（机械制造及其自动化专业论文）基于参数化的客车总体虚拟模型设计的研究及实践.pdf

中文摘要 _ _ - _ _ _ _ * _ 一 摘要 随着计算机网络技术和基于i n t e r n e t 环境下协同设计与制造技术得以迅速发 展，传统的制造业，特别是汽车制造业直接受到以信息化和数字化为代表的先进 技术的严峻挑战，因此虚拟产品开发在设计上的方便性、对市场需求响应的快速 性成为产品设计技术研究的一个热门课题。参数化设计就是其主要的实现手段， 作为一种先进的产品开发技术，正在越来越广泛地应用到新产品开发中去，成为 企业产品开发的有力工具。本人研究的课题也就是为了提高总体设计的智能化和 自动化程度，在基于u g 平台下，对客车整体进行参数化虚拟设计，并对一些相 关的方法进行理论研究。 对基于虚拟设计的总体参数化设计的原理与方法进行了研究。通过概述虚拟 产品设计的概念、特点、内涵，提出它在制造业中的地位和全面应用。研究了参 数化设计的方法，对于参数化设计的关键技术约束进行了详细分析。深入探讨了 参数化约束建模的过程，总结了在u g 平台下的建模方法。 在分析了虚拟设计和参数化设计的理论方法后，通过对客车造型特点的描述， 理论研究了自由曲线曲面的表达方法及算法，包括b 6 z i e r 曲线和曲面，b 样条方 法以及非均匀有理b 样条( n u r b s ) 曲线和曲面的讨论；总结了自由曲线曲面造 型方法及光顺评价；对客车虚拟模型曲面造型的关键技术曲面倒圆的算法和方法 进行了研究；同时初步探讨了虚拟模型的渲染技术。 研究了客车总体参数化模型构造的过程。在介绍了客车总体参数化模型的两个 设计过程：b o 怕m u p 和t 0 p _ _ d o w n 概念的基础上，进一步的研究了参数化、全 相关模型的设计技术，探讨了w a v e 技术的建模特点和实施要素，在此理论依据和 具体实现的关键技术平台上，提出了基于w a v e 技术的客车总体参数化模型构建的 框架流程。 结合某交通研究所的一项科技攻关项目，“基于参数化技术的客车总体虚拟模 型设计”这一课题的具体实施方法和应用情况进行介绍与讨论。通过理论联系实 际，在工程实践中验证了本文的研究内容和研究方法。 关键词：虚拟设计，参数化设计，自顶向下设计，w a v e 技术 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h es p e e d yd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g ya n dc o o p e r a t i v e d e s i g n a n dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yu n d e ri n t e m e t ，t r a d i t i o n a lm a n u f a c t u r i n gi s c h a l l e n g e db y a d v a n c e dr e p r e s e n t a t i v et e c h n o l o g y , e s p e c i a l l ya u t o m o b i l em a n u f a c t u r i n g s ov i r t u a l d e v e l o p m e n tb e c o m e sh o tt o p i c i nt h ef i e l do fp r o d u c td e s i g nr e s e a r c h b e c a u s eo fi t sc o n v e n i e n c ei nd e s i g na n di t ss p e e d i n e s si nr e s p o n s et om a r k e td e m a n d p a r a m e t e r i z e dd e s i g ni st h e i m p o r t a n tm e a n s a sa d v a n c e dd e s i g nt e c h n o l o g y o f p r o d u c t ，p a r a m e t e r i z e dd e s i g nh a sb e e nw i d e l ya p p l i e dt om a n u f a c t u r i n gf i e l da n dh a s b e c o m et h em o s te f f e c t i v et o o lo fp r o d u c td e v e l o p m e n ti ne n t e r p r i s e t h i st h e s i s a d d r e s s e st h et h e o r ya n dm e t h o d so f p a r a m e t e r i z e d v i r t u a lb u sg e n e r a ld e s i g nb a s e do n u g a s t u d yo fp a r a m e t e r i z e dd e s i g nb a s e d o nv i r t u a ld e s i g ni sp r e s e n t e d t h ec o n c e p t ， c h a r a c t e r i s t i c sa n dm e a n i n go fv i r t u a ld e s i g na r ei n t r o d u c e db r i e f l y , a n dt h es t a t u sa n d f u n c t i o no fi ti nm a n u f a c t u r i n ga r er e v e a l e d t h em e t h o do f p a r a m e t e r i z e dd e s i g ni s d i s c u s s e d ，a n dt h ec o n s t r a i n tt h a t i st h ek e yt e c h n o l o g yo fp a r a m e t e r i z e dd e s i g ni s a n a l y z e di nd e t a i l t h ep r o c e s so f p a r a m e t e r i z e d c o n s t r a i n tm o d e l i n gi sd i s c u s s e d d e e p l y a f t e rt h a tt h em o d e l i n gm e t h o di nu gi sc o n c l u d e d a f t e r a n a l y z i n gt h et h e o r e t i c a lm e t h o d o fv i r t u a ld e s i g na n d p a r a r n e t e r i z e dd e s i g n ， t h ea u t h o rs u m m a r i z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fb u sm o d e l ，i n v e s t i g a t e se x p r e s s i o nm e t h o d a n da l g o r i t h mo ff r e e f o r mc u r v ea n ds u r f a c e ，i n c l u d i n gb d z i e r , b - p l i n ea n dn u r b s c u r v ea n ds u r f a c e s t h em o d e l i n gt e c h n o l o g ya n ds m o o t h n e s sa n a l y s i sa r er e v e a l e df o r f r e e f o r mc u r v ea n ds u r f a c e t h e a l g o r i t h m o fb l e n di sd i s c u s s e dt h a ti st h e k e y t e c h n o l o g yo fb u sb o d ym o d e l i n g ，m e a n w h i l et h et h e s i sm a k e sp r e l i m i n a r ye x p l o r a t i o no f r e n d e rt e c h n o l o g y t h ep r o c e s so f c o n s t r u c t i n gb u sg e n e r a lp a r a m e t e r i z e dm o d e li si n v e s t i g a t e d t h e t w od e s i g np r o c e s so f m o d e l i n gm e t h o d so fb o t t o m - u pa n dt o p - d o w na r ep u tf o r w a r d ， t h e np a r a m e t e r i z e dm o d e ld e s i g ni sd i s c u s s e d t h ec h a r a c t e ro fm o d e l i n ga n dt h e i m p l e m e n t f a c t o rt h r o u g hw a v e t e c h n o l o g ya r ea n a l y z e d a c c o r d i n ga st h i st h e o r ya n d k e yt e c h n o l o g y , t h ef r a m ef l o wo fc o n s t r u c t i n gb u sg e n e r a lp a r a m e t e r i z e dm o d e li s p r e s e n t e db a s e do nw a v et e c h n o l o g y w i t ht h e p r o j e c t t h e b u sg e n e r a lv i r t u a ld e s i g nb a s e do np a r a m e t e r i z e dd e s i g n ” i i i 萤庆大学硕士学位论文 s u p p o r t e db y a nc o m m u n i c a t i o ni n s t i t u t e ，t h ea u t h o rs u m m a r i z e st h er e a l i z a t i o nm e t h o d i nd e t a i l ，p u t si ti n t op r a c t i c e ，a n dp r o v i d e ss o u n d p r o o f f o r t h ev i e w p o i n t si nt h et h e s i s k e y w o r d s ：v i r t u a ld e s i g n ，p a r a m e t e r i z e dd e s i g n ，t o p d o w nd e s i g n w a v e t e c h n o l o g y 1 绪论 1绪论 1 1 国内外制造业新产品开发模式现状及发展趋势 自2 0 世纪7 0 年代以来，世界市场由过去传统的相对稳定逐步演变成动态多 变，由过去的局部竞争演变成全球范围内的竞争；同行业之间、跨行业之间的相 互渗透、相互竞争日趋激烈。随着w t o 的加入，我国制造业已经不可避免地加入 了国际竞争，将面临更加严峻地挑战。为了适应迅速变化地市场需求，提高市场 竞争能力，现代的制造企业必须解决t q c s 难题，即以最快的上市速度( t - - t i m e t om a r k e t ) 、最好的质量( q - q u a l i t y ) 、最低的成本( c - c o s t ) 和最优的服务( s s e r v i c e ) 来满足不同客户的需求i ”。因此，新产品开发的时间和产品质量将是企 业立于不败之地的关键。 新产品开发模式就是用现代的、高科技的手段和技术来改造传统的产品设计方 法，从而建立起一套适用于现代社会的产品设计方法。其核心内容大致可分为以下 几个方面：( 1 ) 数字化产品在其生命周期内的数字化建模是现代设计方法的关键 技术之一，它包括全局产品的信息定义，要用计算机来支持产品生命周期的全过 程，就必须用计算机能理解的方式给出产品生命周期全过程的数字化定义：产品 的数字化工具，即广义的计算机辅助工具，它能将产品信息自动数字化；产品数据 管理，即用计算机对产品开发与生产全过程中的大量数字化信息进行全面的管理与 控制。( 2 ) 并行化它是 在计算机软硬件支持的 信息共享基础上，采用团 队工作模式，可在异地进 行设计开发的一种现代 设计方法与手段。它有助 于实施强强联合，优势互 补，极大地提高企业的产 品设计开发能力。( 3 ) 智 能化是指现代设计方 法及技术中越来越明显 的智能化倾向：它能使 设计开发人员不必了解 图1 1 产品设计的演变过程 f i g 1 1t h ee v o l v e m e n to f p r o d u c t d e s i g n 设计开发低层的全部细节，而由计算机智能的设计并最终制造出合乎要求的产 品；设计系统具有自动获取新知识，并丰富自己的能力。( 4 ) 集成化是指现代设计 重庆大学硕士学位论文 系统不再是单一的c a d 、c a m 或c a p p 系统，而是支持产品生命周期全过程的现 代设计集成系统j 。 随着计算机网络技术和基于i n t e m e t 环境下协同设计与制造技术得以迅速发 展，出现了虚拟产品开发技术。虚拟产品开发技术将产品开发过程全球数字化， 用计算机模拟整个产品的开发过程，在计算机中进行产品设计、分析、加工等过 程可以减少因制作物理模型所消耗的人力、物力和时间，同时提高质量，降低成 本，保证新产品开发一次成型，增强企业快速适应市场变化的能力。虚拟设计就是 其主要的实现手段，作为一种先进的产品开发技术，正在越来越广泛地应用到新 产品开发中去，成为企业产品开发的有力工具。图1 1 是产品设计的演变过程。 虚拟产品开发平台的结构框图如图1 2 所示。其中虚拟产品开发体系的关键技 术包括数字化产品建 模、产品开发过程和产 品数字化仿真三个方 面3 1 。其中数字化产品 建模是基础，它所产生 的数字产品模型是进 行其它各项工程分析 和仿真的基础，而数字 化产品建模以及在设 计过程中修改产品数 字模型的时间在虚拟 产品开发过程中所占 的比例也是很大的。同 时在设计时采用虚拟 产品参数化设计方法， 对某类产品建立参数 化的产品数字模型，成 为了现代设计的一种 趋势。 市场需求分析 产品概念设计 满足市场需求 产品参数分析 产品并行设计 ( 初步设计) 满足要求 产品并行设计 ( 详细设计) 产品工艺分析 工艺过程模拟 满足要求 产品制造模拟 生产条件与生产准备模拟 制造 用户 图1 2 虚拟产品开发平台结构框图 f 讵1 2t h es l m c t u r a lf r a m eo f v i r t u a lp r o d u c t 2 1 绪论 1 2c a d 技术在客车造型设计中的应用 从7 0 年代到8 0 年代，c a d 技术经历了曲面造型技术和实体造型技术，自此 实现了三维实体造型。实体造型技术能精确表达零件的绝大多数属性，在理论上 有助于统一c a d 、c a e 和c a m 的模型表达，给设计带来了极大的方便。图1 3 是一个c a d 技术的发展过程。曲面造型技术是c a d 技术的第一次革命，因为它 c a - d r a w i n g d r a f t i n g 2 d 绘图系统 三视图算法 第一次c a d 技术突破 贝赛尔算法应用：3 d 曲面造型系统 。群器雒箨濉毳篓餐瓣箨s 前 c a d a m 软件 5 0 年代6 0 年代7 0 年代8 0 年代9 0 年代 口 a u t o c a d 软件 c a d a m 软件 c a t i a 软件 去除油泥模型法 c v 、u g 、s u r f e u c l i d 、卜d e a s 第勰破 訾嘉嚣铺 实体造型技术 j 。8 “墨蒹“。 第三次c a d 技术突破 特征参数化技术 参数化实体造型 p r 0 e n g i n e e r i n g c a t i a 、s d r c 、 c v 、u g 等璺娑器璧；：l 耋肆i d e a s 的改写及其变形 变量化设计技术j 舯叫以习微* 爻肜 集成化 技术 智能化 技术 并行化 技术 图1 3c a d 技术的发展过程 f i g1 3t h ed e v e l o p m e n ti o d d c e s so f c a d 可视化 技术 网络化 技术 的出现改变了以往只能借助油泥模型来近似表达曲面的落后的工作方式，使汽车 的开发手段与旧的模式相比也有了质的飞跃，新车型的开发速度大幅度提高，许 3 重庆大学硕士学位论文 多车型的开发周期由原来的六年缩短到只需三年左右。实体造型技术被称作c a d 技术的第二次革命，随着世界上第一个完全基于实体造型技术的c a d 软件i - d e a s 的出现，促使了实体造型技术的产生。 这两次c a d 技术革命，以及计算机技术的进步，硬件性能的不断提高和价格 的大幅降低，给c a d 技术的广泛应用带来了极大的推动。在8 0 年代中期，一些 公司重新设计新的c a d 系统，它在系统结构、集成化程度、特征造型和参数化设 计等方面作了很多改进。最具代表性的有美国p t c 公司推出的p r o e n g i n e e r 系统， 它的最突出的特点是参数化造型技术。可以说，参数化造型技术是c a d 技术发展 史上的第三次革命。其主要特点是：基于特征，全尺寸约束，全数据相关，尺寸 驱动设计修改。 总结约4 0 年的c a d 技术的发展历史，各阶段的主要技术特点为： 2 0 世纪6 0 年代二维、三维线框造型； 2 0 世纪7 0 年代自由曲面造型； 2 0 世纪8 0 年代中期至今基于约束的实体造型 目前流行的c a d 技术基础理论主要是参数化造型理论和变量化造型理论两大 流派，它们都属于基于约束的实体造型技术。参数化技术的成功应用，使它几乎 成为c a d 业界的标准，越来越多的应用到工业的发展中。c a d 技术在制造业中 的应用，有效的推动了汽车行业的前进，多年来，汽车业的c a d c a e c a m 系统 的造型一直是c a d c a e c a m 技术发展的风向标。 我国汽车c a d 工作已经开展多年，特别是轿车工业的c a d 成果显著。开展 c a d 工作的大、中型客车企业也相当多。长远看，c a d c a m 是客车设计与制造 的必然趋势，是否采用c a d c a m c a e 不仅标志着汽车设计的水平，也标志着产 品竞争能力的强弱。据了解，目前国内开展c a d 工作的大、中型客车行业投入了 大量人力、物力和资金，取得了定效果。如扬州客车制造总厂也投入相当多资 金，着手进行c a d 工作，进行产品开发，模具设计等，从而加快了产品开发速度， 提高劳动效率。 1 3 参数化设计在虚拟设计技术中的地位和作用 参数化设计( p a r a m e t r i c ) ( 也叫尺寸驱动d i m e n s i o n - d d v e r d 是c a d 技术在 实际应用中提出的课题【4 】，它不仅可使c a d 系统具有交互式绘图功能，还具有自 动绘图的功能。目前它是c a d 技术应用领域内的一个重要的、且待进一步研究的 课题。利用参数化设计手段开发的虚拟产品设计系统，可使设计人员从大量繁重 而琐碎的绘图工作中解脱出来，可以大大提高设计速度，并减少信息的存储量。 参数化可以说是新一代智能化、集成化c a d 系统的核心技术之一。参数化是 4 1 绪论 集成型系统的一个必然要求，也是集成型设计到智能型设计发展的一个重要环节 1 5 。在新产品的开发与制造过程中，三维几何造型技术已得到广泛应用，但计算机 建模的工作量很大，如果遇到要修改结构的情况，对每个零件的c a d 造型需要从 头开始进行，造成资源的极大浪费。为能解决这个问题，产生了产品造型参数化 技术，依据实际需要，对设计造型模型进行加工处理，建立起可以通过更改参数 以得到不同系列和不同结构的产品的模型，从而不必人工一个个重新进行c a d 模 型。在实际设计过程中，产品结构基本拓扑形式在大部分的情况下不会有太大的 改变，用参数化造型技术可以很快开发出系列新产品。 在应用虚拟设计技术进行新产品开发的过程中，参数化的的产品开发技术已 经起着越来越重要的作用。基于对整个产品生命周期的全盘考虑，在产品设计阶 段采用参数化的设计手段，可以很好地对产品的总体设计进行控制，从而达到新 产品开发的功能要求。 参数化设计极大地改善了图形的修改手段，提高了设计的柔性，为初始设计、 详细设计、产品模型的修改、多方案比较和动态设计提供了强大的手段，在概念 设计、动态设计、实体造型、装配、公差分析与综合、机构仿真、优化设计等领 域发挥着越来越大的作用，体现出很高的应用价值，能否实现参数化成为评价c a d 系统优劣的重要技术指标。 在利用虚拟设计技术进行产品设计尤其是复杂产品开发时，参数化设计就显 得尤为重要。任何复杂的产品都是在一定的关键部件的联接和一些关键尺寸约束 下的细化和分解的结果。为维持设计的完整性和设计意图的贯彻，参数化、全相 关的产品开发技术提供的设计平台，并将概念设计与详细设计的变化自始至终地 贯彻到整个产品的设计过程，它通过定义几何形体的框架和关键设计变量来取得 可重复利用的设计模板。利用此技术使得高级虚拟产品设计的定义、控制和评估 成为可能。因此参数化设计是虚拟设计的一个发展方向。 1 4 本文的研究背景和学术意义 本论文的研究背景是“基于参数化技术的客车总体虚拟模型设计”项目的实施。 虚拟设计技术已经成为当今活跃、前沿的研究领域，虚拟设计技术在客车中 的应用实际上是在制造业领域中的应用，虚拟设计代表了种全新的制造体系和模 式。由于客车总体设计是客车设计中最为关键的阶段和工作，它决定了客车设计 的方向和制造成本，也就是说决定了客车设计的成败，同时好的总体设计所用的 时间和费用占全部设计的6 0 以上，因此缩短客车新产品设计时间和提高客车新 产品总体设计质量就成为客车行业科技攻关的首要任务之一。 本人研究的课题也就是为了提高总体设计的智能化和自动化程度，在基于u g 5 重庆大学硕士学位论文 平台下，对客车整体进行参数化虚拟设计，并对一些相关的方法进行理论研究。 课题的选题在理论上具有创造性，涉及的内容也具有一定的实用意义。本文的研 究成果可以大大短缩客车总体设计时间和提高总体设计质量，由于建立的相关联 的参数化三维模型，所以事实上后续的详细设计效率和质量也会得到大为提高。 一个企业的客车新产品开发由于考虑到企业的生产条件和产品设计的通用化 程度，因而有很强的继承性，总体设计也不例外。大部分的设计主要是基于以往的 各种工程知识和实例来重复设计，并在此基础上通过知识的推理实现一部分的创 新设计。所以本课题的研究目的是为了产品总体设计的通用性、继承性提出了一 种解决方案。综合的运用了虚拟设计、参数化设计、w a v e 技术等一系列科学知 识和专门知识，从产品总体的角度来探讨虚拟产品参数化设计技术，实现了总体 设计的人工智能和产品开发相结合，同时，本课题所建立的三维数字化关联主模 型，大大提高了概念设计和详细设计效率和质量，缩短了总体设计的时间和提高 了总体设计的质量。 1 5 本文的主要内容和结构 本文的主要研究对象是：基于参数化的客车总体虚拟模型设计的研究及实践。 主要是针对虚拟产品参数化开展研究，目前国内外的参考文献和相关资料中， 所论述的参数化设计通常都是局限于零件或部件的几何参数化，而本文的目的在 于从产品总体的角度来探讨虚拟产品参数化c a d 建模技术，包括虚拟产品设计的 特点，参数化设计的实现，客车虚拟模型建立等技术。 本文研究的内容主要是以下几个方面： 虚拟产品设计 对于代表全新的制造体系和模式的虚拟产品设计，已经渐渐的实践于各个企 业中a 虚拟产品设计是以计算机仿真和建模为基础，由计算机图形学、人工智能、 并行工程、协同技术等多种学科知识组成的综合系统技术。本文主要研究了虚拟 产品设计的特点，它是以产品数字模型为基础，以客户的需求为驱动，缩短用户 和产品原型的距离，让需求渗透于产品生命周期的各个阶段中去。 基于虚拟设计的总体参数化设计技术 参数化设计是产品设计的一种趋势，它是基于约束的设计方法和一种参数驱 动机制。用一组参数来定义几何图形尺寸变动时自动更新图形。本文主要研究了 参数化设计的特点，参数化设计基本思想和参数化设计实现方案的过程。详细介 绍了参数驱动、总体造型设计等参数化设计实施技术和参数化设计在总体设计中 的实现。 面向虚拟设计的客车模型设计技术的研究 6 1 绪论 客车车身结构复杂，一般由前围、风窗玻璃、顶盖、侧围、侧窗、后围和后 窗玻璃等几个复杂的自由曲面构成，每个曲面的外廓则是设计人员在造型的基础 上通过反复拟合而得到的，所以它的三维表达则是一个关键的研究内容，本文针 对于客车车身的特点和其造型要求，从图形学的角度入手，研究了自由曲线曲面 造型理论方法和自由曲线曲面造型的意义，研究了客车三维模型中曲线、曲面造 型的关键技术。 基于参数化的客车总体虚拟模型的建立 面向总体参数化设计的产品模型是一个关于设计环境下的共享数据模型，并与 总体设计过程的各个阶段全相关的。从整个设计过程来看，总体设计是从无到有， 采用自项向下的规划。而w a v e 技术是美国e d s 公司结合其c a d c a m c a e 一体 化软件u n i g r a p h i c s 提出的全新的总体参数设计技术。w a v e 技术将系统级的概念 设计与零部件级的详细设计有机地结合在一起，实现设计参数自上而下地驱动，使 设计师的设计意图自动地贯彻到整个产品设计过程之中。在此理论依据和具体实现 的关键技术平台上，提出了基于w a v e 技术的客车总体参数化模型构建的框架。 本文的结构安排如下： 第一章：绪论。阐述国内外制造业新产品开发模式现状及发展趋势；分析了 c a d 技术在客车造型中的应用；阐述参数化设计在虚拟设计技术中的地位和作用； 介绍了本文的研究背景和学术意义；介绍本文的主要内容和结构。 第二章：基于虚拟设计的总体参数化设计的原理与方法研究。阐述了虚拟产 品设计的特点和内涵；以及阐述了参数化设计的方法研究；详细探讨了基于约束 的参数化建模。 第三章：客车虚拟模型设计技术的研究。分析了客车车身造型的特点；在计 算机图形学的理论基础，对车身曲面造型有关的自由曲线曲面技术进行了研究： 提出了客车车身曲面造型的关键技术；最后介绍了客车模型的渲染技术。 第四章：基于参数化技术的客车总体虚拟模型设计的研究。对客车总体参数 化模型进行了概述，提出了两种设计过程：详细研究了参数化、全相关模型的设 计技术，介绍了w a v e 建模技术的思想及实旌；探讨了w a v e 技术在客车总体参 数化设计中的应用，其中主要研究了客车总体参数化设计的基本策略和设计流程。 第五章：工程实践。对本人所从事的“基于参数化设计的客车总体虚拟模型设 计系统”课题的具体实施方法进行介绍。 第六章：结论。对本论文进行总结。 7 重庆大学硕士学位论文 1 6 本章小结 本章首先阐述了国内外制造业新产品开发模式现状及发展趋势，指出了虚拟 设计和参数化设计是新产品开发的关键技术。接着论述了参数化技术在虚拟设计 的地位和作用，同时阐明了本论文的研究背景和学术意义。最后介绍了本文的主 要内容和结构。 8 2 基于虚拟设计的总体参数化设计的原理与方法研究 2 基于虚拟设计的总体参数化设计的原理与方法研究 随着市场竞争的加剧，新产品的开发时间成为制造企业能否在市场中立足的 关键，“多品种、小批量、无库存”的生产模式成为企业追求的目标。以往传统的一 些设计理论和设计手段就显得力不从心了，用新的设计理论和设计工具来支撑新 的要求下的产品设计成为必然，因而在客车造型设计中虚拟产品设计技术和参数 化技术成为设计理论与技术的重要研究前沿。 2 1 虚拟产品设计概述 2 1 1 虚拟产品设计 虚拟产品设计( v i r t u a lp r o d u c t d e s i g n ) 是制造业研究领域中的一个重要内容， 是以计算机仿真、建模为基础，集计算机图形学、智能技术、并行工程、虚拟现 实技术和多媒体技术为一体，由多学科知识组成的综合系统技术。它是现实产品 开发环境下的映射。它将现实产品开发环境和全过程的一切活动及产品演变成基 于数字化的模型，对产品设计的行为进行预测和评价。 虚拟设计( v i r t u a ld e s i g n ，v d ) 根本上改变了设计、制造的传统模式，这项 技术对缩短产品开发周期，节省制造成本有着重要的意义。当今在不少大公司的 产品设计中都采用了这项先进技术，例如通用汽车公司、波音公司、奔驰公司、 福特汽车公司等。虚拟设计的虚拟性的含义如图2 1 所示【6 】o 从涉及的技术领域和 功能来分，可以分成广义和狭义的虚拟设计。 虚 拟 设 计 的 虚 拟 性 网络化和并行方式进行产品的数字表达和信息交互 可视化技术和仿真技术进行产品的评估与分析 图2 1 虚拟设计的虚拟性含义 f i g2 1m e a n i n g so f v i r t u a l i t vi nv i r t u a ld e s i g n 在广义上，是利用虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ) 技术发展而来的一种以机械产品 9 重庆大学硕士学位论文 为对象的新的设计手段。虚拟现实技术，是基于自然方式的人机交互系统，利用 计算机生成一个虚拟环境，并通过多种传感设备，使用户有身临其境的感觉。在 狭义上，就是不采用虚拟现实技术的设备所进行的虚拟设计，着重于实现对产品的 数字化方面，它是以利用先进c a d ( 计算机辅助设计) 技术建立起来的主模型为 中心，将其扩展衍生到产品生命周期的不同阶段，建立与物理样机相一致的数字 化仿真模型，并对该模型进行评估和测试，通过对不同候选模型的筛选、更改和 优化将设计思路转化为正确的数字模型【7 l 。从本质上讲，虚拟设计是将产品从概念 设计到投入使用的全过程( 产品的生命周期) ，是在计算机上构造的虚拟环境中虚 拟地实现。本文主要讨论的虚拟设计技术只是局限在狭义的虚拟设计技术范围内。 2 1 2 虚拟产品设计的特点 8 1 虚拟产品设计必须以需求为驱动，让客户直接参与产品开发过程，从而缩短用 户与产品原型的距离，将客户需求转换成产品的功能特征和设计指标，并将这些 特征与指标分配到产品开发的各个阶段中去，运用产品全生命周期的数字化模型， 保证产品开发的时间、成本和质量，提高企业快速响应用户虚拟和开拓市场的能 力。 虚拟产品设计是由各个“虚拟”的产品开发活动组成，由“虚拟”的产品开发组织 来实施，由“虚拟”的产品开发资源来保证。因此同传统的设计方法相比，虚拟产品 设计具有以下主要特点： 系统性在产品开发的初期要通盘考虑产品全生命周期的属性表现以及开 发全过程各环节的功能活动。 并行性利用并行开发机制，使开发活动并行运行，缩短产品开发周期、 并及早的考虑到产品生命周期中所有环节的问题。 开放性其结构由结构化建模与仿真模块组成，各模块具有细分的功能组， 且模块问具有柔性接口，以利于以小组形式开发模型类和仿真服务，也有利于仿 真执行中的并行处理。 经济性产品开发重视经济效益，通过各个功能成本关系模型，反映开发 活动中的显形成本和隐性成本。 形象性通过多媒体技术，形象直观地监控产品开发过程中的状态和开发 中的产品，并协调开发过程中的活动。 2 1 3 虚拟产品设计的内涵 9 】 采用虚拟技术开发产品是应用计算机技术，在计算机系统内以数字化模型方 式完成产品设计和验证的开发过程。虚拟产品技术的主要构成： 计算机辅助设计及数字化模型计算机辅助设计的核心任务是建立数字化 模型，在计算机中完成的三维产品数据模型可以多次被其它部门或下游部门应用。 1 0 2 基于虚拟设计的总体参数化设计的原理与方法研究 在产品从开始构思到确定方案的设计过程中，要进行适应性的频繁修改直至满足 所有要求为止。 计算机辅助工程在产品开发领域里，计算机辅助工程是通过使用计算机 对产品数字化模型进行虚拟的分析计算、测试和仿真，使设计人员在开发阶段就 能不断地对产品外形和性能进行预测并提出适应于设计要求地更改方案，对优化 设计和加速设计进程具有重要意义。 虚拟现实方法虚拟现实方法能使人身临其境地体验一种产品地几何、工 艺、物理、外形以及环境影响等特征。 人工智能人工智能主要从事有关理解人地思维能力和借助于计算机模仿 或模拟人地思维方面地尝试。人工智能地主要元素使知识表达和知识处理，这些 元素使基于知识地系统中实现。 产品数据管理产品数据管理系统能够为各个不同地c a x 系统之间建立统 一地产品数据模型，为企业信息集成提供统一地框架体系。 同步及并行工程在虚拟技术开发过程中，逻辑上顺序排列地设计阶段及 规划阶段越来越多地让位于时间上平行地方式即同步( s i m u l t a n e o u s ) 及并行工程 ( c o n c u r r e n t e n g i n e e d n g - - c e ) ，尽可能的通过时间上并行处理任务的方式来处理 产品开发任务的方式并更新开发过程。 快速样车技术应用快速成形技术可完成对产品的各方面质量和特性进行 快速有效的评估工作，从而有可能对产品进行面向加工和装配的优化。 虚拟技术由于应用了先进的计算机技术和信息通讯技术使得企业可以打破地 域和空间的限制，将产品开发过程和开发技术进行集成和优化。从图2 2 可以看到， 产品生命周期分为产品开发、产品制造、市场销售三个阶段，在采用虚拟技术的 企业中，产品数字化模型和项目管理贯穿于产品生命周期的始终。由于产品数字 化模型及相关文档是产品构成的基础，从而数据管理具有重要意义，并渗透于产 品生命周期的所有过程和环节。图中产品开发阶段包括产品规划、设计和验证三 个阶段，应用了前面所提及的七个虚拟的产品开发技术，从而使产品开发过程得 到集成，产品质量得到优化，缩短了产品开发周期。 重庆大学硕士学位论文 项目管 理 1 f 产品规划 l ji 管理 孓、 耋并蝴 计 l 、 “、 j 、 t 、婴，、：冬l 产黜i c a ，e j j t ；。、v r ，。， 制造 ；、墨j 。j 产 l 市场 ，悒 e 、 虚拟技术。 产品数字化模型 、一7 f 产品形凇nf ( 产品常螂慨f 1 f 销售及市场n 、 j，e 图2 2 集成化的产品开发过程和产品生命周期 f i g2 2p r o c e s si n t e g r a t i o no fp r o d u c td e v e l o p m e n ta n dp r o d u c tl i f e 2 1 4 虚拟设计技术在制造业的全面应用【l o 】 虚拟设计技术在国内研究和应用还处于起步阶段，应用较少，在发达工业国 家虽然也未能完全取代传统设计方法，但成功地实例已经有很多： 美国波音公司是世界航空航天制造领域的领头羊，因而也是不断提出新的制 造理念和尝试新的制造技术的先驱。公司采用虚拟设计技术开发设计波音7 7 7 飞 机，设计、装配、测试均在计算机中模拟完成，初步做到无纸设计，保证一次试 制成功，成功地将整机产品地设计周期大大缩短。 美国通用汽车公司( g e n e r a lm o t o r s ) 的电力机车分部与e d su o 合作，采用 虚拟产品开发策略开发新型电力机车。产品设计全部使用三维实体模型，设计人 员为用户提供三维数字化机车模型，根据用户具体需要进行修改，并将修改传达 给工程设计部门，进而传递到生产车间。由于产品开发完全数字化，省却了传统 方式需要制造物理模型的时间和物质的耗费，奇迹般地在三年内从无到有设计制 造出先进的电力机车。 1 2 2 基于虚拟设计的总体参数化设计的原理与方法研究 加拿大国际大客车工业公司( m o t o r c o a c hi n d u s t r i e si n t e r n a t i o n a l ) 在设计新型 豪华长途客车“复兴”号时，为了生产出零件更少、更易于装配而且拥有更优良性能 的客车，工厂采用了虚拟产品开发设计，采用e d su g 软件，使整车从概念设计 到生产样车只用了3 9 个月。 在现代制造业汽车的设计流程中，从新车概念设计一直到样车试验，世界上 先进的汽车厂家均使用虚拟技术实旖c a x 开发方案( c a s - c o m p u t e r a i d e ds t y l i n g 、 c a d c o m p u t e r a i d e dd e s i g n 、c a e c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g 和c a m c o m p u t e r a i d e d m a c h i n i n g 等设计方法的统称) 进行产品开发设计。c a x 虚拟开发技术主要 由下列三方面核心技术构成： “数字化模型”战略 在虚拟开发过程中，无缝的数字化的模型始终贯穿产品行为的全过程。用数 字模型代替图纸和实物；用计算机模拟分析结果和传感器反馈电子数字信号的工 作方式代替大量台架试验和道路试验的工作。此基于先进的数字化设计、制造和 技术的理念，提供了从设计、验证、试验、工艺甚至维护与培训全过程的计算机 产品开发方案。采用c a x 方案，运用计算机系统进行综合数字化模型同步设计。 其设计过程比以往开发设计更为有效、速度更高，同时也大幅度提高了产品的品 质。 “虚拟样车”验证及模拟 在数字化模型设计的基础上进行多模式转化并运用计算机硬件和软件进行模 拟分析，如：噪声和振动计算分析；结构动力学和强度计算分析；安全性计算分 析：热能和空气动力性计算分析；整车性能和能量配置计算分析：整车耐久性计 算分析等等。同时对整车的各零部件和总成的数字化模型进行虚拟样车装配和动 态干涉审查：进行虚拟生产工艺和工序流程模拟，以尽早发现产品性能和制造可 行性间的问题并及时给予解决，从而减少生产准备和试生产的调试周期，节省人 力和费用。 网络应用及同步工程 c a x 虚拟方案具有独特的并行工程能力，即通过网络使世界上任何地方的用 户都可以分容易地观察、分析和发布数学模型数据，实现了所有设计者、制造厂 及供应商等都能共享相同地数据库。设计中的数字化模型通过网络使设计师、工 艺师、制造者们能同时进行设计、分析、审查和组装等各方面工作。通过多学科 的开发工作队同时存取、共享同一产品相同级别的设计数据，达到尽早实现最优 化设计和及时体现最佳解决方案的目的。 由此，虚拟技术在现在和将来的汽车开发设计中应用将越来越广泛，作用也 越来越重要。可以得出下列关系式： 1 3 重庆大学硕士学位论文 臣匦巫困+ 臣困 = 臣垂亟墅巫垂巫亟垂妇 客车设计应用中，虚拟设计技术( v d t ) 可以在计算机中实现整车及零部件 的概念设计、造型设计、总布置设计、结构设计等，同时对其性能如刚度、强度、 固有频率、动态响应及使用寿命和噪音等进行模拟分析，以便在设计阶段就发现 问题并尽可能地解决问题，提高设计一次成功率。虚拟设计技术的基础是三维c a d 技术，即建立可视化程度很高的三维数字化主模型。由于设计初期所建立的三维 模型是一个电子主模型，其数据在整个计算过程中都能很好的共享，因而可以直 接对客车产品的性能进行预测、评估，并通过反复迭代，实现客车整体性能在实 际制造前的优化设计。 2 2 参数化设计的方法研究 2 2 1 参数化设计的基本思想 参数化设计作为新一代c a d 系统一个最突出的特点，在c a d 领域受到普遍 重视，成为当前c a d 领域的一个研究热点。 参数化技术是一种基于约束的产品建模方法。所谓参数化设计即是指参数化 模型的尺寸用对应的关系表示，而不需用确定的数值，变化一个参数值，将自动 改变所有与它相关的尺寸。也就是采用参数化模型，通过调整参数来修改和控制 几何形状，自动实现产品的精确造型。对于几何参数模型而言，主要有两个内容： 几何关系和拓扑关系。几何关系是指具有几何意义的点、线、面，有确定的位置 和大小；拓扑关系反映了形体的特性和关系。如几何元素之间的邻接关系。 参数化设计系统的原理如图2 3 所示。参数化设计方法与传统方法相比，其最 大的不同在于它存储了设计的整个过程，能设计出一族而不是单一的产品模型。 参数化设计以其能够使得工程设计人员不需要考虑细节而能尽快草拟零件图，并 可以通过变动某些约束参数而不必运行产品设计的全过程来更新设计。它成为进 行初始设计、产品模型的编辑修改、多种方案的设计和比较的有效手段。 ! 茎王堕塑堡生塑璺堡垒塑垡堡盐塑垦堡兰查鲨堕壅一一 l定义几何尺寸参最 上 i确定几何约束关系 0 表示几何约束关系 上 修改尺寸或输入尺寸 上 几何约束尺寸驱动 图2 3 参数化设计的结构框图 f i g2 3s t 九l c t u r a l 仔a