后通用汽车公司开发出复合动力电动汽车。 w1997年美国又开发了一种电动喷气蜗轮复合动 力大客车，并于2000年投放市场 w1996年，福特汽车公司开发出电动汽车，直接使用 氢燃料作为动力 w欧洲近年来提出“明日汽车”的设想，力求使轿车 实现100km耗油3L的目标，并制定了8个城市采 用零排放、低污染车辆的规划。 w法国雷诺公司推出两种型号的复合动力电动汽车 。 w日本日产公司推出电动汽车等。 w美国、日本、英国、德国等国家在电动汽车方面 的发展已形成优势. 国内 w 在未来汽车贸易格局中，“绿色”汽车将是末来 发展新趋势，也必将是未来市场的一大亮点， 谁拥有“绿色”汽车，谁就拥有占领汽车市场的 主动权。而在我国，自“七五”期间就开始进行 电动车的开发研究，到“八五”期末，已经取得 一定成。目前已有60余家单位推出样车，这些 为我国汽车工业的发展带来了曙光。 (七)、“绿色”汽车的发展趋势 w向环保、节能方向发展。 w 向智能化、网络化方向发展。 w绿色制造成为目标。 第四节 并行工程 w 对汽车这样一个大型的系统工程，经济界 提出了各式各样的工程模式。1996年6月日本 丰田汽车公司在北京向各国汽车界介绍了同时 工程(SE:Simultaneous Engineering)的概 念和实施成功的示例。 w 长期以来，汽车开发过程基本上遵循着：“ 调查规划一车形设计一产品设计一试制评价一 生产准备一生产一销售“分段衔接的结构。 对于同时工程存在着以下的缺点： 1产品开发周期长。 2质量保障难度很大。 3不能适应市场急需，各方面的效益自然 会降低。 针对同时工程存在的缺点一些公司提 出了并行工程(C E:Concurrent Engineering)。 世界某些著名的大公司提出了制造系统 的新概念：并行工程(CE:Concurrent Engineering)。 并行工程是集成地、并行地设计产品及 其相关的各种过程(包括制造过程和支持过 程)的系统方法。这种方法要求产品开发人 员在设计一开始就考虑产品整个生命周期 中从概念形成到产品报废处理的所有因素 ，包括质量、成本、计划进展和用户要求 。 w 并行工程的特点是充分重视及优先 考虑用户的需求，认为质量的提高是过 程改进的结果，改进过程、生产和支持 过程是整个企业永无止境的任务，采用 并行工程将使整个企业发生根本的、剧 烈的、影响深远的变革。 w 并行工程的关键是对产品及其相关过 程实行的并行设计，但不是指同时地或 交错地完成设计和生产任务，并行