（机械制造及其自动化专业论文）基于知识工程的客车虚拟总体设计系统的研究与开发.pdf

中文摘要 摘要 车身总体设计在汽车设计中占有极其重要的地位，它直接影响到汽车的整体 设计质量、使用性能和在市场上的竞争力。客车总体设计具有很强的通用性和继 承性，主要是基于自己和别人( 本单位和外单位) 以往的工程知识来进行“重复” 设计，并在此基础上通过相关工程知识的集成、升华和逻辑推理，实现一部分真 正意义上的创新设计。而传统的客车总体设计，由于设计手段和工程知识管理未 能有机地集成与关联，因而对各种工程知识的重复利用率很低，开发周期较长， 设计质量也难以保证，必须在客车设计中引进现代化的设计手段，提高设计质量、 缩短开发周期。 本文首先简要介绍了客车的概念、特点及传统的客车总体设计方法，指出传 统设计方法中存在的缺点和不足，并对市场发展对客车设计提出的新的要求进行 了分析研究。在此基础上，提出了基于知识工程的客车虚拟总体设计的设计思想 和方法，即将客车总体设计与c a d 技术相结合，应用知识工程技术，来实现设计 过程的知识积累、继承和重用。 k b e 技术是基于知识工程的客车虚拟总体设计系统实现的一个关键技术，因 此本文对其进行了重点的研究和论述。首先介绍了k b e 的基本概念和理论，接着 阐述了知识的获取和表达、推理机制和知识库等内容，分析了客车虚拟总体设计 系统的设计特点，并指出在方案中采用k b e 的必要性和可行性，进而将k b e 技 术融合到设计方案中。 系统中k b e 工具的开发平台it g 是本文的另一研究重点。具体内容包括 参数化建模和二次开发。建模方面首先简要介绍了u g 建模的理论基础以及参数 化建模的有关知识，然后根据客车造型的特点提出了客车造型需采用复合建模的 方法。u g 软件中的二次开发模块为系统的软件实现提供了平台，文中对二次开发 各模块的功能做了简述，最后通过实例阐述了二次开发的开发过程。 最后以具体项目为例综合论述了基于知识工程的客车虚拟总体设计系统的工 程实践。文中提出了整个系统的完整的解决方案，以及最终的设计结果。在项目 实际开发中融入了k b e 技术和软件开发方面的技术。 关键词：车身总体设计，知识工程，c a d ，虚拟设计，二次开发 英文摘要 a b s t r a c t o v e r a l ld e s i g no fa u t o m o b i l eb o d yi so fg r e a ti m p o r t a n c ei na u t o m o b i l ed e s i g nb y i n f l u e n c i n gd i r e c t l yt o t a ld e s i g nq u a l i t y , p e r f o r m a n c ef o ru s e r sa n dc o m p e t i t i v ep o w e r i n t h em a r k e t g e n e r a ld e s i g no fc a r sh a ss t r o n gu n i v e r s a la n di n h e r i t a b l ec h a r a c t e r i s t i c s ： e m p l o y i n gb o t hi n t e m a la n de x t e r n a le n g i n e e r i n gk n o w l e d g et or e p e a tt h ed e s i g na n d i m p l e m e n t i n go nt h i sg r o u n da ni n n o v a t i v ed e s i g nt h r o u g hi n t e g r a t i n ga n de n h a n c i n g r e l a t i v ek n o w l e d g ew i t hl o g i cr e a s o n i n g h o w e v e rd e s i g na p p r o a c h e sa n de n g i n e e r i n g k n o w l e d g em a n a g e m e n tc a n n o tb ei n t e g r a t e da n da s s o c i a t e do r g a n i c a l l yi nt r a d i t i o n a l g e n e r a ld e s i g no fe a r s ，a n dt h u st h i st y p eo fg e n e r a ld e s i g np r e s e n t sal o wl e v e lo f k n o w l e d g er e u s i n g ，al o n gd e v e l o p m e n tc y c l ea n dd i f f i c u l t yi na p p r o v i n gd e s i g n q u a l i t i e s t h e r e f o r et h ei n t r o d u c t i o no fm o d e md e s i g na p p r o a c h e si sn e c e s s a r yt o i m p r o v ed e s i g nq u a l i t ya n d s h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tc i r c l e t h ec o n c e p ta n dc h a r a c t e r i s t i c so fe a r sa n dt h em e t h o d o l o g yo ft r a d i t i o n a lg e n e r a l d e s i g na r ei n t r o d u c e db r i e f l ya tf i r s ti nt h i sp a p e r d e f e c t sa n d d e f i c i e n c i e sa r ea d v i s e d f o rt h et r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d o l o g y ；n e wr e q u i r e m e n t sf r o mt h ec h a n g i n gm a r k e to n c a rd e s i g na r ea l s oa n a l y z e d t h e nt h ei d e aa n dm e t h o d o l o g yo fk n o w l e d g e - b a s e d v i r t u a lg e n e r a ld e s i g no fc a r sa r ep u tf o r w a r d t h e ys u g g e s ti n t e g r a t i n gt h eg e n e r a l d e s i g no fc a r s a n dc a dt e c h n o l o g i e sa n dt oi m p l e m e n tk n o w l e d g ea c c u m u l a t i o n ， i n h e r i t a n c e ，a n dr e u s ei nd e s i g np r o c e s s k n o w l e d g e b a s e de n g i n e e r i n g ( k b e ) t e c h n o l o g yi so n eo f t h ek e yt e c h n o l o g i e so f k n o w l e d g e - b a s e dv i r t u a lg e n e r a ld e s i g no fc a r s ；t h e r e f o r e ，o n eo ft h e r e s e a r c hf o c u s e si s s e tu p o nk b ei nt h i sp a p e r f u n d a m e n t a lc o n c e p t sa n dt h e o r i e sa r ei n t r o d u c e di nt h e f i r s ta n dt h e nt h em e c h a n i s mo fk n o w l e d g ea c q u i s i t i o n ，e x p r e s s i o n ，a n dr e a s o n i n ga n d t h er e p o s i t o r ye x p o u n d e d ；d e s i g nf e a t u r e so fv i r t u a lg e n e r a ld e s i g ns y s t e mo fe a r sa r e a n a l y z e d ；a n dt h en e c e s s i t ya n df e a s i b i l i t yo fk b ei nt h i ss o l u t i o na r ep o i n t e do u t f i n a l l yk b et e c h n o l o g yi sf u s e di n t ot h es o l u t i o nt ot h i ss y s t e m ， t h eo t h e rr e s e a r c hf o c u so f t h ep a p e ri ss e to i lu gw h i c hi st h ep l a t f o r mt od e v e l o p t h es y s t e m d e t a i l sc o n s i s to fp a r a m e t e r i z a t i o nm o d e la n ds e c o n dd e v e l o p m e n t i nt h e m o d e l sa s p e c t ，t h e o r e t i cb a s eo fu gm o d e l i n ga n dk n o w l e d g eo np a r a m e t e r i z a t i o n m o d e l i n ga r eb r i e f e d ，a n dt h e nt h ec o m p o u n dm o d e l i n ga p p r o a c hi sp u tf o r w a r df o rc a r s c u l p t i n ga c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so f c a rs c u l p t i n g t h es e c o n dd e v e l o p e du gm o d u l e s s u p p l yt h es y s t e mi m p l e m e n t a t i o nw i t hap l a t f o r m ；t h e i rf u n c t i o n sa r eb r i e f e da n da n l l i 重壅查兰堡圭堂堡笙奎 i n s t a n c ei l l u s t r a t e st h es e c o n dd e v e l o p m e n t p r o c e s s f i n a l l y , ap r o j e c ti si n t r o d u c e dt oc o m p r e h e n s i v e l ye x p o u n dt h ea p p l i c a t i o no f k n o w l e d g e - b a s e dv i r t u a lg e n e r a ld e s i g ns y s t e mo fc a r s t h i sp a p e rd e m o n s t r a t e sa c o m p l e t es o l u t i o no ft h i ss y s t e mw i t hf i n a ld e l i v e m b l e s t e c h n o l o g i e so nk b ea n d s o f t w a r ed e v e l o p m e n ta r ei n t e g r a t e di nt h es y s t e md e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：o v e r a l ld e s i g no f a u t o m o b i l eb o d y ，k n o w l e d g e - b a s e de n g i n e e r i n g ，c a d ， v i r t u a ld e s i g n ，s e c o n dd e v e l o p m e n t i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：杪稔签字日期：y o 丫年f 月叶日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重送态堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重麽太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密( v ) ，在盈年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：枷衔 导师签名：撇 签字日期：脚斗年箩月卅e t签字日期：捌牛年步月修日 1 绪论 1 绪论 1 1 客车的分类和特点【3 j 客车是指在设计和技术特性上用于载运乘客及其随身行李的商用车辆，包括 驾驶员座位在内其座位数超过9 座。 客车有多种分类方法。按其用途可以分为城市客车、长途客车、旅游客车、 和专用客车四类；按其发动机位置可以分为前置发动机客车、中置发动机客车和 后置发动机客车；按其车身承载方式又可分为非承载式车身客车、半承载式车身 客车和承载式车身客车；按其车长( l ) 分为大型、中型、小型三种，其中大型车 1 2 m = l 9 m ；中型车9 m = l 6 m ；小型车6 m = l 3 5 m ；而我国客车行业一般也 将 = 3 5 m 的车作为客车的一种，称为微型客车。 城市客车是为城市内运输而设计和装备的客车。这种车辆设有座椅及乘客站 立的位置，并有足够的空间供频繁停站时乘客上下车走动用。 长途客车是为城问运输而设计和装备的客车。这种车辆没有专供乘客站立的 位置，但在其通道内可载运短途站立的乘客，有存放行李物品的设施。 旅游客车是为旅游而设计和装备的客车。这种车辆的布置要确保乘客的舒适 性，不载运站立的乘客。 专用客车在其设计和技术特性上只适用于需经特殊布置安排后才能载运人员 的车辆。如机场客车、会议客车等专用客车，其技术特性和内部设施可根据其特 定的用途而定。 1 2 客车总体设计的国内外研究现状和存在的问题 1 】 2 】 客车是现代社会中的主要交通工具之一。以我国为例，2 0 0 2 年全年共生产客 车( 包括轻型客车和微型客车) 1 0 3 5 7 6 3 万辆，共销售客车1 0 4 6 4 0 3 万辆，分别 比2 0 0 1 年增长了2 5 1 2 和2 7 3 5 ；到了2 0 0 3 年，前1 1 个月客车总生产和销售 量分别为1 0 7 6 万辆和1 0 8 1 万辆；中国客车统计信息网的统计预测表明，2 0 0 4 年 预计客车的产销量又比2 0 0 3 年实际销售量增长3 7 7 8 。由上面近几年的客车产销 量数字可以看出，客车对发展国民经济和促进人民生活水平提高发挥着越来越重 要的作用。世界各国主要客车生产厂无不应用最新科技成果潜心致力于客车新产 品的研制和开发，不断地向市场提供有竞争力的新型客车。 客车工业在我国还是一个年轻而充满朝气的产业，随着我国国民经济的蓬勃 发展、人民生活水平的迅速提高和高速公路的连线成网，客车工业在我国必将有 新的发展空间和机遇。 重庆大学硕士学位论文 l - 2 1 客车总体设计的国内外研究现状4 j f 5 ( 6 l t j 建国初期，因蓬勃发展的国民经济需要大量交通工具，但汽车工业还远远不 能满足要求，所以只要是车就在使用，不管外形好看与否。现在的许多客车生产 企业都是由原汽车修理厂发展起来的。过去客车采用货车底盘制造，技术含量不 高，主要依靠手工敲打。8 0 年代开始，全国汽车行业掀起引进大热潮。国内客车 厂家自1 9 8 6 年开始纷纷以合资、引进技术等方式与国外著名客车厂家联合生产。 通过合资引进技术，底盘件可靠性提高了，车身防腐技术也得到很大发展，客车 造型也从单纯模仿逐渐向自行开发设计发展，客车技术也越趋成熟。但是据了解， 到目前为止，国内客车企业还没有一个系统、全面的技术研发中心，从发动机动 力配置，到底盘部件的选用，从车身结构，到整车制造工艺，厂家都是在各搞各 的，没有资源整合，也没有资源共享，这点与发达国家还有一定差距，有待于改 进。 目前，我国在车身的内布置设计中仍采用人工设计方式，采用对进口车辆实 测法并参考同类车型有关数据作为借鉴，按经验和类比法确定内部空间控制尺寸、 座椅、方向盘以及操纵机构和踏板等尺寸参数，由此设计结果势必导致中国驾驶 员去适应汽车，驾驶容易产生疲劳感，违背了“以人为中心”的原则。此外，设计中 的经验、知识和设计行为等特征也未能转化为一定形式的设计原则，以形成概念 设计，结合到车身c a d 系统中。 近几年来，随着知识工程技术( k b e ) 、虚拟现实技术( v r ) 以及成组技术( g t ) 等等一些新技术的推广应用，不仅使生产厂家的产品定制化生产成为可能，而且 使客户梦寐以求的产品定制化时代终于到来。目前，国内一些主要客车生产企业 正在运用这些技术，使企业在生产活动全过程中各功能子系统完美集成，即从市 场预测、经营决策、产品开发、计划控制、生产制造、质量控制到产品销售等职 能部门，合理地通过计算机网络联成一个整体，以保证企业内部信息的一致性、 共享性、可靠性、精确性和及时性，实现生产的柔性化，从而达到高效率、高质 量、低成本和灵活生产的目的。这不仅大大缩短了生产准备周期，而且减小了不 必要的重复工作量，同时，还有效地避免了人为因素所造成的失误。另外，定翩 产品的设计图纸、工艺定额等文件由计算机统一管理，使其生产进一步规范化。 1 2 2 当前客车总体设计中存在的问题 通过以上对客车设计的发展历程和研究现状的分析，我们不难看出，虽然现 在我国的客车技术和客车设计水平比以前有了很大的发展和提高，许多客车企业 也具有了一定的生产规模，但是这些成绩与国民经济的迅速发展和人民生活水平 不断提高对客车提出的需求，以及与先进的工业发达国家水平相比，在科研、设 计、自主开发、创新能力、设计生产周期、设计水平、产品质量等方面都还存在 2 1 绪论 很大的差距。经过研究发现，制约我国客车设计能力和水平的问题主要有如下几 个方面： 设计周期长。 典型的客车设计程序如图1 1 所示。 遵照 h j 霸圣莲臻确定h 髂，i i 墉 避 l j 确盘辑j 性汁任务 遣窟辑j ! 城蕊 或递 _ j ! 辫卓地i ：_ ：设 中 避捧搿率率身总蝣鬻髓； 蜘建韶车造型蟪缝磐散 窑乍冲嚣机辅助造型殴酣 钎步缭黼客车逑型教襞翻 制傣稚屹锩率劬涟榭型 健政茹絮讹泓较溅 描怡甄躯试验“ 搿髫擒髓 逊打窿牟橙，诅肌淞斌虢并优选饪j 磷 对禽车硇巍楼燃迸钳n _ _ 二啦棒f i ! i 精 生成群卑c t 】国线隧 述行窖牵( d 豫披嚣率试i 刚1 ii 辩 进行窍年试剐 宠成撵车井孟鳖行试制试黔 党浅鲢避绷州艇“尊税州：悻 产孤整斑、兜善蹦纸、小艇拯产 图1 1 客车设计开发程序 f i 9 1 1t h ef l o wc h a to f b u sd e s i g n 由图1 1 可知，在客车产品的设计中，计算机辅助支持技术只在客车的造型设 计阶段和详细设计阶段有所应用，主要用于计算机辅助绘图和设计文档的处理， 不支持客车的总体方案设计，客车的总体方案设计、性能分析计算、动力计算等 大都还停留在手工操作阶段，工作量大，设计周期长。 设计结果是否最优无法确定，设计质量不能保证 由于客车设计的经验性很强，利用传统的客车设计方法，产品设计水平很大 程度上依赖于设计者的经验知识和个人水平，其设计结果呈多样性，难以判断最 优结果，从而设计质量得不到保证。 开发成本高 由图1 1 的开发程序图可以看出，由于传统的客车开发过程要制作缩比客车油 泥模型、制作风洞实验用客车物理模型、做客车的样车和进行各种物理实验等等， 并且这些过程可能都不止一次两次，需要投入大量的资金，使客车的开发成本增 高。 缺乏对以往客车设计、制造和和管理知识的有效继承和利用 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，其设计水平在很大程度上取决 于对以往设计知识和经验的继承，主要是基于自己和别人( 本单位和外单位) 以 重庆大学硕士学位论文 往的各种工程设计知识来“重复”设计，并在此基础上通过相关工程知识的集成、升 华和逻辑推理，实现一部分真正意义上的创新设计。 传统的客车总体设计，包括应用三维和二维c a d 技术，更不用说手工绘图设 计，由于设计手段和工程知识管理未能有机地集成与关联，因而对各种工程知识 的重复利用效率很低，因为这些工程知识都分散在各个工程技术人员的大脑中， 一个：亡程技术人员一般来说只能重复利用他自己的工程知识，因而每个新产品的 总体设计基本上都是从头开始，既降低了设计效率，又降低了设计质量。 由以上分析可知，我国客车设计迫切需要改进设计方法，引入先进的产品开 发支持技术，并将产品设计的领域知识和经验知识与产品开发支持技术相结合， 加强对领域知识的继承和重用，实现计算机辅助产品全过程设计。 1 3 市场竞争对客车总体设计提出的要求 制造企业赖以生存和发展的关键在于不断开发出市场需要的高质量新产品。 中国的客车行业总的来说不容乐观，客车企业怎样运用高新技术来缩短客车新产 品开发周期和提高设计质量以应对其他竞争对手和中国加入w t o 后的形势，是一 个迫切需要解决的问题。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。 现代产品开发技术与传统设计方法的综合比较如图1 2 所示。一般来说，传统 的设计方法要通过三轮设计，现代技术经过二轮设计。现代产品开发技术广泛应 用计算机及信息技术，并且实施同时工程，所以明显地缩短开发周期，节省费用。 体娆 协淡 现代 1 j 2 旃一轺 第二转 鼗井i 剖鍪诬 试掣拌l 谜驻l 苡； 薷二轮 嚣一抖| 试骑e 丌磊t 磊 眦c a d ) ( n ) ( 淼) f m t 到测 ，f 艟确划：年 图1 2 产品开发方法的比较 f i 9 1 2c o m p a r eo f t h em e t h o do f p r o d u c td e v e l o p m e n t 4 1 绪论 1 4 本课题提出的背景和意义 “基于知识工程( k n o w l e d g e b a s e de n g i n e e r i n g ) 的客车总体虚拟设计系统”项 目实质上是将客车总体设计方面的各种专业知识、领域知识、经验知识、设计历 史资料、设计参数的选择及依据、实验数据、材料数据、用户反馈信息和相关设 计标准及规范等集成于客车总体的计算机设计( c a d ) 过程及软件之中，并在计 算机中快速、真实地虚拟客车的总体设计方案。它是运用三维c a d 技术和i t ( 信 息技术) 来改造和提升传统的客车产业的一个重要课题。 “基于知识工程( k b e ) 的客车总体虚拟设计系统”的目的就是，运用现代信 息技术的数据库系统来将企业最为宝贵的各种工程知识积累起来，并进行有效的 管理，使用于客车总体设计的工程知识的积累、更新规范化、制度化、软件化， 同时增强企业工程知识的表达能力、重复利用能力并扩大其应用范围，使得使用 该系统的科技人员除了能重复利用自己的工程知识外，还能充分利用该系统收集 的其他科技人员的所有工程知识，同时能被企业其他部门所共享，既解决了工程 知识随着科技人员“流失”而“流失”的问题，又解决了企业内部工程知识资源共享的 问题。这些工程知识通过与三维虚拟c a d 技术的总体控制技术、主模型技术、知 识驱动技术相结合，利用模型匹配、工程知识数据和逻辑推理来完成客车的总体 设计，实现人工智能和产品开发相结合，充分利用已有基础，提高总体设计的智 能化和自动化程度，同时由于三维虚拟设计真实地模拟了实际情况，能够尽可能 地将产生的问题发现并解决于设计阶段，因而能大大短缩客车总体设计时问和提 高总体设计质量( 事实上，由于建立了三维电子相关主模型，后续的详细设计效 率和质量也会得到大为提高) 。显然该系统对于客车行业加快产品开发速度、提高 产品开发质量、增强企业竞争能力，意义非常重大。由于重庆是一个汽车、摩托 车大市，今后若在该项目的基础上移植为适用于汽车、摩托车的k b e 总体设计系 统，意义将更为重大，效果将更为显著。 1 5 本论文研究的主要内容和目标 本论文针对目前国内在客车总体设计方面存在的问题，深入、系统地分析国内 外相关领域研究现状，充分利用已有的研究成果，应用k b e 技术解决了客车总体 设计的一些难题。论文研究的主要内容如下： 论文第一章为绪论，全面阐述课题的学术和实用意义，分析相关领域的最新 研究成果。 论文第二章从客车总体设计的主要内容出发，对客车总体设计的过程及方法 等方面进行了深入研究，在此基础上提出了基于知识工程的客车虚拟总体设计系 统的基本框架。 5 重庆大学硕士学位论文 论文第三章在第二章研究的基础上，着重和深入研究了客车虚拟总体设计中 k b e 技术的相关内容，包括知识的获取和表达、推理机制和知识库，简要介绍了 基本概念，接着分析了客车总设计方案的特点及在设计方案中采用k b e 技术的必 要性和可能性，进而通过实例阐述如何将其融合到设计方案中去。 论文第四章着重研究了客车虚拟总体设计系统实现的大型通用c a d 软件开 发平台u g 及u g i ，重点阐述了参数化实体建模技术和u g 二次开发技术中 的u i s t y l e r 和o p e n a p i 等模块在客车虚拟总体设计中应用。 论文第五章在前几章深入研究的理论基础上，结合客车虚拟总体设计系统这 个项目，对系统的总体结构、各个子系统模块的功能以及整个系统的运行状况等 进行具体阐述。 论文第六章为全文结论。总结全文，得出本论文研究的成果。 1 6 本章小结 本章通过对客车的分类、特点和客车业在我国的发展历程的介绍，分析了当 前我国客车设计现状、存在的问题和社会发展对客车设计提出的新的需求，以及 课题提出的背景，论述了在客车总体设计中采用先进的设计方法和产品开发设计 支持技术的必要性和重要意义；最后简述了本论文研究的主要内容。 6 2 基于知识工程的客车虚拟总体设计框架 2 基于知识工程的客车虚拟总体设计框架 2 1 概述 近几年来，随着时代的发展和科技水平的进步，国际客车市场也发生了很大 的变化，用户的需求越来越多样化及个性化，变化的速度也较快，因此客车开发 主要以改进的新车开发为主。为了以较快的开发速度及较低的价格满足市场的需 要，往往采用原有的动力系及底盘，只是在车身外形、色彩及内饰件等方面进行 变化；或者采用现有的标准总成以及满足客户新要求的部分设计，完成新车的开 发。 在这种背景下进行客车开发，客车的总体设计就显得极其重要。所以对客车总 体设计进行研究，缩短开发时间，提高设计质量，对客车开发的意义非同一般。 客车总体设计主要分为底盘总体设计和车身总体设计两方面。就我国客车行业 目前的情况来看，1 5 0 多家客车生产企业，绝大部分企业都是引进现成的底盘进行 开发制造，所以相对来说，对车身总体设计进行研究，对降低客车的开发成本、 提高设计质量更为有效。本论文的研究重点也是客车的车身总体设计方面。 2 2 客车车身总体设计的内容及其特点 客车总体设计要解决两个主要问题【1 0 1 ：车身的造型设计，从客户的需求、 美学、空气动力特性、车身内部的宽敞程度及安全性等，综合分析考虑车身的造 型问题。车身的外形将给用户直观的第一感觉，同时又与汽车的总体布置及性能 密切相关。因此，有些汽车公司是以车身造型为中心进行汽车的开发工作。决 定汽车的总体布置及主要性能参数及尺寸，决定各系统总成的性能要求、结构形 式及尺寸，解决各总成相互之间的配合及电控问题。 所以，客车车身总体设计主要分为两大部分：车身造型设计和客车总体布置 设计。 2 2 1 车身造型设计 客车车身造型相当重要，它影响整车的视觉效果【l “。客车车身造型设计既不 是纯艺术造型、装饰美化，也有别于工程技术设计。造型设计师与工程师是从不 同的侧面进入客车设计的。 客车的造型设计主要分为外观造型和针对建模的造型两种。设计师依据人的 生理、心理特征，从使用方便、舒适、安全的角度出发，遵循人的审美规律，以 人为本，从客车有关人的一侧进行综合设计，侧重客车的外观造型；而工程师则 重点考虑技术设计方面的问题，包括材料、工艺和后续的车身布置等。在设计过 7 重庆大学硕士学位论文 程中，设计师应与工程师紧密配合，相互协调，不要留有双方未涉及到的空白。 客车造型与工程设计的关系如图2 1 所示。 图2 1 客车造型与工程设计的关系 f i 9 2 1t h er e l a t i o no f b u ss c u l p ta n de n g i n e e r i n gd e s i g n 好的设计应具备作品、产品、商品的特征，体现设计者、生产者、使用者的 三位一体、和谐统一【l 。好的客车设计首先应该是一件完美的艺术作品，新颖、 时尚，具有鲜明的个性和强烈的艺术感染力，给人赏心悦目、美的享受。其次， 还必须能够方便批量生产，结构、工艺合理，由作品转变成实际商品。最终，它 还应该成为销售商品，满足使用者的需求，给生产企业带来经济效益。 客车造型设计是一种综合设计。它涉及到技术与艺术的方方面面，相关因素 很多，将客车置于“人一车一环境”系统中研究，客车造型设计牵涉到人和环境因素； “实用、经济、美观”是工业产品设计的基本原则，因此，客车造型设计还涉及到实 用功能、经济和审美因素。 关于人的因素 客车造型设计中要处理好人与车的关系。在这种关系中，人是以驾驶员、乘 客、行人以及制造、维修人员的身份出现的，他们与车分别有着不同的联系；设 计中应综合考虑人的安全性、舒适性和方便性。 安全性包括两个方面：主动安全性和被动安全性。主动安全性是指那些能够 减少交通事故发生可能性的所有方面；被动安全性建立在一旦发生交通事故时， 怎样减轻事故后果严重性。在安全各因素中，有些是一致的，有些是矛盾的，在 具体设计中要全面、整体地考虑，要注重主动安全性。如采用大前挡风玻璃，不 仅给人豪华、气派之感，同时增加了驾驶员的视野，对避免事故的发生起到积极 作用。虽然在发生正面相撞交通事故时，对驾驶员不利，从主动安全性方面考虑， 客车设计中采用大挡风玻璃造型，仍然是一种趋势。 在客车造型设计中，驾驶区各仪表、显示器的合理布置，操纵件形状的人性 化设计，不仅提高了驾驶员操作的舒适性和方便性，也加强了驾驶的安全性。 从使用、保养和维修的方便性入手，将提供更多造型设计的思路：如对车体 容易碰撞损坏的局部，设计成可拆换的形式；将前圆形的远光灯、近光灯及转向 8 2 基于知识工程的客车虚拟总体设计框架 灯组合到一块，方便安装调节。这些都可以增加车身的分割线条，丰富造型。 环境因素 与客车设计相关的环境有社会环境和物质环境。前者指客车有关的国家政策 和规划、相关的法规、社会经济状况、市场需求情况以及民族、文化、传统等； 后者指客车的生产、使用环境。 汽车技术物质条件是实现客车造型设计韵基本保障，客车造型必须与企业的 生产工艺、加工设备、材料选择等现实技术条件相适应，脱离实际的设计将成为“纸 上谈兵”。这也是照搬仿造国外客车而达不到预期效果的原因。 所设计客车的使用环境也是不可忽视的。不同的地域，不同的气候，不同的 道路，对客车有不同的要求。城市的建筑环境也影响着客车的造型。把道路、车 站等与车相关的环境作为一个系统的设计，将赋予客车造型设计新的内涵。 功能因素 不同类型的客车有不同的功能要求。不同的功能决定不同的外观造型。如城 市客车与长途旅游客车，由于使用对象、使用环境的不同，车速的不同，决定了 外观造型的差异。 客车造型设计中的功能与形式，如哲学范畴中的内容与形式样，是矛盾的 两个方面，既对立、又统一。在处理功能与造型的关系上，首先应从功能出发， 功能决定形式，反对脱离实际的艺术至上；结构是功能的基础，功能是结构的外 部体现；功能与结构不是单一对应关系，同一种功能可以通过不同的结构发挥出 来；结构的变化带来形式的变化。因此，对于一种功能要求，可以用不同形式来 满足。任何一种功能的客车，其造型没有固定的模式，提倡多样化，提倡创新。 经济因素 客车造型设计必须注重生产成本，做到以最少的财力、物力、人力、时间来 获得最佳的经济效益。经济因素制约着设计中材料的选用，工艺方法的选择及部 件的结构形式，是各技术因素全面、综合的体现。 降低成本与提高质量是矛盾的两个方面。作为用户，希望支付的费用少，得 到的客车质量好；而对于生产企业来说，则希望花费的成本低，卖出的价钱高。 将用户与生产企业两者综合起来考虑，以用户希望的“费用、质量”比上实际生产的 “成本、价格”，其中“费用”与“价格”抵消，可得到一个公式，即价值系数= 质量 成本，价值系数包括质量与成本两个方面，是评价客车经济性的综合指数，价值 系数大则经济性好。从式中可以清楚的看到，要提高客车的价值系数，设计者可 以从几方面入手：一是提高质量，降低成本；二是提高质量，成本不变；三是质 量提高的幅度大于成本的提高；四是在保证质量不变的前提下降低成本。 客车由众多零部件组成。在设计中，除了要分别考虑各部分的经济性外，还 9 重庆大学硕士学位论文 要注意整体平衡、底盘与车身、车内与车外的协调；要分清主次、轻重、缓急， 对于那些吸引人视线、与人身体接触、影响整车外观质量的部分，应精心设计， 重点投资，即以最少的投入，收到最大的效益。 审美因素 完整、和谐与鲜明是构成美的三要素。在客车造型设计中，不仅要灵活地应 用统一与变化、均衡与稳定、比例与尺度这些美学基本法则，达到完整、和谐的 造型目的，还要根据企业文化、生产工艺等特点，设计出有鲜明个性和自身特色 的产品。 时代性与创新是审美因素中不可缺少的因素，它关系到新开发产品的成败及 生命力。随着社会、科技的发展以及人们精神生活的丰富，对客车的审美功能提 出了更高的要求。过时陈旧的造型被人厌弃，而具有创新意识、充满现代气息的 产品为人们所接受。因此，要求设计师掌握美学规律，了解时代信息，跟上科技 新潮，才能赋予产品更强的竞争能力。 2 2 2 客车总体布置设计 客车总体布置设计主要依据国家行业标准法规和人机工程学两方面的要求来 进行。国家或行业标准法规规定了客车布置必须满足的条件，即最低要求，是客 车必须符合的；而人机工程学方面的要求，则是要以人( 驾驶员、乘客) 为中心， 从人体的生理、心理和人体的运动出发，研究在布置和设备等方面，如何适应人 的需要，创造出一个操纵方便、安全可靠、美观舒适的驾驶环境和乘坐环境。 由于客车车身内零部件繁多，布置参数繁杂，且一个参数的变化就会牵扯到 相邻其它一些布置参数的改变，从而导致车身内零部件的布置位置发生改变，使 得车身内零部件的布置变得复杂、多变，个部件的定位要受到其它部件的制约； 所以说，客车总体布置设计是个多目标、多性能、多约束的规范设计或优化设 计，在布置过程中要考虑到参数的优先级问题。 另外，不同类型的客车其布置要求不同，如城市客车一般应增加车项扶手， 无导游椅；而长途客车一般都要配有卫生间、影视设备、饮水设备等；而旅游客 车要求更高，一般应该配有导游椅、空调等，且座椅也与其它类型客车不同，一 般要装可调式航空座椅：另外驻车制动手柄应为可选件( 大、中型车常用另一种手 控阀来实现驻车制动) ，只有轻、微、轿车才有驻车制动手柄。 驾驶区总体布置设计 客车驾驶区总体布置设计的内容主要有选择适当的仪表台、方向盘、驾驶员 座椅、副驾驶员座椅或导游员座椅( 对于后置发动机客车) 、加速踏板、制动踏板、 离合器踏板、变速器操纵手柄和驻车制动控制器等零部件，并根据相关国家标准 把这些零部件布置到客车车身的正确位置；另外还包括驾驶区取暖及除霜装置、 1 0 2 基于知识工程的客车虚拟总体设计框架 配电盘、发动机罩( 对于前置发动机客车) 、驾驶区与乘客区的隔栏的布置等。 根据中华人民共和国国家标准( g b t1 3 0 4 3 9 1 ) 中客车定型实验规程中规定： 驾驶区尺寸参数的测量按c b t1 3 0 5 3 进行，检测项目有：转向盘直径及转向盘角 ( d 1 1 及a 11 ) 、转向盘中心至座椅中心平面距离( w 1 2 ) 、行车制动踏板中心至加速 踏板中心距离( w 1 7 ) 、转向盘中心至行车制动踏板中心距离( w 1 6 ) 、转向盘中心至 离台器踏板中心距离( a 1 4 ) 、转向盘外缘至仪表板最小距离( a 1 3 ) 、转向盘外缘至 靠背表面距离( l 1 3 ) 、风窗下缘至驾驶区隔板的距离( l 1 5 ) 、风窗下缘至地板表面距 离( h 1 4 ) 、变速杆、驻车制动手柄的安装位置、驾驶员座椅上下和前后调整量、驾 驶员门最大开启角度( 或上、下部通道宽) 和离合器、行车制动踏板自由行程( a 1 5 ) 。 如图2 2 所示。 图2 2 驾驶区布置参数 f i 9 2 2t h ep a r a m e t e r so f b u sd r i v e rz o n el a y o u t 由图2 2 可知，各个布置参数都与周围参数有一定的约束关系，一个参数的改 变就会导致与之相关的其它参数的变化，从而导致零部件的位置关系发生变化， 有可能导致某些布置参数不符合要求，需重新调整布置；如一旦转向盘角a 1 1 大小 改变，a 1 3 、h 1 3 、l 1 3 、a 1 4 等一系列参数将随之发生变化，受影响的零部件有 仪表台、驾驶员座椅等。 用传统的手工布置的方法，根本不能做到快速、准确的对车内零部件进行定 位；如果再需对设计结果进行检测，则更加困难；更不用说直接感受其设计了。 本文根据客车驾驶区布置的特点，结合现有的技术，提出了一种布置模型，主要 分为以下几个步骤： 重庆大学硕士学位论文 1 ) 初始定位布置。主要功能是通过人机交互输入初始定位参数，或调用数据 库将初始定位参数值赋给变量；然后打开零部件库，调用零部件。 2 ) 建立部件间表达式。建立部件间的约束配合关系，如座椅下表面与地板表 面的贴合关系、座垫上表面与方向盘下表面的距离关系、方向盘上表面与仪表台 的距离关系等，为下一步提取检测布置参数做准备。 3 ) 检测布置参数，判断。检测实际布置参数；然后打开标准库，激活标准库 中的参数标准，与实际参数比较，如在标准范围内，则此参数o k ；反之，如不在 标准之内，则给出提示信息；重新调整。 4 ) 按一定的优先顺序，递归调整。确定布置参数的优先级，如有参数不符合 标准，按优先级递归调整参数，直到所有参数都符合标准为止。 乘客区总体布置设计 客车乘客区总体设计的主要内容有乘客门的选型及布置，侧窗的选型及布置， 乘客门踏步布置，地板布置，乘客座椅的选型及布置，车内行李架的选型及布置， 扶手的选型及布置，冷气装置的布置，项部安全出口及通风装置的选型及布置等。 在车身上还要装顶置空调器( 选装) 、一个或两个安全项窗、车内顶灯、冷风 管道( 包括读书灯及出风口组合件) 、内行李架等，城市客车还应有车顶扶手可供 选装。 与驾驶区布置相同，乘客区尺寸参数的测量，按g b t1 3 0 5 5 进行，检测项 目如下：乘客区长宽：侧窗下缘高( h 3 3 ) ；中间通道宽度( w 3 3 ) ；中间通道地 板离地高度；座垫宽( w 1 ) ；座间距( l 3 1 ) ；乘客门一级踏步高( h 4 0 ) ；乘客门 二、三级踏脚板宽度、深度、高度；乘客门净宽及高度( l 3 7 及h 3 9 ) ；行李仓容 积；顶盖扶手、侧壁扶手高度及扶手空间( h 3 6 、h 3 5 及a 3 1 ) 。如图2 _ 3 所示。 ，d 1 一z 3 j 一岜 l 丝列 图2 3 乘客区布置参数 f i 9 2 3t h ep a r a m e t e r so f b u sp a s s e n g e rz o n el a y o u t 1 2 2 基于知识工程的客车虚拟总体设计框架 乘客区的布置原理和基本与驾驶区布置相同，这里就不再赘述。 客车布置设计中的人机工程学应用 汽车室内人机工程学研究的基本内容为【l7 】：对人体各尺寸进行测量、统计和 分析，在进行室内布置设计时以此为依据，确定车内的有效空间，以及各部件、 总成( 座椅、仪表板、方向盘等) 的布置位置和尺寸关系。通