机械专业毕业论文-三维设计在车辆系统零部件的应用.doc

- 1 - 毕业设计 三维设计在车辆系统零部件的应用 学 生 姓 名： 指 导 教师： 专 业 名称： 机械设计与制造 所 在 院系： 机械工程系 2013 年 6 月 - 2 - 2013 年 6 月 摘摘 要要 三维技术几乎被所有汽车公司所采用，可以说三维技术（包括计算机辅助 制造、计算机辅助工程分析）的应用水平，已经成为评价一个国家汽车工业水 平的重要指标。在我国，汽车企业一直都作为国家和地方的利税大户，同时也 是三维技术应用的先锋。三维技术在企业中的成功应用，不仅带来了企业技术 上的创新，同时带动了企业经营、管理旧模式的变革。因此，它对我国传统产 业的改造、新技术的兴起，以及汽车工业提高国际竞争力等方面，起到了巨大 的推动作用。 随着计算机技术的飞速发展，CAD 已经广泛用于各个社会生产领域，特别是 对于生产复杂产品如飞机、汽车、家电等制造业尤为重要。汽车是一件复杂的 产品，其开发流程涉及到极大的工作量，借助于先进的三维技术，能降低开发 人员的工作量并提高产品质量。本文将根据模具设计、车身设计、底盘布置设 计、汽车轻量化等方面来阐述三维技术的应用状况及其发展前景。 冲压艺术、结果设计和制造技术是汽车模具生产技术的集中体现，这些技术 的进步主要取决于CAD/CAM/CAE 技术的提高。在汽车模具制造行业，计算机应用 技术和数控加工技术正越来越显示出其核心技术的作用。 关键词：三维技术，汽车零部件，前景广阔 - 3 - 目目 录录 摘摘 要要.2 1 三维技术对汽车企业的重要性三维技术对汽车企业的重要性.4 2 CAD 的概述的概述 .4 2.1CAD 的诞生于发展.4 2.2CAD 的应用.6 2.2.1 CAD 在各重要领域广泛应用.6 2.2.2 CAD 在汽车制造上的优缺点.8 2.3 CAD 的发展趋势.9 3 三维技术在汽车工程领域的应用状况三维技术在汽车工程领域的应用状况.10 3.1 汽车模具三维技术.10 3.2 汽车车身覆盖件三维技术.11 3.3 汽车底盘三维技术.12 3.4 三维技术在汽车轻量化中的应用.12 3.5 近年来汽车工业 CAD/CAM/CAE 系统选型趋向 .13 4 三维技术在汽车制造方面前景广阔三维技术在汽车制造方面前景广阔.13 5 总结总结.17 致致 谢谢.18 参考文献：参考文献：.19 - 4 - 1 1 三维技术对汽车企业的重要性三维技术对汽车企业的重要性 汽车行业是三维技术最先应用的领域之一，国外一些著名的汽车公司很早就自行开发 CAD 软件。到现在，三维技术几乎被所有汽车公司所采用，可以说三维技术（包括计算机 辅助制造、计算机辅助工程分析）的应用水平，已经成为评价一个国家汽车工业水平的重 要指标。在我国，汽车企业一直都作为国家和地方的利税大户，同时也是三维技术应用的 先锋。三维技术在企业中的成功应用，不仅带来了企业技术上的创新，同时带动了企业经 营、管理旧模式的变革。因此，它对我国传统产业的改造、新技术的兴起，以及汽车工业 提高国际竞争力等方面，起到了巨大的推动作用。 传统的汽车车身设计方法的整个过程是基于手工设计完成的，其特点是整个过程是通 过实物、模型、图纸、样板等来传递信息。随着计算机技术的发展，计算机逐步代替人脑 承担起复杂的计算和分析，同时引进 CAD 等现代设计方法，帮助工程师们抛掉传统的手 工方式，既方便设计，又能改善设计质量，缩短设计周期。因此，国外著名汽车公司都不 惜花巨资实施三维技术，一方面加快新车型上市的速度满足复杂多变的市场需求，另一方 面节省开发成本，向消费者提供物美价廉、物超所值的产品，从而提高自身市场竞争力。 三维技术对于中国汽车企业的重要性是不言而喻的。尽管在 2002 年，中国汽车行业发 生“井喷”，一时间汽车成为和手机、房子一样炙手可热的商品，中国汽车业就此迎来了发 展的大好时机。同时，国外汽车企业看到了中国广阔的汽车市场，纷纷在华投资建厂，而 国内的汽车公司趁机和国外公司合资，以为可以借助外国公司先进的技术来提高自身的研 发能力，可实际上事与愿违。外国公司并不愿意把先进的技术介绍给中国的公司，中国公 司始终充当着 OEM 的角色，仅仅是外国公司在中国的制造基地，汽车研发水平仍难有所 提高。 2 CAD 软件概述软件概述 2.1 三维技术的诞生于发展三维技术的诞生于发展 CAD计算机辅助设计（Computer Aided Design）是指工程技术人员以计算机为辅 助工具来完成产品设计过程中的各项工作，如草图绘制、零件设汁、装配设计、工装设计、 - 5 - 工程分析等； 从两个不同的方面进行对 CAD 概念进行理解： 就目前三维技术可实现的功能而言，它是由在设计人员进行产品概念设计的基础上从 事产品的几何造型分析，完成产品几何模型的建立，然后抽取模型中的有关数据进行工程 分析和计算，例如有限元分析、仿真模拟等，根据计算结果决定是否对设计结果进行修改， 修改满意后编辑全部设计文档，输出工程图。 三维技术也是一项建模技术，它是将产品的物理模型转化为产品的数据模型，并把建 立的数据模型存储在计算机内供后续的计算机辅助技术所共享，驱动产品生命周期的全过 程。 1形成期 1950 年美国麻省理工学院采用阴极射线管（CRT）研制成功图形显示终 端，实现了图形的动态显示，从此结束了计算机只能处理字符数据的历史。1950 年美国麻 省理工学院（MIT）研制出类似于示波器的图形设备“旋风 I 号” （Whirlwind I） ，用它可 以显示简单图形。整个 50 年代，人们大多采用电子管计算机，用机器语言编程。计算机主 要用于科学计算，为之配置的图形设备仅具有输出功能，三维技术处于被动式的图形处理 阶段。 2发展期 20 世纪 50 年代后期出现了光笔，从而开始了交互式绘图。20 世纪 60 年 代初，开发了屏幕菜单点击、功能键操作、光笔定位、图形动态修改等交互绘图技术。 1962 年美国学者 Ivan Suthcrland 开发出第一个交互式图形系统Skechpad。此后，相继 出现了一大批 CAD 商品软件。60 年代未，美国安装的 CAD 工作站已达 200 多台，可供几 百人使用。但当时由于显示器价格昂贵，CAD 系统很难推广应用，到 20 世纪 60 年代未 期，显示技术产生了突破，显乐器成本大幅下降，CAD 系统的性能价格比大大提高，CAD 用户以每年 30的速度增加。形成 CAD 产业。20 世纪 70 年代的三维技术还是以二维绘 图和三维线框图形系统为主。 3成熟期 1973 年诞生了第一个实体造型（Solid Modeling）试验系统，并于 1978 年 推出了第一代实体造型软件，此后的二十年中实体造型技术成为三维技术发展的主流，并 走向成熟，出现了一批以三维实体造型为核心的 CAD 软件系统。实体造型技术的发展和 应用大大拓宽了三维技术的应用领域，出现了面向中小企业的 CADCAM 商品化系统。 。 - 6 - 4集成期 在这个时期，图形系统和 CAD 工作站的销售量与日俱增。三维技术从大 中企业向小企业扩展，从发达国家向发展中国家扩展，从用于产品设计发展到用于工程设 计和工艺设计。三维技术和系统的开放性取决于其所用计算机和系统软件的开放性。在这 个时期由于微机加 Windows 9598NT 操作系统与工作站加 Unix 操作系统在以太网的环 境下构成了 CAD 系统的主流工作平台，因此，现在的三维技术和系统都具有良好的开放 性。同时，CAD、CAM 各自对设计和生产所产生的巨大推动作用已被认同，加之设计和 制造自动化的需求，出现了集成化 CAD/CAM 系统。 2.2 CAD 应用应用 2.2.1 三维技术在各重要领域广泛应用三维技术在各重要领域广泛应用 航空航天、造船、机床制造、汽车都是国内外应用 CAD/CAM 技术较早的工业部门。 首光是用于飞机、船体、机床、汽车零部件的外形设计；然后进行一系列的分析计算，如 结构分析、优化设计、仿真模拟；最后根据 CAD 的几何数据与加工要求令成数控加工纸 带。航天部门不仅 CAD/CAM 的实施与推广应用做得好，而且在计算机管理力面也有较高 水平；造船行业利用 CAD/CAM 系统提高了船体钢板下料的精度。每艘万吨级的船舶仅此 一项就书约钢材约 150200 t 机床行业应用 CAD/CAM 系统进行模块化设计，实现了对用 户特殊要求的快速响应制造，缩短了设计制造周期，提高了整机质量；电子工业应用 CAD/CAM 技术进行印刷电路板生产，并实现了不采用 CAD/CAM 根本无法实现的集成电 路生产；在土木建筑领域，三维技术，可节省方案设计时问约 90、投标时间 30、重复 绘制作业费 90；除此之外，三维技术还可用于轻纺服装行业的花纹图案与色彩设计、款 式设计、排料放样及衣料裁剪；人文地质领域的地理图、地形图、矿藏勘探图、气象图、 人口分布密度图以及有关的等值线、等位面图的绘制；电影电视中动画片及特技镜头的制 作等许多力面。 我国在 CAD/CAM 技术方面的研究始于 20 世纪 70 年代中期，主要的研究单位是高等 学校、当时的研究内容主要围绕二维图形软件进行开发，并在航空和造船工业首先获得应 用，20 世纪 80 年代初，开始成套引进国外 CAD/CAM 系统，在此基础上进行二次开 发并应用在少数大型企业和设计院所，取得了一定的成果。 经过“六五”起步、 “七五”攻关、 “八五”推广，我国的 CAD/CAM 应用到 20 世纪 - 7 - 90 年代进入全面推广阶段，在科技部的统一部署下、原机械部开展 CAD 应用 1550 工程， 培育了 50 家应用示范企业，带动了近 500 家 CAD 重点应用企业，与此同时，科技部、国 防科工委也重点扶持了一批民用、国防企业推广应用 CAD/CAM 技术，如西安和成都飞机 制造工业公司都建立厂飞机 CAD/CAM 系统；北京第一机床厂是国内推广应用 CAD/CAM 技术成效显著的企业，1994 年通过了国家科委组织的 BYJC-CIMS 应用工程项目的验收， 并于 1995 年获得美国制造工程种师协会（ASME）颁发的“工业领先奖” 。至 20 世纪 90 午代后期，我国 CAD/CAM 技术的应用企业覆盖了重型机械、矿山机械、工程机械、电工 电器、机床、航空航天、兵器、仪器仪表、建筑、服装等行业，覆盖面和普及率达到近 70，并形成了全国范围内的教育培训体系。 在大力推广应用 CAD/CAM 技术的同时，在各级政府和企业资助下，开发了一批具有 自主知识产权的软件系统，如清华大学高华 CAD、华中科技大学开发的开目 CAD 、北京 航空航大大学开发的华正 CADCAM 系统等，这使我国的 CAD/CAM 技术研究及应用水 平有了一个较大的提高。 我国科学技术部在 CAD 应用工程 2000 年规划纲要中指出：“到 2000 年，在国民经 济主要部门的科研、设计单位和企业中全面普及推广三维技术，实现甩掉图板 （指传统设 计中的描图板） ，提高智能劳动效率推广我国 CAD 市场，扶持发展以 CAD 为突破口的 我国自主创新的软件产业，建它起我国的 CAD 产业” 。重点在机械制造业的大中型骨干企 业和科研单位中普及应用三维技术；同时，在全国各类企事业单价中大规模应用三维技术。 2.2.2 三维技术在汽车制造上的优缺点三维技术在汽车制造上的优缺点 汽车 CAD 即辅助设计与制图,是指运用计算机系统辅助一项设计的建立、修改、分析或 优化的过程。汽车 CAD 软件必须有能接受和使其运行的物体,即硬件来支持它才能有实际意 义,这样就存在了汽车 CAD 系统。汽车 CAD 系统是由硬件、软件组成。硬件包括处理运算设 备、图形显示设备、外部存储设备、数据图形输入输出设备以及有关的信息传输等硬件平 台设备、软件包括系统软件、支撑(图形、汉字等)软件和专业应用软件。我国主要使用的 汽车 CAD 软件是美国 AUTODESK 公司开发的 AUTODESK 软件,它是一个功能强大、易学易用、 具有开放型结构的软件口不仅便于用户使用,而且系统本身可不断地扩充和完善,它被广泛 地应用于微机及工作站上。因此,国内外软件开发商在此基础上进行有关工程设计专业的二 - 8 - 次开发。随着汽车三维技术的不断发展,其覆盖的工作领域也不断地扩大,如工程设计汽车 CAD 项目的、初步设计、分析计算、绘制工程、优化等。汽车三维技术的应用正在有力而 迅速地改变着传统的工程设计方法和设计生产的管理模式。 通过多年的设计实践汽车三维技术以简单、快捷、存储方便等优点已在工程设计中承担着 不可替代的重要作用。许多工程都应用了计算机进行辅助设计和辅助绘图,尤其建立了辅助 设计与管理后,不仅能提高设计质量,缩短设计周期,而且创造了良好的效益和效益,汽车三 维技术的应用使工程设计人员如虎添翼,在更加广阔的天地里施展才华。但随着汽车 CAD 在 工程中的大量应用及其技术的成熟，它的一些缺点也暴露无遗，所以也有很多人不接受这 一技术，认为它限制了建筑设计业的发展。那么汽车 CAD 究竟利大于弊还是弊大于利，怎 样才能对它善加利用，我们不妨对汽车 CAD 的双重性做一个剖析。 1）汽车三维技术在工程设计中的优点 1.1 设计工作的高效及设计成果的重复利用 汽车 CAD 之所以高效，因其最伟大的功能之一：“COPY”。一些相近、相似的工程 设计，图纸只要简单修改一下就行了，或者直接套用，而你只需按几下键盘、鼠标。汽车 CAD 软件可以将建筑施工图直接转成设备底图，使水暖、电气的设计师不会在描绘设备底 图上浪费时间。而且现在流行的汽车 CAD 软件大多提供丰富的分类图库、通用详图，设 计师需要时可以直接调入。重复工作越多，这种优势越明显。结构计算的高效，一个普通 的框架结构，以往手工计算需要一个星期左右时间，用汽车 CAD 快的一天就可以完成。 1.2 资料保管方便 汽车 CAD 软件制作的图形、图象文件可以直接存储在软盘、硬盘上，资料的保管， 调用极为方便。你可以将设计项目刻录成光盘，数据至少可以保存 50 年。你可以将以前的 图纸通过扫描仪，数字化仪输入电脑，避免资料因受潮、虫蛀以及破坏性查阅造成的不必 要损失。资料的管理更有科学性，只要一台电脑就可以管理的井井有条，资料室也将告别 成排的资料柜，因为一个院所从成立到现在所有的资料几张光盘就装下了。 1.3 设计理念的改变 汽车 CAD 的智能化将部分取代设计师的一些设计工作，而汽车 CAD 对设计的标准化、 产业化起着巨大的推动作用。随着信息技术、网络技术的发展，跨地区合作设计，异地招 投标、设计评审也将普及。在第一时间接受科技信息，与世界同步。通过一根电话线“在 - 9 - 家工作”将成为可能。 2）汽车三维技术在设计中的缺点 汽车三维技术在给设计业带来巨大效益的同时其负面作用也日益显现，值得我们深思。 由于电脑屏幕尺寸的限制，设计师关注的往往是设计的局部，对全局的把握有一定影响， 使得整个建筑物的比例、体量失控。汽车 CAD 的精确性要求其每一笔都要有准确的数据， 使得方案设计中需要的模糊性、随机性被扼杀，设计缺乏灵感。另一方面汽车 CAD 软件 自身功能的局限性以及设计师对汽车 CAD 软件掌握的熟练程度，使得建筑师好的灵感、 创意不能通过汽车 CAD 表达出来，建筑师的思想、思路、灵感被束缚。 综上所述，汽车三维技术给设计师带来了极大的方便，但也带来了许多负面效应。无论如 何我们都应承认汽车 CAD 给我们的好处，要正视它的局限性，善用它的长处。展望未来, 技术的发展是无止境的,我们每一位工程设计人员都将以此先进的技术为手段,在各自岗位上 发挥最佳能力,并以热忱的服务、优质的设计、敬业的精神,为工程设计行业做出我们的贡献。 2.3 三维技术的发展趋势三维技术的发展趋势 人类已经步入知识经济和信息化的时代，随着世界自由贸易体制的不断完善，全球统 一大市场的形成以及全球信息高速公路网络和交通运输体系的建立，制造业将得以借助全 球互联网络、计算机通汛和多媒体技术实现全球或异地制造资源（知识、人才溃金、软件、 设备等）的共享与互补。制造业、制造产品和制造技术走向国际化，制造自动化系统也进 一步向网络化、全球化方向发展。基于因特网的全球制造将在不久的将来变成现实，敏捷 制造企业和虚拟公司将应运而生，真正的虚拟制造系统和敏捷制造系统也在 21 世纪面世。 为了适应未来制造业的发展，对 CADCAM 及其相关技术提出了新的需求： 1）集成化 更强调技术、人和管理的集成。在开发制造系统时强调“多集成”的概念， 即信息集成、智能集成、串并行工作机制集成、资源集成、过程集成、技术集成及人员集 成。 2）智能化 应用人工智能技术实现产品生命周期（包括产品设计、制造、发货、支持 用户到产品报废回收等）各个环节的智能化，实现生产过程包括组织、管理、计划、调度、 控制等）各个环节的智能化，也要实现人与制造系统的融合及人的智能的充分发挥。 - 10 - 3）网络化 网络技术包括硬件与软件的实现。各种通讯协议及制造自动化协议、信息 通信接口、系统操作控制策略等是实现各种制造系统自动化的基础。 4）分布式并行处理技术 分布式并行处理技术实现制造系统中各种问题的协同求解、 获得系统的全局最优解，实现系统的最优决策。 5）多学科、多功能综合产品开发技术 机电产品的开发设计不仅涉及到机械科学的理 论与知识（力学、材料、工艺等） ，而且还涉及到电磁学、光学、控制理论等。不仅要考虑 技术因素，还必须考虑到经济、心理、环境、卫生及社会等方面因素。机电产品的开发要 进行多目标全性能的优化设计，以追求机电产品动静态特性、效率、精度、使用寿命、可 靠性、制造成本与制造周期的最佳组合。 6）虚拟现实技术 利用虚拟现实技术多媒体技术及计算机仿真技术，实现产品设计制 造过程中的几何仿真、物理仿真、制造过程仿真及使用过程仿真。 7）人一机一环境系统技术 将人、机器和环境作为一个系统来研究，发挥系统的最佳 效益：研究的重点是：人机环境的体系结构及集成技术、人在系统中的作用及发挥、人机 柔性交互技术、人机智能接口技术、清洁制造等。 3 三维技术在汽车工程领域的应用状况三维技术在汽车工程领域的应用状况 3.13.1 汽车模具三维技术汽车模具三维技术 模具是能生产出具有一定形状和尺寸要求的零件的一种生产工具，也就是通常人们所 说的模子。模具生产具有高效、节材、成本低、保证质量等一系列优点。 在 60 年代初期，国外一些汽车制造公司就开始了模具 CAD 的研究。例如 DIECOMP 公司 研制成功的模具 CAD 系统，使整个生产准备周期由 18 周缩短为 6 周。目前我国已有许多企 业采用模具三维技术，取得了丰富的经验和技巧，使模具精度和生产率大为提高，但是由 于多方面的原因，尽管有些企业已经实现了无图纸设计，其模具 CAD 工作大多局限于计算 机画图（Computer Aided Draft）和二维设计，只有个别企业的汽车模具设计和制造能力 接近国际先进水平。此外，国内也出现了一些拥有自主版权的软件，如北京航空航天大学 - 11 - 华正模具研究所开发的 CAD 系统 CAXA 等，解决了生产中的一些问题，但还没有得到很好的 推广和使用。 我国在对汽车新车型的开发上远远落后发达国家，其中一个重要原因就是覆盖件模具 的设计效率低。国内传统的模具设计方法已不能适应汽车工业的发展需要，而引进国外的 覆盖件模具产品花费过高，而且会严重阻碍汽车产品的更新换代。要解决上述问题，就必 须研究开发我国自己的模具三维技术，同时在国外先进的通用造型软件基础上进行二次开 发无疑是一种必要而又有效的手段。 模具结构设计一般可分为二维设计和三维设计两种，两种方法各有其优、缺点。计算 机二维设计优点是设计速度快、占用计算机内存小、对计算机硬件配置要求不高，使用成 本低廉；缺点是设计错误不易被发现，不能直接用于分析和加工。而三维设计可实现参数 化、基于特征、全相关等，使得产品在设计阶段易于修改，同时也使得并行工程成为可能 。另外，三维设计形象、直观，设计结构是否合理使人一目了然，但三维设计会导致计算 机运算速度低、软件占用硬盘和内存的空间大、设计速度慢等。 国外汽车覆盖件模具三维技术的发展已进入实质性的应用阶段，不仅全面提高了模具设 计的质量，而且大大缩短了模具的生产周期。近些年来，我国在汽车覆盖件模具三维技术 的应用方面也取得了显著的进步，但目前依然存在着一些问题，如设计效率低、标准化程 度低、专用性差、开发手段落后、用户界面不能满足要求等，针对此，模具三维技术主要 向参数化、智能化、集成化、专业化等方面发展。 3.2 汽车车身覆盖件汽车车身覆盖件 CAD 的技术的技术 车身是汽车的一个非常重要的总成，占汽车车身质量和造价的40%60%，其设计的 好坏直接影响着汽车的使用性能。车身又决定了汽车外形的美观程度，而汽车外形是消费 者在购车时首先考虑的因素，对影响消费者的决策起着关键性的作用。同时车身还必须有 足够的强度和静刚度、良好的动力学性能指标，达到保证成员安全和汽车寿命，抗振抗噪， 节约能源等目标。 （1）汽车覆盖件模具型面CAD的特点 一般覆盖件成形都要依次经过拉延、切边、整形、翻边和冲孔等几道工序。第一道工 - 12 - 序，即拉延工序中最重要的是工艺补充面的设计。工艺补充面设计得好坏直接影响到所设 计的模具能否拉出合格的零件，能否减少调试模具的时间，缩短整个模具的生产周期。 （2）汽车覆盖件模具结构CAD的特点 大型模具结构一般都比较复杂，一副大型覆盖件模具有上百个零件，模具的外形尺寸 也比较大。模具结构设计一般可分为二维设计和三维设计两种，两种方法各有其优、缺点。 计算机二维设计与手工图板设计相似，属平面绘图，其优点是设计速度快、占用计算 机内存小、对计算机硬件配置要求不高，是一种投资小、见效快的方法；它的缺点是设计 错误不易被发现，不能直接用于分析和加工。三维设计有很多优点，如可实现参数化、基 于特征、全相关等，使得产品在设计阶段易于修改，同时也使得并行工程成为可能。三维 设计形象、直观，设计结构是否合理使人一目了然。同时，三维设计的自动标注尺寸减少 了人为设计错误，但三维模具设计目前也存在一些问题，例如：计算机运算速度低、软件 占用硬盘和内存的空间大、模具结构投影线条多、设计速度慢等。 3.33.3 汽车底盘三维技术汽车底盘三维技术 汽车总布置是汽车设计中重要的一环，对汽车产品质量起决定性的作用。总体布置采 用模块化设计，模块之间互相联系，彼此间可以交换数据。 在进行布置设计时，都是在三维空间内进行，因此必须确定零部件位置，这对建立整 车坐标系及总称的坐标系很有必要。在已建立的坐标系中建立数学模型，用坐标点的方法 完成总称装配。待设计完成后，要进行干涉检查，一般分为位置干涉检查和运动干涉检查 。汽车动力性、操纵稳定性、制动性都是性能分析的重要工作。 另外，汽车总布置 CAD 系统是以数据库、图形库为基础的，设计过程中产生的一系 列数据对于今后的工作会有很大的帮助，节省工作量。总成图形库存储的是与整车总布置 密切相关的零部件，其数据包含了对总成的特征结构和尺寸的描述。总布置数据库主要包 含设计中一些中间参数和数学模型运行结果，具有动态性。 3.43.4 三维技术在汽车轻量化中的应用三维技术在汽车轻量化中的应用 - 13 - 汽车减小自重，不仅可以改善汽车的各项性能，还能降低油耗节省资源。有两种途径 可实现汽车轻量化，一种是采用复合材料，另一种是减小汽车结构尺寸。但不是为了保证 汽车具有较高的安全性，采用缩小尺寸的方式必有一个界度。尽管现如今复合材料已经广 泛用于汽车上，但是从整体上来说，还没有完全达到节省资源的目的。一方面继续研究性 能更为优越的轻量化材料，另一方面可以从设计方面入手。 目前 CAD 系统只能表示实体的几何和拓扑信息，而不能表示材料信息。一个现代化 的 CAD 系统应该能建立实体内部的材料信息，即在一个实体内有着不同的材料结构。而 许多结构部件要求材料性能在零件内部随位置变化而连续变化，这要做既能满足零件的性 能要求，又能节省大量材料。比如气缸，其内部承受高温，因此可采用耐高温材料陶 瓷，外部要求具有良好的延展性，可采用金属，因此可以实现陶瓷材料和金属基体间的双 向扩散，材料组成呈梯度变化。但是能够同时进行几何设计和材料设计的三维技术，在国 内并没有从理论走向实践，不过这将会成为今后三维技术研究的新亮点。 3.53.5 近年来汽车工业近年来汽车工业 CAD/CAM/CAECAD/CAM/CAE 系统选型趋向系统选型趋向 汽车工业代表着一个国家制造业发展的水平。世界经济大国的经济发展无一不与汽车 工业有着极为密切的关系。汽车工业的前一、二名即是全球企业的冠、亚军，似乎能很好 地说明这一点。抛开遥远的欧美不谈，我们只需将眼光放在亚洲邻国，日本和韩国都是主 要在汽车和电子这两大工业取得飞速发展后，带动了整个国民经济的腾飞。因此，汽车工 业对国家的重要性可想而知。作为制造业的中坚，汽车工业一直是CAD/CAM/CAE系统应用的 先锋。三维技术的应用，有效地推动了汽车制造业的前进；汽车业的需求也极大地带动了 三维技术的发展。多年来，汽车业的选型趋向一直是CAD/CAM/CAE技术发展的晴雨表，也是 业内人士关注的焦点。因此，重温近几年来汽车业巨子的选型过程，了解他们应用 CAD/CAM/CAE技术的现状，无疑会对国内CAD用户的选型决策起到重要的参考作用。 随着汽车产量的大幅度提升和保有量的相对固定，导致竞争加剧，使得每辆汽车的利 润大幅度下滑。如何在提高质量的前提下，在产品开发的每一个环节上降低成本，成为汽 车制造商孜孜以求的目标。而竞争的加剧，则更要求汽车制造商要更快地将高质量的新车 型推向市场。 汽车制造业是技术密集型和劳动密集型产业。为降低生产成本和减少污染，汽车制造 - 14 - 商往往将劳动含量高、技术含量低的配件厂建在海外。因此，协同开发、数据共享又成为 了制约产品上市周期的重要因素。进入九十年代以后，三维技术的应用成本相对于二十多 年前来说，已不算太高，而产品开发的成本却在不断上升，其中开发工程师的成本上升的 尤为明显。 因此，基于以上考虑，易学好用、设计/分析/制造一体化的软件一直备受企业的青睐； 同时，支撑整个企业产品信息的框架式软件产品数据管理系统（PDM），也逐渐为众 多的汽车制造商所接受。 4 三维技术在汽车制造方面前景广阔三维技术在汽车制造方面前景广阔 1.汽车业巨人们如何打算 近几年来，面对居高不下的生产成本和日渐削减的利润，汽车制造商们发现盲目地引 进种类繁多的、大量的软件未必能解决企业正在面临的问题。彻底改造研发环境才是真正 的出路。于是各大汽车制造商面向整个企业信息系统的改造计划都在紧锣密鼓地蕴酿之中。 以下为几个主要的汽车制造商所提出的计划： 福特： 福特2000年，C3P项目； 马自达： 数字改造计划； 日产： 业务过程革新； 雷诺： 产品设计及生产环境重组； 日野： 并行工程计划等等。 下面重点以福特汽车公司的软件选型为例，重温这个引起全球业界震动的典型案例。 2.史无前例的软件选型福特建立C3P体系 1993年，福特汽车公司制定了面向21世纪的福特2000年长远发展规划，决定彻底改 造自己的计算机应用状况。福特的目标是：一个新车型的开发周期从目前的36个月缩短到 18个月乃至12个月；新车开发的后期设计修改减少50%；原型车制造和测试成本减少50%； 投资收益提高30%。 福特希望用一个产品数据管理系统（PDM）把计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工 程分析（CAE）、计算机辅助制造（CAM）集成起来，融汇到一个遍布全球的公用数据系统 之中，即C3P（CAD/CAM/CAE/PDM）。这是C3P概念在整个业界第一次正式提出。 历经各个历史阶段的选型与积累，福特内部使用着多种CAD系统：大量的CADDS5与 - 15 - CATIA，还有一些PTC公司和SDRC公司的产品，主要系统是自己开发的PDGS系统。由于庞大 的设计工作量，在各个系统之间进行数据交换常常浪费大量时间，同时还会产生数据丢失 现象；有时为了找到自己所需要的数据往往要化费很多时间和精力，还经常发生数据混乱 现象。福特下决心以C3P为标准，在全球CAD行业中选出一个适合自己的、高度集成的核心 式主流软件系统，实现一致性的设计/分析/制造数据表达。 福特首先在内部统一了思想认识：我们是造车的，不是做软件的。自己的PDGS虽然 实用功能很强，但毕竟在软件技术上已经落伍，不符合C3P的要求。福特决定依托一种商用 CAD系统，然后将PDGS的功能向它移植。整个选型过程持续了两年时间，几乎世界上所有的 大型CAD软件供应商都加入了竞争的行列。 首先是UG、然后是CV、继而是CATIA被从竞争的行列中排除出去。因为这些软件的体系 结构都已老化、久未更新；软件技术已经落后；学习、应用和实施起来比较困难。而且， 他们不能提供适合福特要求的企业级PDM产品。所以他们都相继被淘汰。最后的竞争主要集 中在PTC和SDRC的软件产品上。整个分析比较的过程严格、审慎，论证充分。 但是经过反复比较，充分论证，福特汽车公司最终选择了SDRC作为其长期合作伙伴； 选择IdeasMasterSeries作为其主流核心软件，以集成其它CAD系统上的开发成果；选择 MetaphaseSeries作为其全企业信息系统的集成框架。其论证过程中的几项条件如下： -软件公司的独立性及财政情况：财政情况独立、良好的软件公司才能够持续不断地开发出 新的软件技术； -软件技术的领先性和技术的可持续发展性：由于三维技术发展很快，如果在技术上不领先 或技术已发展到尽头，则将会在激烈的市场竞争中处于劣势，导致最终因技术落后而被淘 汰； -技术支持能力、工程经验以及软件公司的可合作性：软件公司本身必须有丰富的工程经验， 才能真正了解用户的需求并付诸实现；在技术的发展方向上应能满足用户需求（可合作性） ，同时有强大的工程师队伍帮助用户迅速掌握软件，快速解决使用中的问题； -CAD/CAM/CAE/PDM各方面技术都比较领先，可为企业提供全面解决方案：C3P技术的最终实 施应用，才能为企业带来根本上的好处，为企业加强综合竞争力打下良好基础； -软件的易学易用性：软件必须通过人来发挥效率，如不能易学易用，自然很难发挥应有功 效； -有强大的大用户群支持：由于大用户在实际应用中会遇到各种问题，这些问题一般具有普 遍性，从而促使软件公司不断解决这些问题，带动技术更新。 - 16 - 基于以上六方面的分析考虑，结合严格的评审和适量的考题测试，福特汽车公司得出 了类似本文上期（第二部分）的结论：Pro/Engineer是很好的造型软件，在已定型的系列 化零部件造型方面极易发挥特长，但由于参数化技术的局限性，在结构形状不断变化的概 念设计阶段却显得无能为力；IdeasMasterSeries是很好的机械工程软件体系。相对于参数 化技术，SDRC的变量化技术给设计者提供了更大的方便性和创造空间，其技术的发展更具 潜力；SDRC提供C3P解决方案的综合实力是目前世界上最强的；SDRC由于多年从事技术服务 和咨询工作，对于工程的理解以及解决工程实际问题的能力较强；特别是SDRC长期服务于 福特所表现出来的合作精神等。所以最终选择SDRC作为长期战略合作伙伴，双方签定了高 达2.1亿美元的合同。福特及其配件厂商将在2000年底以前从SDRC公司购买约15,000套 IdeasMasterSeries软件和约12,000套的MetaphaseSeries软件的使用权，成为世界CAD发展 史上迄今为止最大的一次采购合同。这次选型是一次颇具代表性的CAD选型，对业界产生了 深远的影响。 3.福特效应 伴随着大型汽车制造厂商开始选择主流软件的浪潮，很多汽车企业开始启动了自己的 选型计划。他们各自的选型方式皆有不同，但以上福特所列的六个选型要点却都考虑在内。 相近的选型要点必然得出类似的选型结果。继福特之后，又有了马自达、日产、雷诺、日 野等等。在近三年这些新的大型选型过程中，SDRC公司赢得了约80%的合同，这种现象被业 界评论家称之为福特效应。 4.汽车业计算机应用未来发展趋势 高质量、低成本、更快的产品上市时间和更新的产品式样是企业注定要追求的共同目 标。通过福特的选型案例以及汽车业人士的论述，我们至少看到了以下四个方面的汽车业 计算机应用未来发展趋势： 改进企业过程有效地利用企业资源，步入全球性大协作； 核心式工程工具实现电子（或数字）样机需要核心式的主模型技术； 数据管理及控制用 PDM 系统构建企业信息框架，实现企业级信息共享； 集成的供应链制造厂商与零配件供应商形成集成的供应链。 - 17 -