摘要 摘要 隨著社會(huì)的發(fā)展和生活水平的提高，人們對(duì)汽車的性能要求也越來(lái)越高。汽 車懸架是影響汽車性能的重要部件之一，懸架性能的好壞直接影響著汽車行駛的 平順性和操縱穩(wěn)定性，懸架的性能取決于懸架的開發(fā)設(shè)計(jì)水平，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法 周期長(zhǎng)、成本高。利用電子樣機(jī)技術(shù)對(duì)汽車懸架進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析是一種有效的 方法。 本文首先對(duì)汽車的不等臂式雙橫臂獨(dú)立懸架的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行了分析，針對(duì)汽 車的不等臂式雙橫臂獨(dú)立懸架的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)組成，制定了建立汽車懸架的簡(jiǎn) 化建模的方案，應(yīng)用c a t i a 軟件的p a r td e s i g n 模塊，建立了汽車懸架的三維立體 簡(jiǎn)化模型。在此基礎(chǔ)之上，通過(guò)對(duì)樣機(jī)模型施加合理的運(yùn)動(dòng)副和驅(qū)動(dòng)命令，建立 了簡(jiǎn)化的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型；應(yīng)用電子樣機(jī)模塊對(duì)懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿 真分析，創(chuàng)建了懸架關(guān)鍵零部件的包絡(luò)體；并且對(duì)整車懸架樣機(jī)模型進(jìn)行了靜態(tài) 干涉分析并實(shí)現(xiàn)了部件的優(yōu)化。 本文基于軟件c a t i a 的電子樣機(jī)模塊d m n 創(chuàng)建的汽車懸架動(dòng)態(tài)仿真分析過(guò) 程，能夠較好地仿真汽車懸架的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可以使人較形象的了解懸架的運(yùn)動(dòng)過(guò) 程。在分析懸架動(dòng)態(tài)干涉時(shí)創(chuàng)建的汽車輪胎包絡(luò)體，為下一步汽車輪罩的裝配設(shè) 計(jì)提供了參考和依據(jù)。 關(guān)鍵詞：懸架電子樣機(jī)技術(shù)虛擬設(shè)計(jì)虛擬裝配 2 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es o c i e t ya n dt h eh n p m v e m e n to ft h el i f e ，p e o p l e s d e m a n df o rr i d ep e r f o r m a n c ei si n c r e a s i n g a u t o m o t i v es u s p e n s i o ni so n eo ft h e i m p o r t a n tc o m p o n e n t se f f e c t i n ga u t o m o t i v ep e r f o r m a n c e ，a n da u t o m o t i v es u s p e n s i o n p e r f o r m a n c e so i r e c o yd e t e r m i n et h er i d ec o m f o r ta n dt h es t a b i l i t y s u s p e n s i o n p e r f o r m a n c e sr e l a t et ot h er & dd e s i g nf o rs u s p e n s i o nn e a r l y t h ep e r i o d so f c o n v e n t i o n a ld e s i g nm e t h o di s l o n g ，a n dt h e c o s ti s h i g h ，h o w e v e rs i m u l a t i o n e x p e r i m e n tt h r o u g he l e c t r o n i cp m t o t y p i n gt e c h n o l o g yi sae f f e c t i v em e t h o dt oi m p r o v e t h es t a t ea tp r e s e n t t h ep a p e ra tf i r s t i n v e s t i g a t e sp a r t i c u l a r l ym o v e m e n tt r a i t o fi n d e p e n d e n c e a u t o m o t i v es u s p e n s i o n ，t h e nb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i ca n ds t r u c t u r ei te s t a b l i s h e st e r s e m o d e lp r o j e c ta b o u ta u t o m o t i v e s u s p e n s i o n w i t h p a r td e s i g nm o d e lo fc a t i a s o f t w a r e ，i td e s i g n ss i m p l i f i l yt h ea u t o m o t i v es u s p e n s i o na n de s t a b l i s h e s3 - dm o d e l ， a n ds e t su pk i n e m a t i cs i m u l a t i o nm o d e l u s et h em o d u l eo fe l e c t r o n i cp r o t o t y p eo fa m a c h i n et o c a l r yo nd y n a m i ce m u l a t i o na n a l y s i st ot h ek i n e m a t i c sm o d e lo ft h e s u s p e n s i o n ，h a v ee s t a b l i s h e dt h en e tb o d yo ft h es u s p e n s i o nk e yp a r t s t h es t a t i c i n t e r f e r ea n a l y s i so ft h ew h o l ec a l s u s p e n s i o nm o d e lh a sb e e nd o n et oo p t i m i z et h e p a r t s t h i sp a p e rb a s e do ns o f t w a r ec a t i ae l e c t r o n i cp r o t o t y p eo fam a c h i n em o d u l e d m ne s t a b l i s h e dt h es u s p e n s i o nd y n a m i cs i m u l a t i o na n a l y s i sp r o c e s s ，c a ns i m u l a t et h e a u t o m o b i l es u s p e n s i o nm o t i o ns t a t ew e l l ，a n dt h em o v e m e n tp r o c e s so ft h es u s p e n s i o n t h ea u t o m o b i l et h en e tb o d yt h a te s t a b l i s h e dw h i l ea n a l y z i n gt h ed y n a m i ci n t e r f e r eo f s u s p e n s i o n ，h a so f f e r e dr e f e r e n c ea n db a s i sf o rt h ea s s e m b l ya n dd e s i g no ft h e a u t o m o b i l ew h e e lc o v e r si nn e x ts t e p k e y w o r d s ：s u s p e n s i o n ；e l e c t r o n i cp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y ；v i r t u a ld e s i g n ；v i r t u a l a s s e m b l a g e 重慶交通大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú) 立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論 文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的作品成果。對(duì)本文 的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本 人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 、一p 擴(kuò) 學(xué)位論文作者簽名：土敝笱 e t 期：如卉年6 月6 e t 重慶交通大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定， 同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版， 允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)重慶交通學(xué)院可以將本學(xué)位論文的 全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃 描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 學(xué)位論文作者簽名：主敏著 日期：如一年6 月6 日 指導(dǎo)教師簽名：歹陸叼 - ，一 日期：腫z 月日 第一章緒論 第一章緒論 1 1 本論文的研究背景和研究意義 自從計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械行業(yè)中來(lái)以后，每一項(xiàng)計(jì)算機(jī)軟件的開發(fā)和改善， 無(wú)一不推動(dòng)著機(jī)械行業(yè)在深度和廣度上的迅速提高，同時(shí)社會(huì)生產(chǎn)力也得到了不 同程度的發(fā)展。相應(yīng)的，計(jì)算機(jī)軟件在汽車行業(yè)上的應(yīng)用，也使的汽車行業(yè)在產(chǎn) 品開發(fā)，生產(chǎn)手段等方面得到了日新月異的改進(jìn)。汽車懸架產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)是從 傳統(tǒng)的手工制圖向c a d 建模方向發(fā)展，汽車懸架的產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程是從概念一設(shè)計(jì) 一試制一修正這樣一個(gè)循環(huán)往復(fù)的繁瑣過(guò)程向生動(dòng)逼真的電子樣機(jī)技術(shù)發(fā)展的。 按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，只能在汽車懸架產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最后階段，甚至是等樣車生產(chǎn) 出來(lái)之后，才能發(fā)現(xiàn)汽車懸架的運(yùn)動(dòng)是否合乎設(shè)計(jì)者和客戶的實(shí)際要求，然后再 進(jìn)行改進(jìn)。這樣一來(lái)，不可避免地會(huì)造成不必要的人力、物力、財(cái)力的巨大浪費(fèi)。 在科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力的今天，先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用是決定產(chǎn)品生存淘汰的決定性 因素。怎樣才能在劇烈的競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地，產(chǎn)品開發(fā)周期的長(zhǎng)短是個(gè)關(guān)鍵。 現(xiàn)在的汽車懸架產(chǎn)品品種多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)用面廣。汽車在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中作用 巨大，并且在交通運(yùn)輸中也占有很大一部分市場(chǎng)份額；隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展 和公路建設(shè)的不斷提高，這種發(fā)展趨勢(shì)將會(huì)越來(lái)越快。當(dāng)然，廣大用戶對(duì)汽車的 性能要求和對(duì)汽車的外形設(shè)計(jì)將會(huì)越來(lái)越高。因此在汽車懸架的設(shè)計(jì)上、制造上 需要采用更加先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件才能提高懸架的性能，才會(huì)在激烈的市 場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地【1 】。由于當(dāng)今市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈與科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的加快，使 得產(chǎn)品開發(fā)的技術(shù)含量與復(fù)雜程度日益增加，同時(shí)也由于產(chǎn)品的生命周期不斷地 縮短，因此，縮短新產(chǎn)品開發(fā)的周期、提高新產(chǎn)品開發(fā)的技術(shù)水平、降低新產(chǎn)品 開發(fā)的成本，并保證上市后產(chǎn)品的上市周期，是當(dāng)前新產(chǎn)品開發(fā)面臨的需要解決 的重要問(wèn)題。 汽車機(jī)械系統(tǒng)中存在著各種各樣復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)【2 】，其中汽車懸架系統(tǒng)作為影 響汽車性能的重要部件，它既是汽車的運(yùn)動(dòng)部件，也是汽車的重要總成之一，其 參數(shù)的選取和各元件的布置對(duì)汽車的行駛平順性、穩(wěn)定性、通過(guò)性及燃料經(jīng)濟(jì)性 等多種使用性能都有重要的影響。如何對(duì)其進(jìn)行虛擬的運(yùn)動(dòng)創(chuàng)建、仿真及檢驗(yàn)是 現(xiàn)在懸架設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在c 舸a 軟件的電子樣機(jī)d m u 模塊下就可以將這變 為現(xiàn)實(shí)；在這一模塊下，使產(chǎn)品試制之前就可以在計(jì)算機(jī)上試裝，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì) 過(guò)程中產(chǎn)生的各系統(tǒng)之間或系統(tǒng)內(nèi)部的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)干涉，進(jìn)行行駛系、轉(zhuǎn)向系、 傳動(dòng)系的動(dòng)力總成及相應(yīng)雯部佳性能以及操縱穩(wěn)定性、行駛平順性、制動(dòng)穩(wěn)定性 第一章緒論 2 等整車性能的仿真試驗(yàn)，此外，還可以能夠用于電子樣車、裝配工藝分析、產(chǎn)品 展示等。由于轎車的使用性能要求較高，并且具有較為復(fù)雜多變的運(yùn)動(dòng)工況。如 果采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，很難將一些設(shè)計(jì)中潛在的問(wèn)題解決， 而采用電子樣機(jī)技術(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)懸架系統(tǒng)的預(yù)先設(shè)計(jì)進(jìn)行準(zhǔn)確的分析校核， 從而進(jìn)一步的發(fā)現(xiàn)是否存在干涉問(wèn)題。運(yùn)用c a t i a 軟件的電子樣機(jī)空間分析模塊 就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)懸架系統(tǒng)的三維的動(dòng)態(tài)干涉分析，我們可以充分發(fā)揮三維模型直觀、 準(zhǔn)確、快速的優(yōu)勢(shì)。在c a t i a 軟件的d 刪模塊中，可以獲得運(yùn)動(dòng)部件的包絡(luò)體， 即運(yùn)動(dòng)部件的最大運(yùn)動(dòng)范圍。形成懸架上下擺臂運(yùn)動(dòng)的包絡(luò)體后，可以測(cè)量其與 周圍部件的間隙，分析是否符合要求及干涉。o l m t 1 的干涉分析功能主要適用于對(duì)裝 配模型進(jìn)行碰撞、接觸分析和間隙分析，并判斷元件之間的干涉程度。根據(jù)需要， 還可以進(jìn)行不同水平的干涉分析，可以從簡(jiǎn)單的干涉探測(cè)到詳細(xì)的碰撞、接觸和 間隙分析。 本論文就是充分發(fā)揮了三維軟件的電子樣機(jī)功能，在軟件c a t i a 的機(jī)械設(shè)計(jì) 中的裝配平臺(tái)上導(dǎo)入并創(chuàng)建了汽車懸架的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)模型，也就是需要仿真的樣機(jī)。 然后在空間分析模塊下，對(duì)創(chuàng)建樣機(jī)進(jìn)行了干涉分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)的合理 性，并對(duì)實(shí)踐上不合理的地方進(jìn)行改進(jìn)。在本論文中，就是利用c a a 的這一功 能對(duì)汽車懸架進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真和干涉分析的。 電子樣機(jī)技術(shù)作為一項(xiàng)新興的計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，在汽車行業(yè)上的運(yùn)用越來(lái)越 受到該行業(yè)人士的重視。電子樣機(jī)技術(shù)的運(yùn)用是縮短車輛研發(fā)周期，降低開發(fā)成 本，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)質(zhì)量的一種重要手段。電子樣機(jī)技術(shù)是利用系統(tǒng)仿真的 概念，從傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)一試驗(yàn)一改進(jìn)設(shè)計(jì)到再試驗(yàn)一再設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)理念轉(zhuǎn)化成設(shè)計(jì) 仿真一試驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想。因?yàn)殡娮訕訖C(jī)技術(shù)可以部分的代替樣機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真 分析，所以這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用可以使的一些主要問(wèn)題在概念產(chǎn)品的初級(jí)階段就可以 很好的得到解決。電子樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用能把工程設(shè)計(jì)人員從繁重的設(shè)計(jì)試制中解 放出來(lái)，從而設(shè)計(jì)人員可以將主要精力應(yīng)用到具有創(chuàng)造性的工作中來(lái)?？偟恼f(shuō)來(lái)， 應(yīng)用電子樣機(jī)技術(shù)建立的動(dòng)畫模型仿真改善了設(shè)計(jì)人員的工作狀況，減少了產(chǎn)品 的研究開發(fā)周期，提高了技術(shù)人員的工作效率，降低了產(chǎn)品的工作成本，并且， 還可以很好地向客戶展現(xiàn)產(chǎn)品樣本。c a t i a 軟件中的模塊d m u ( d i g i t a lm o c k u p ) 通過(guò)自動(dòng)化的命令和可視化的文件，使用戶可以大大提高工作效率。借助于其他 電子樣機(jī)產(chǎn)品的集成，使技術(shù)人員對(duì)樣機(jī)的審核及仿真成為可能閉。 本文對(duì)電子樣機(jī)技術(shù)在汽車懸架仿真分析上的實(shí)際應(yīng)用作出了探索，在分析 懸架運(yùn)動(dòng)時(shí)應(yīng)用了一種新的方法 4 1 。電子樣機(jī)技術(shù)這一方法在汽車懸架動(dòng)態(tài)仿真中 的應(yīng)用，對(duì)汽車工業(yè)技術(shù)水平的提高和降低汽車研發(fā)成本、提高企業(yè)在競(jìng)爭(zhēng)中的 第一章緒論 3 地位具有重要的理論和實(shí)際的意義嗍。 1 2 汽車懸架動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 完美是人類永恒的追求，人類為了乘坐舒適，在汽車上加有了懸架。1 7 7 6 年 馬車用的葉片彈簧取得了專利，并且一直使用到2 0 世紀(jì)3 0 年代，葉片彈簧才逐 漸被螺旋彈簧所代替，汽車出現(xiàn)后，隨著對(duì)懸架深入的研究，相繼出現(xiàn)了扭桿彈 簧、氣體彈簧、橡膠彈簧、鋼板彈簧等彈性元件。1 9 3 4 年世界上出現(xiàn)了第一個(gè)有 螺旋彈簧組成的被動(dòng)懸架 6 1 。被動(dòng)懸架的參數(shù)經(jīng)過(guò)經(jīng)驗(yàn)或者優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)取定，各參 數(shù)在行使過(guò)程中保持不變。它是一系列路況的折中，很難適應(yīng)各種復(fù)雜的路況， 減震的效果較差，為了克服這種缺陷，產(chǎn)生了非線性剛度彈簧。被動(dòng)懸架是傳統(tǒng) 的機(jī)械結(jié)構(gòu)，剛度和阻尼都是不可調(diào)的，依照隨機(jī)振動(dòng)理論，過(guò)去只能保證在良 好的的路面下才能夠較好的行使。但是它的理論成熟、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠，成 本相對(duì)低廉且不需要額外能量，因而應(yīng)用非常廣泛r 7 】。 近年來(lái)，隨著懸架產(chǎn)品復(fù)雜性的不斷增長(zhǎng)，以及企業(yè)間競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，傳 統(tǒng)的懸架產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法已經(jīng)很難滿足企業(yè)當(dāng)前生存和發(fā)展的需要。為了能在競(jìng)爭(zhēng) 中處于有利位置，實(shí)現(xiàn)懸架產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)仿真分析勢(shì)在必行。懸架產(chǎn)品仿真分析過(guò) 程本質(zhì)上是一個(gè)對(duì)信息進(jìn)行采集、傳遞、加工處理的過(guò)程，其中包含了兩種重要 的活動(dòng)：懸架樣機(jī)動(dòng)態(tài)仿真活動(dòng)和仿真后的優(yōu)化活動(dòng)。因此懸架產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)分析也 可以看作是一個(gè)懸架樣機(jī)仿真活動(dòng)和樣機(jī)優(yōu)化活動(dòng)彼此交織相互作用的過(guò)程。仿 真分析活動(dòng)推動(dòng)信息流程向前演進(jìn)，而樣機(jī)仿真分析則是驗(yàn)證仿真結(jié)果的重要手 段，二者關(guān)系密不可分。隨著技術(shù)的發(fā)展，懸架樣機(jī)仿真的重要性正在不斷加強(qiáng)。 到目前為止懸架電子樣機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展歷程可以大體上劃分為以下三個(gè)階段。 ( 1 ) c a x 工具的廣泛應(yīng)用。自2 0 世紀(jì)5 0 年代開始，各種c a d c a m 工具開始 出現(xiàn)并逐步應(yīng)用到制造業(yè)中。這些工具的應(yīng)用表明懸架制造業(yè)已經(jīng)開始利用現(xiàn)代 信息技術(shù)來(lái)改進(jìn)傳統(tǒng)的懸架產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程，標(biāo)志著數(shù)字化設(shè)計(jì)的開始。 ( 2 ) 并行工程思想的提出與推行。2 0 世紀(jì)8 0 年代后期提出的并行工程是一種 新的指導(dǎo)懸架產(chǎn)品開發(fā)的思路，是在現(xiàn)代信息技術(shù)的支持下，對(duì)傳統(tǒng)的懸架產(chǎn)品 開發(fā)方式的根本性改進(jìn)。p d m ( 產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理) 技術(shù)及d f x 如( d f m 、d f a 等) 技術(shù)是并行工程思想在懸架產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的具體體現(xiàn)。 ( 3 ) 電子樣機(jī)技術(shù)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，仿真在懸架產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的應(yīng)用 變得越來(lái)越廣泛而深刻，由原先的局部應(yīng)用( 單領(lǐng)域、單點(diǎn)) 逐步擴(kuò)展到系統(tǒng)應(yīng) 用( 多領(lǐng)域、全生命周期) ，懸架電子樣機(jī)技術(shù)正是這一發(fā)展趨勢(shì)的典型代表。懸 架電子樣機(jī)技術(shù)是一種基于電子樣機(jī)的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法，是各領(lǐng)域c a x d f x 技術(shù) 第一章緒論 4 的發(fā)展和延伸。懸架電子樣機(jī)技術(shù)進(jìn)一步融合先進(jìn)建模仿真技術(shù)、現(xiàn)代信息技術(shù)、 先進(jìn)設(shè)計(jì)制造技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)于一體，將這些技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜產(chǎn)品全生命周 期、全系統(tǒng)，并對(duì)它們進(jìn)行綜合管理。與傳統(tǒng)懸架產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)相比，懸架電子 樣機(jī)技術(shù)強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的觀點(diǎn)、涉及產(chǎn)品全生命周期、支持對(duì)產(chǎn)品的全方位測(cè)試、分 析與評(píng)估、強(qiáng)調(diào)不同領(lǐng)域的虛擬化的協(xié)同設(shè)計(jì)。懸架電子樣機(jī)技術(shù)充分體現(xiàn)了如 下圖1 1 所示的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程，全面突出了仿真的重要性。 圍1 1電子樣機(jī)技術(shù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程 f i 9 1 1t e c h n o l o g i c a lp r o d u c t sd e s i g np r o c e s so f t h ee l e c t r o n i cp r o t o t y p eo f am a c h i n e 懸架樣機(jī)仿真技術(shù)的實(shí)施是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程，其中涉及到許多相關(guān)技術(shù)，如總 體技術(shù)、多領(lǐng)域協(xié)同建模仿真，評(píng)估技術(shù)、數(shù)據(jù)過(guò)程管理技術(shù)、支撐框架技術(shù)等等。 現(xiàn)在汽車懸架電子樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程主要包括如下三種技術(shù)”1 ： 1 信息管理集成技術(shù) 汽車懸架樣機(jī)開發(fā)過(guò)程中涉及到大量的人員、工具、數(shù)據(jù)模型、項(xiàng)目，流程， 對(duì)這些元素進(jìn)行合理的組織和管理，使其構(gòu)成一個(gè)高效的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)開發(fā)過(guò) 程中的信息集成和過(guò)程集成，是優(yōu)質(zhì)成功的必要條件。通過(guò)統(tǒng)一管理的集成化、 一體化、數(shù)字化就能夠大大縮短設(shè)計(jì)開發(fā)周期、實(shí)現(xiàn)最新懸架設(shè)計(jì)理論和應(yīng)用技 術(shù)的集成和應(yīng)用、保證設(shè)計(jì)過(guò)程的一體化，從而推動(dòng)懸架產(chǎn)品在理論方面的研究 進(jìn)展和在實(shí)際應(yīng)用方面走向產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。 2 協(xié)同仿真技術(shù) 協(xié)同仿真技術(shù)將面向不同學(xué)科的仿真工具結(jié)合起來(lái)構(gòu)成統(tǒng)一的仿真系統(tǒng)，可 以充分發(fā)揮仿真工具各自的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還可以加強(qiáng)不同領(lǐng)域開發(fā)人員之間的協(xié)調(diào) 與合作。目前h l a 規(guī)范已經(jīng)成為協(xié)同仿真的重要國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)?；?a 的協(xié)同仿 真技術(shù)也將會(huì)成為電子樣機(jī)技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。 3 多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)( m d 0 ) 懸架產(chǎn)品的設(shè)計(jì)優(yōu)化問(wèn)題可能包括多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)和分屬不同學(xué)科的約束條 第一章緒論 5 件?，F(xiàn)代的m d o 技術(shù)為解決學(xué)科間的沖突，尋求系統(tǒng)的全局最優(yōu)解提供了可行的 技術(shù)途徑。目前m d o 技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)有了許多成功的案例，并出現(xiàn)了相關(guān)的商用 軟件，典型的如e n g i n e o u s 公司的i s i g h t ，國(guó)內(nèi)關(guān)于m d o 技術(shù)的研究和應(yīng)用也 已經(jīng)展開。 縱觀數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展歷程可以看出，雖然幾十年來(lái)各種技術(shù)思想層出 不窮，但時(shí)空兩個(gè)方向上的協(xié)同始終是發(fā)展的主流。宏觀上看，數(shù)字化設(shè)計(jì)的發(fā) 展歷程正相當(dāng)于現(xiàn)代信息技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的應(yīng)用由點(diǎn)發(fā)展為線，再由線發(fā) 展為面的過(guò)程。仿真的廣泛應(yīng)用正在成為當(dāng)前數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)。 隨著電子樣機(jī)概念的提出，使得仿真技術(shù)的應(yīng)用更加趨于協(xié)同化和系統(tǒng)化。開展 關(guān)于電子樣機(jī)及其關(guān)鍵技術(shù)的研究，必將提高企業(yè)的自主設(shè)計(jì)開發(fā)能力，推動(dòng)企 業(yè)的信息化進(jìn)程。 目前，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用電子樣機(jī)仿真技術(shù)的成功用戶很多。美國(guó)波音公司的波音 7 7 7 飛機(jī)是世界上首架以無(wú)圖紙方式研發(fā)及制造的飛機(jī)，其設(shè)計(jì)、裝配、性能評(píng)價(jià) 及分析均采用了虛擬樣機(jī)技術(shù)，這不但使研發(fā)周期大大縮短( 其中制造周期縮短 了5 0 ) 、研發(fā)成本大大降低( 如減少設(shè)計(jì)更改費(fèi)用9 4 ) ，而且確保了最終產(chǎn)品 一次性的成功。通用動(dòng)力公司1 9 9 7 年建成了第一個(gè)全數(shù)字化機(jī)車虛擬樣機(jī)，并行 的進(jìn)行了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析、制造及夾具、模具工裝設(shè)計(jì)和可維修性設(shè)計(jì)。日產(chǎn)汽 車公司，利用虛擬樣機(jī)進(jìn)行概念設(shè)計(jì)、包裝設(shè)計(jì)、覆蓋件設(shè)計(jì)、整車仿真設(shè)計(jì)等。 c a t c r p i l l c r 公司采用了虛擬樣機(jī)技術(shù)，從根本上改變了設(shè)計(jì)和試驗(yàn)步驟，實(shí)現(xiàn)了快 速虛擬試驗(yàn)多種設(shè)計(jì)方案，從而使其產(chǎn)品成本降低，性能卻更加優(yōu)越。同樣，j o h n d c e r e 公司為了解決工程機(jī)械在高速行駛時(shí)的蛇形現(xiàn)象及在載下的自激振動(dòng)問(wèn)題， 利用虛擬樣機(jī)技術(shù)，不僅找到了原因，而且提出了改進(jìn)方案，而且在虛擬樣機(jī)上 得到了驗(yàn)證，從而大大提高了產(chǎn)品的高速行駛性能和重載作業(yè)性能。美國(guó)海軍的 n a v a i r a p l 項(xiàng)目，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域多學(xué)科的設(shè)計(jì)并行和協(xié)同， 形成了虛擬樣機(jī)技術(shù)，他們研究發(fā)現(xiàn)，協(xié)同虛擬樣機(jī)技術(shù)不僅使產(chǎn)品的上市時(shí)間 縮短，而且還使產(chǎn)品的成本減少了至少2 0 。在我國(guó)的農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域，虛擬樣機(jī) 技術(shù)也有應(yīng)用，有人利用虛擬樣機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)甘蔗收割機(jī)的仿真分析，取得了良 好的效果。 現(xiàn)在我國(guó)對(duì)c a t i a 軟件的功能模塊d m u ( d i g i t a lm o c k - u p ) 在汽車方面的應(yīng)用 文獻(xiàn)資料不是很多，對(duì)于應(yīng)用c a t i a 軟件的d m u 動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)的具體應(yīng)用，特別是 在汽車懸架開發(fā)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用還較少。有關(guān)d m u 動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)和汽車懸架動(dòng)態(tài)仿 真分析的文獻(xiàn)資料有：保定長(zhǎng)城華北汽車有限責(zé)任公司的劉斌等在客車技術(shù) 上刊登的( c a t i a 運(yùn)動(dòng)仿真在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用一文中，介紹了電子樣機(jī)虛擬 裝配及運(yùn)動(dòng)仿真模型建立基本過(guò)程，根據(jù)電子虛擬裝配及運(yùn)動(dòng)仿真特點(diǎn)，討論了 第一章緒論6 動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)d m u 在汽車總體設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 1 0 l 。浙江大學(xué)的葉鳴強(qiáng)，王耘，胡樹 根在基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的雙橫臂獨(dú)立懸架振動(dòng)仿真技術(shù)分析一文中，分析了 懸架系統(tǒng)的振動(dòng)模型，通過(guò)對(duì)雙橫臂獨(dú)立懸架做出合理的簡(jiǎn)化，建立了雙橫臂獨(dú) 立懸架的力學(xué)及虛擬樣機(jī)模型，并在虛擬樣機(jī)模塊上進(jìn)行仿真，在此基礎(chǔ)上對(duì)前 懸架的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得懸架振動(dòng)達(dá)到一個(gè)最優(yōu)值【i “。合肥工業(yè)大學(xué) 的蒙艷枚，李雙平等在虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在創(chuàng)新產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用一文中論述 了虛擬樣機(jī)技術(shù)的概念和特點(diǎn)，探討構(gòu)建虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)環(huán)境的基本思路，介紹了 機(jī)械關(guān)鍵元件虛擬設(shè)計(jì)的方法及如何去建立機(jī)械設(shè)計(jì)、分析和評(píng)價(jià)專家系統(tǒng)，給 出虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用于新產(chǎn)品開發(fā)的一個(gè)實(shí)例f 1 2 】。 1 3 本論文的主要研究?jī)?nèi)容和目標(biāo) 本論文首先對(duì)電子樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行了深入分析；然后，采用了c a t i a 軟件中的 電子樣機(jī)模塊，對(duì)不等臂式雙橫臂獨(dú)立懸架進(jìn)行了三維實(shí)體建模；再后，在c a t i a 軟件的k i n ( d m uk i n e m a t i c s ) 電子樣機(jī)平臺(tái)上對(duì)懸架的樣機(jī)模型施加合理的運(yùn)動(dòng) 副和驅(qū)動(dòng)命令，實(shí)現(xiàn)了用動(dòng)畫對(duì)四分之一懸架的樣機(jī)模型進(jìn)行仿真演示，從而可 以非常形象的分析汽車獨(dú)立懸架的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)；并且根據(jù)樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)情況來(lái)改進(jìn)概 念產(chǎn)品的優(yōu)化裝配，提高概念產(chǎn)品的實(shí)用能力；最后，本文還就懸架樣機(jī)模型的 運(yùn)動(dòng)仿真進(jìn)一步對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)干涉分析。本論文實(shí)現(xiàn)的主要目標(biāo)如下： 1 基于c a t i a 軟件的電子樣機(jī)模塊建立整車懸架的樣機(jī)模型。在本論文中只 需建立汽車懸架的四分之一樣機(jī)模型，然后再通過(guò)鏡像實(shí)現(xiàn)整車懸架的樣機(jī)模型。 2 將建立的四分之一懸架的樣機(jī)模型導(dǎo)入到k i n ( d m uk i n e m a t i c s ) 平臺(tái)上， 然后通過(guò)添加適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)副和驅(qū)動(dòng)命令，實(shí)現(xiàn)了樣機(jī)模型的運(yùn)動(dòng)仿真。通過(guò)創(chuàng)建 的懸架運(yùn)動(dòng)仿真動(dòng)畫，可以很形象地了解懸架的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。 3 通過(guò)對(duì)懸架樣機(jī)模型的動(dòng)態(tài)仿真分析，可以進(jìn)一步的分析懸架運(yùn)動(dòng)過(guò)程中 的干涉情況，為下一步設(shè)計(jì)零部件及裝配零部件提供了依據(jù)。在這里還需要建立 輪胎、上下擺臂和彈性元件等各部件的包絡(luò)體，有了部件的包絡(luò)體，就可以在設(shè) 計(jì)與其相關(guān)的部件時(shí)，對(duì)于確定其位置時(shí)有了參考。 圖1 2 是應(yīng)用軟件c a t i a 的電子樣機(jī)模塊d m u ( d i g i t a lm o c k u p ) 進(jìn)行懸架機(jī) 構(gòu)研究的內(nèi)容邏輯圖。 第一章緒論 7 根據(jù)目前的現(xiàn)狀以及對(duì)先進(jìn)軟件的理解， 充分認(rèn)識(shí)到應(yīng)用電子樣機(jī)技術(shù)對(duì)懸架進(jìn)行 運(yùn)動(dòng)分析的必要性。 o 對(duì)懸架進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真的知識(shí)準(zhǔn)備：第一是 軟件工具c a t i a 的應(yīng)用；第二是對(duì)懸架的 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的理解。 0 對(duì)懸架的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，熟悉懸架運(yùn) 動(dòng)的理論基礎(chǔ)。以論文前幾章的理論知識(shí) 為基礎(chǔ)，合理的對(duì)雙橫臂獨(dú)立懸架進(jìn)行簡(jiǎn) 化，建立獨(dú)立懸架的參數(shù)化模型。 應(yīng)用電子樣機(jī)的有關(guān)知識(shí)對(duì)懸架的運(yùn)動(dòng)機(jī) 構(gòu)模型進(jìn)行仿真分析。 l 基于c a t i a 軟件強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)分析功能，對(duì) l 樣機(jī)模型進(jìn)行仿真分析后，實(shí)現(xiàn)樣機(jī)的優(yōu) l 化設(shè)計(jì)。 圈1 2 本論文的主要內(nèi)窖邏輯圈 f i 9 1 2l o g i cp i c t u r eo f m a i nc o n t e n te f t h i st h e s i s p 腑 r 題 l解決問(wèn)題 j 第二章電子樣機(jī)技術(shù)原理8 第二章電子樣機(jī)技術(shù)原理 電子樣機(jī)技術(shù)又稱虛擬樣機(jī)技術(shù)、動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)，是國(guó)際上2 0 世紀(jì)8 0 年代 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)計(jì)算機(jī)輔助工程( c a e ) 技術(shù)。它 是一種嶄新的產(chǎn)品開發(fā)方法，是一種基于產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)仿真模型的數(shù)字化設(shè)計(jì)方 法，這些數(shù)字模型即我們所稱得電子樣機(jī)。電子樣機(jī)將不同工程領(lǐng)域的開發(fā)模型 結(jié)合在一起，它從外觀、功能和行為上模擬真實(shí)產(chǎn)品，令設(shè)計(jì)者對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)進(jìn) 度更加了解。機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)涉及到多體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)建模理論及 其技術(shù)實(shí)現(xiàn)，是基于先進(jìn)的建模技術(shù)、多領(lǐng)域仿真技術(shù)、信息管理技術(shù)、交互式 用戶界面技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的綜合性應(yīng)用技術(shù)【1 3 】。 機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)是在c a x 等( 如c a d 、c a e 、c a m 等) 的技術(shù)基礎(chǔ)上 的發(fā)展，它進(jìn)一步融合信息技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)和先進(jìn)仿真技術(shù)，將這些技術(shù)應(yīng) 用于復(fù)雜系統(tǒng)全生命周期、全系統(tǒng)，并對(duì)它們進(jìn)行綜合管理。傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方 法是“由下到上”，即從部件設(shè)計(jì)到整機(jī)設(shè)計(jì)，這種方式的弊端是過(guò)分注重細(xì)節(jié)而 忽略了系統(tǒng)整體性能。設(shè)計(jì)人員借助于機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)，使設(shè)計(jì)過(guò)程先從 整機(jī)開始，按照“由上至下”的順序進(jìn)行，從而可以減少代價(jià)昂貴的系統(tǒng)設(shè)計(jì)造 成的無(wú)謂失誤4 j 。 對(duì)機(jī)械系統(tǒng)建立的電子樣機(jī)之后，設(shè)計(jì)者可以在虛擬環(huán)境中模擬系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)， 得到系統(tǒng)的三維動(dòng)態(tài)效果圖，完成無(wú)數(shù)次物理樣機(jī)無(wú)法進(jìn)行( 成本和時(shí)間條件不 允許) 的仿真試驗(yàn)，并通過(guò)反復(fù)修改系統(tǒng)模型，進(jìn)行不同設(shè)計(jì)方案豹仿真試驗(yàn)， 這種在不浪費(fèi)制造和試驗(yàn)物理樣機(jī)所需時(shí)間和經(jīng)費(fèi)的前提下，就可獲得最優(yōu)的設(shè) 計(jì)方案。運(yùn)用這一技術(shù)，從而可以大大簡(jiǎn)化機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)過(guò)程，大幅度縮短產(chǎn) 品開發(fā)周期，大量減少產(chǎn)品開發(fā)費(fèi)用和成本，明顯提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品的性 能，獲得最優(yōu)化和創(chuàng)新的設(shè)計(jì)產(chǎn)品【“。 2 1 電子樣機(jī)技術(shù)的概念 從國(guó)內(nèi)外對(duì)電子樣機(jī)技術(shù)( v i r t u a lp r o t o t y p i n g v p ) 的研究可以看出，電子樣 機(jī)技術(shù)( 又叫虛擬樣機(jī)技術(shù)) 的概念還處于發(fā)展的階段，在不同應(yīng)用領(lǐng)域中存在 不同定義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)虛擬樣機(jī)技術(shù)的定義大同小異，下面是幾種有代表性的 論述 t 6 1 。 ( 1 ) 電子樣機(jī)技術(shù)是將c a d 建模技術(shù)、計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同工作( c s c w ) 技 術(shù)、用戶界面設(shè)計(jì)、基于知識(shí)的推理技術(shù)、設(shè)計(jì)過(guò)程管理和文檔化技術(shù)、虛擬現(xiàn) 實(shí)技術(shù)集成起來(lái)，形成一個(gè)基于計(jì)算機(jī)、桌面化的分布式環(huán)境以支持產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò) 第二章電子樣機(jī)技術(shù)原理 9 程中的并行工程方法。 ( 2 ) 電子樣機(jī)的概念與集成化產(chǎn)品和加工過(guò)程開發(fā)( i n t e g r a t e dp r o d u c ta n d p m c 器sd e v e l o p m e n t 。簡(jiǎn)稱i p p d ) 是分不開的。i p p d 是一個(gè)管理過(guò)程，這個(gè)過(guò)程 將產(chǎn)品概念開發(fā)到生產(chǎn)支持的所有活動(dòng)集成在一起，對(duì)產(chǎn)品及其制造和支持過(guò)程 進(jìn)行優(yōu)化，以滿足性能和費(fèi)用目標(biāo)。i p p d 的核心是虛擬樣機(jī)，而虛擬樣機(jī)技術(shù)必 須依賴i p p d 才能實(shí)現(xiàn)； c 3 ) 電子樣機(jī)技術(shù)就是在建立第一臺(tái)物理樣機(jī)之前，設(shè)計(jì)師利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建 立機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行仿真分析并從圖形方式顯示該系統(tǒng)在真實(shí)工程條件 下的各種特性，從而修改并得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的技術(shù)； ( 4 ) 電子樣機(jī)是一種計(jì)算機(jī)模型，它能夠反映實(shí)際產(chǎn)品的特性，包括外觀、 間關(guān)系以及運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性。借助于這項(xiàng)技術(shù)，設(shè)計(jì)師可以在計(jì)算機(jī)上建立 機(jī)械系統(tǒng)模型，伴之以三維可視化處理，模擬在真實(shí)環(huán)境下系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特 性并根據(jù)仿真結(jié)果精簡(jiǎn)和優(yōu)化系統(tǒng)； ( 5 ) 電子樣機(jī)技術(shù)利用虛擬環(huán)境在可視化方面的優(yōu)勢(shì)以及可交互式探索虛擬 物體功能，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行幾何、功能、制造等許多方面交互的建模與分析。它在c a d 模型的基礎(chǔ)上，把虛擬技術(shù)與仿真方法相結(jié)合，為產(chǎn)品的研發(fā)提供了一個(gè)全新的 設(shè)計(jì)方法。 ( 6 ) 電子樣機(jī)也叫數(shù)字樣機(jī)，功能化樣機(jī)。它能夠讓工程設(shè)計(jì)隊(duì)伍在提交物理 樣機(jī)之前，就建造起他們的系統(tǒng)方案，對(duì)其進(jìn)行測(cè)試、審核、改進(jìn)。它可以幫助 用戶驗(yàn)證系統(tǒng)性能、原理等，還可以幫助用戶快速可視化排出系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不合理 因素。虛擬樣機(jī)可以充分利用用戶已有專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，引導(dǎo)研發(fā)人員做出重大決策。 當(dāng)在虛擬樣機(jī)上完成功能驗(yàn)證之后，用戶還可以通過(guò)增加各種功能進(jìn)行各種設(shè)計(jì) ( 包括試驗(yàn)設(shè)備) ，另外，功能化虛擬樣機(jī)還可以提升為產(chǎn)品性能樣機(jī)，進(jìn)而進(jìn)行 產(chǎn)品的性能驗(yàn)證、性能設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化，比如進(jìn)行產(chǎn)品的壽命優(yōu)化、動(dòng)態(tài)力學(xué)特 性優(yōu)化、振動(dòng)噪聲優(yōu)化等等。 綜上所述，電子樣機(jī)有如下特點(diǎn)1 ： 。 a ) 設(shè)計(jì)變更的分析比物理樣機(jī)試驗(yàn)更快、更節(jié)約成本 b ) 在開發(fā)流程的每個(gè)階段獲得更完善的設(shè)計(jì)信息從而降低風(fēng)險(xiǎn) c ) 分析大量的設(shè)計(jì)方案獲得整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化性能從而提高質(zhì)量 d ) 方便地改變各種分析要素而無(wú)須更改實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備以及實(shí)驗(yàn)程序 e ) 在安全的環(huán)境下工作，不必?fù)?dān)心關(guān)鍵數(shù)據(jù)丟失或由于惡劣環(huán)境造成的設(shè) 備失效。 d 對(duì)于軟件c a t i a 的d m u 來(lái)說(shuō)，還可以形成自己獨(dú)有的知識(shí)工程及專家 系統(tǒng)，可以方便操縱和管理。 第二章電子樣機(jī)技術(shù)原理 1 0 2 2 電子樣機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)： 傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)通常分為4 個(gè)階段：產(chǎn)品設(shè)計(jì)、試制、制造樣機(jī)和產(chǎn)品生產(chǎn)。 ( 1 ) 產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，包括方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和零部件設(shè)計(jì)；( 2 ) 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)階段， 主要是對(duì)關(guān)鍵零部件的工作進(jìn)行探索性的研究；( 3 ) 制造物理樣機(jī)階段，主要是根 據(jù)設(shè)計(jì)做出實(shí)物樣機(jī)，以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性，此時(shí)要把樣機(jī)中一些部件或結(jié)構(gòu)做 成可調(diào)的，必要時(shí)還需要做多個(gè)零件來(lái)替換；( 4 ) 產(chǎn)品生產(chǎn)階段?？梢钥闯鰝鹘y(tǒng)的 產(chǎn)品開發(fā)周期長(zhǎng)、消耗大、成本高。有明顯的局限性，所以不能適應(yīng)現(xiàn)代化制造 業(yè)中要求柔性化、快捷及高質(zhì)量的特點(diǎn)和要求：為從根本改變這種局面，近年來(lái) 在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)中出現(xiàn)了一個(gè)新的研究領(lǐng)域一一電子樣機(jī)技術(shù)”。 電子樣機(jī)技術(shù)是一種基于智能設(shè)計(jì)技術(shù)、并行工程、仿真丁程及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的 先進(jìn)開發(fā)技術(shù)，它以計(jì)算機(jī)仿真和建模技術(shù)為支持，利用虛擬產(chǎn)品模型，在產(chǎn)品 實(shí)際加工之前對(duì)產(chǎn)品的性能、行為、功能和產(chǎn)品的可制造性進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而對(duì)設(shè) 計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化，以達(dá)到產(chǎn)品生產(chǎn)的最優(yōu)目標(biāo)。虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展有賴 于以下幾項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。( 1 ) 智能設(shè)計(jì)技術(shù)的出現(xiàn)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)歷史上的一個(gè) 里程碑它在很大程度上縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的周期，減少了設(shè)計(jì)人員的工作量。但 現(xiàn)有的c a d 技術(shù)注重于外形細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)行為，卻忽略了產(chǎn)品概念信息的描述，實(shí)際 上，設(shè)計(jì)人員總是先考慮產(chǎn)品的功能，然后才設(shè)計(jì)出產(chǎn)品的外形。因此，對(duì)虛擬 樣機(jī)技術(shù)來(lái)說(shuō)產(chǎn)品描述應(yīng)是超越幾何性的。由于虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)概念設(shè)計(jì)的要 求智能設(shè)計(jì)技術(shù)需要將用于概念設(shè)計(jì)的分析工具( 如有限元分析、快速原型等) 、 計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)和c a d 技術(shù)有機(jī)地集成起來(lái)，支持產(chǎn)品幾何定形前的功能規(guī)劃 和計(jì)算。通過(guò)分析這種幕后的功能計(jì)算，虛擬樣機(jī)系統(tǒng)指導(dǎo)設(shè)計(jì)者怎樣將幾何形 狀轉(zhuǎn)化為易于裝配的、滿足功能要求的、具有合適工藝的設(shè)計(jì)圖形。( 2 ) 并行工程。 并行工程是集成各種技術(shù)，并行設(shè)計(jì)產(chǎn)品及相關(guān)過(guò)程的一種系統(tǒng)方法同步實(shí)現(xiàn) 設(shè)計(jì)、分析評(píng)估、制造、裝配、核算和管理。它要求產(chǎn)品開發(fā)人員從一開始就考 慮到產(chǎn)品整個(gè)生命周期的所有因素( 質(zhì)量、成本、工藝、結(jié)構(gòu)、性能等) ，且要求 實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的協(xié)同工作并要實(shí)現(xiàn)同步的目標(biāo)，其實(shí)質(zhì)就是整個(gè)工作都 要在一個(gè)共享的數(shù)據(jù)庫(kù)下進(jìn)行信息交互。( 3 ) 仿真工程。對(duì)于虛擬樣機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)， 必須有一套能有效支持可制造性分析的產(chǎn)品、工藝和生產(chǎn)系統(tǒng)模型。產(chǎn)品模型必 須能夠管理與制造加工有關(guān)的數(shù)據(jù)( 如形位公差等) ；工藝模型包括統(tǒng)計(jì)分析、計(jì) 算機(jī)工藝仿真、制造數(shù)據(jù)庫(kù)和制造規(guī)則庫(kù)等；生產(chǎn)系統(tǒng)模型包括系統(tǒng)生產(chǎn)能力和 生產(chǎn)特性的描述及系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為和狀態(tài)的描述。電子樣機(jī)系統(tǒng)需要對(duì)上述模型進(jìn) 行數(shù)字化仿真和可視化，以對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化。( 4 ) 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。 在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行分布式設(shè)計(jì)與制造是虛擬企業(yè)的生產(chǎn)方式。利用分布式設(shè)計(jì)與制 第二章電子樣機(jī)技術(shù)原理 造可以實(shí)時(shí)地決定臺(tái)作廠家實(shí)現(xiàn)異地產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造，不僅節(jié)約了時(shí)間，而 且由于分布節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系建立在一種全面合作和開放式體系的基礎(chǔ)上，所以有 利于設(shè)計(jì)、規(guī)劃和處理問(wèn)題“。 2 3 電子樣機(jī)技術(shù)的原理 2 3 1 電子樣機(jī)技術(shù)的原理 電子樣機(jī)技術(shù)是對(duì)產(chǎn)品真實(shí)化的計(jì)算機(jī)模擬，通過(guò)對(duì)樣機(jī)的計(jì)算機(jī)模擬，能 夠滿足各種各樣的功能，電子樣機(jī)技術(shù)主要指在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，通過(guò)三維 c a d ，c a e ，c a m 軟件，建立完整的產(chǎn)品數(shù)字化模型；組成電子樣機(jī)的每個(gè)部件處 理準(zhǔn)確定義三維幾何圖形外，還賦予相互問(wèn)的裝配關(guān)系、技術(shù)關(guān)聯(lián)、工藝、公差、 人力資源、材料、制造資源、成本等信息；電子樣機(jī)具有從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造到產(chǎn) 品維護(hù)各個(gè)階段的所有功能，為產(chǎn)品和流程開發(fā)以及從產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)到產(chǎn)品維護(hù) 整個(gè)生命周期的信息交流和決策提供一個(gè)平臺(tái)。同時(shí)，電子樣機(jī)技術(shù)不僅僅是單 純的3 d 設(shè)計(jì)和裝配，實(shí)際上，通過(guò)裝配功能將三維模型裝配在一起只是實(shí)現(xiàn)電子 樣機(jī)最基本的一步。電子樣機(jī)技術(shù)還具有下面的功能和特點(diǎn)【捌： 1 與c a x 系統(tǒng)完全集成，并以“上下關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)”方式作業(yè)。提供強(qiáng)大的可 視化手段，除了虛擬顯示和多種瀏覽功能，還集成了d m u 漫游和截面透視等先進(jìn) 功能。 2 具備各種功能性檢測(cè)手段。安裝拆卸、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、干涉檢查、界面掃描等。 3 具備產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的配置和信息交流功能。 由于電子樣機(jī)技術(shù)加強(qiáng)了設(shè)計(jì)過(guò)程中最為關(guān)鍵的空間和尺寸控制之問(wèn)的集 成，在產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中不斷對(duì)電子樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，降低了 研發(fā)成本。 總的說(shuō)來(lái)，電子樣機(jī)技術(shù)包括從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、產(chǎn)品的裝配、產(chǎn)品的試驗(yàn)和產(chǎn) 品的優(yōu)化這一完整的生命周期過(guò)程。電子樣機(jī)技術(shù)使人們?cè)诠こ虥Q策和過(guò)程決策 的進(jìn)行協(xié)同工作時(shí)，能夠?qū)θ魏螐?fù)雜的模型進(jìn)行內(nèi)部觀察、漫游、檢查和模擬”。 c a t i a v 5 的電子樣機(jī)功能有專門的模塊組成，從產(chǎn)品造型，上下關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)環(huán)境， 產(chǎn)品的功能分析、產(chǎn)品的瀏覽和干涉檢查，信息交流，產(chǎn)品可維護(hù)性分析，支持 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)施仿真，多c a x 支持，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理等多方面提供了完整的電 子樣機(jī)功能，能夠完成與物理樣機(jī)一樣的分析、模擬功能、并能進(jìn)行更多的設(shè)計(jì) 方案驗(yàn)證。 2 3 2 電子樣機(jī)技術(shù)的內(nèi)涵 需要應(yīng)用電子樣機(jī)技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)開發(fā)的產(chǎn)品，多數(shù)要受到安全性、可靠性、舒 適性、美觀性、可制造性及可維護(hù)性等多方面的制約。在虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境下，利用 第二章電子樣機(jī)技術(shù)原理 1 2 可視化的優(yōu)勢(shì)，把技術(shù)設(shè)計(jì)、部件裝配、結(jié)構(gòu)分析和性能優(yōu)化融合在計(jì)算機(jī)虛擬 現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行，綜合考慮各種因素諸如運(yùn)動(dòng)約束和可接近性等特征，對(duì)產(chǎn)品幾 何尺寸、技術(shù)性能、生產(chǎn)和制造等方面進(jìn)行交互式的快速建模與分析，生成的模 型可被直接操縱與修改，數(shù)據(jù)可被反復(fù)利用【2 l 】。 2 3 3 電子樣機(jī)工程的體系結(jié)構(gòu) 電子樣機(jī)工程系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)一般有以下結(jié)構(gòu)組成：協(xié)同設(shè)計(jì)支撐平臺(tái)、產(chǎn) 品模型、虛擬樣機(jī)( v p ) 和虛擬現(xiàn)實(shí)( t ) 可視化環(huán)境四部分組成。其中協(xié)同設(shè)計(jì) 支撐平臺(tái)提供了一個(gè)協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境，包括集成平臺(tái)框架、項(xiàng)目管理等工具。產(chǎn)品 模型包括產(chǎn)品主模型和各子系統(tǒng)模型，產(chǎn)品主模型負(fù)責(zé)產(chǎn)品在系統(tǒng)層次上的設(shè)計(jì) 與樣機(jī)的外觀、功能和性能的建模，如樣機(jī)的動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)建模仿真。v p 包括 各領(lǐng)域c a x d f x 工具集，對(duì)樣機(jī)外觀、功能、性能及環(huán)境進(jìn)行模擬仿真，并將生 成的數(shù)據(jù)送入v r 可視化環(huán)境，從外觀、功能及在虛擬樣機(jī)環(huán)境中的各種行為上展 示電子樣機(jī)。 電子樣機(jī)技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 1 所示。建立一個(gè)系統(tǒng)相關(guān)的模型，用戶接口 作為一個(gè)核心的組成部分，通過(guò)它可以有效地控制模型，還可以從哪里得到系統(tǒng) 的一些重要信息。對(duì)于一個(gè)具體的應(yīng)用實(shí)例來(lái)說(shuō)，由于具體的應(yīng)用目的不同，其 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可能有一些差別【2 2 】。 圈2 1 電子樣機(jī)技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)杓 f i 9 2 1s y s t e m a t i cs t r u c t u r eo f f i l e t e c h n o l o g yo f t h e e l e c t r o n i c p r o t o t y p e o f a m a c h i n e 第二章電子樣機(jī)技術(shù)原理 1 3 2 3 4 電子樣機(jī)的開發(fā)流程 設(shè)計(jì)電子樣機(jī)的過(guò)程實(shí)際上就是對(duì)上述各種先進(jìn)技術(shù)相互支持、相互融合的 過(guò)程。首先是進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)的原始數(shù)據(jù)來(lái)自設(shè)計(jì)要求；如干涉尺寸、裝配 環(huán)境等。當(dāng)方案制定之后，設(shè)計(jì)師開始構(gòu)造復(fù)雜的幾何形狀和工程關(guān)系。在進(jìn)行 產(chǎn)品設(shè)計(jì)的早期階段，要求設(shè)計(jì)師給定全約束、全尺寸是不可能、不現(xiàn)實(shí)的，重 要的是能夠建立一些方程和規(guī)則，體現(xiàn)一些最重要的工程數(shù)據(jù)，使零件在設(shè)計(jì)準(zhǔn) 則下可自動(dòng)修改。在完整、安全的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，設(shè)計(jì)小組成員不必操心數(shù)據(jù)的完 整性，他們能夠共享數(shù)據(jù)，并能主動(dòng)控制修改和更新。零件最終的形狀和尺寸來(lái) 自各個(gè)方面的綜臺(tái)考慮，如裝配、應(yīng)力、加工等，在制定設(shè)計(jì)文件時(shí)。工程技術(shù) 人員要決定如何描述最后的零件和裝配，生成圖紙時(shí)設(shè)計(jì)尺寸要轉(zhuǎn)換成工藝尺寸 以體現(xiàn)加工、檢測(cè)的要求。這張圖紙和其他技術(shù)文件( 如應(yīng)力分析、振動(dòng)、熱分 析等) 構(gòu)成了設(shè)計(jì)的最主要部分。 最后是對(duì)最終的設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行仿真。仿真能預(yù)測(cè)產(chǎn)品在實(shí)際環(huán)境中的性能， 它包含了一系列步驟，從力學(xué)分析、建模、施加負(fù)載和約束，到預(yù)測(cè)其在真實(shí)工 況下的反應(yīng)，仿真的真正用意不是得到幾個(gè)數(shù)據(jù)，而是評(píng)估產(chǎn)品的性能和優(yōu)化產(chǎn) 品的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而指導(dǎo)設(shè)計(jì)、改進(jìn)設(shè)計(jì)。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和仿真階段，需要使用一些應(yīng) 用軟件如三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件、有限元分析軟件等。根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸并利用這些軟件， 便可以在計(jì)算機(jī)上構(gòu)造產(chǎn)品的電子( 虛擬) 樣機(jī)，為最終投產(chǎn)做好準(zhǔn)備。3 。 圈2 2 電子樣機(jī)設(shè)計(jì)的一般流程 f i 9 2 2g e n e r a lp r o c e d u r et h a tt h ee l e c t r o n i cp r o t o t y p eo f am a c h i n ei sd e s i g n e d 第二章電子樣機(jī)技術(shù)原理 1 4 邏輯流程圖 田2 3 應(yīng)用電子樣機(jī)進(jìn)行仿真的邏輯田 f i 9 2 3t h el o g i cs i m u l a t i o nf i g b yu s i n gt h ee l e c t r o n i cp r o t o t y p eo f am a c h i n e 電子樣機(jī)的開發(fā)及邏輯流程如上圖2 2 、2 3 所示，從產(chǎn)品需求分析到評(píng)估測(cè) 試，通過(guò)使用相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)工具，在虛擬環(huán)境中，構(gòu)造產(chǎn)品的虛擬樣機(jī)。這是一 個(gè)循環(huán)漸進(jìn)的過(guò)程，基于產(chǎn)品的開發(fā)要求，采用相應(yīng)的仿真分析工具對(duì)虛擬樣機(jī) 的功能和性能進(jìn)行仿真分析，對(duì)虛擬樣機(jī)的行為進(jìn)行模擬分析，并基于仿真分析 的結(jié)果，通過(guò)產(chǎn)品全生命周期的反復(fù)建模仿真分析與模型的改進(jìn)，開發(fā)出滿足產(chǎn) 品預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)的虛擬樣機(jī)。 2 3 5 電子樣機(jī)的關(guān)鍵技術(shù) 1 電子樣機(jī)工程的總體技術(shù) 電子樣機(jī)技術(shù)發(fā)展十分迅速，目前雖然還難以實(shí)現(xiàn)可支持產(chǎn)品設(shè)計(jì)全過(guò)程的 數(shù)字化產(chǎn)品的開發(fā)系統(tǒng)，但電子樣機(jī)工程作為一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程，總體上還是 有一些共性的。電子樣機(jī)工程總體技術(shù)從必然全局出發(fā)，解決涉及到系統(tǒng)全局的 問(wèn)題，考慮構(gòu)成電子樣機(jī)工程各部分之間的關(guān)系，規(guī)定和協(xié)調(diào)各部分系統(tǒng)的運(yùn)行， 并將它們組成為一個(gè)有機(jī)的整體，實(shí)現(xiàn)信息和資源的共享，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)總體目標(biāo)。 電子樣機(jī)的設(shè)計(jì)主要有以下幾個(gè)組成部分：初步設(shè)計(jì)方案的確定、概念設(shè)計(jì)、詳 細(xì)設(shè)計(jì)、仿真分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等。各個(gè)部分由不同的設(shè)計(jì)人員進(jìn)行并行設(shè)計(jì)， 第二章電子樣機(jī)技術(shù)原理 1 5 而各部分的功能活動(dòng)存在大量的相互依賴的關(guān)系，為保證產(chǎn)品開發(fā)隊(duì)伍的協(xié)同工 作，實(shí)現(xiàn)在分布環(huán)境中群體活動(dòng)的信息交換與共享，必須對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào) 整和監(jiān)控，構(gòu)造合適的并行設(shè)計(jì)的工作環(huán)境，保證并行設(shè)計(jì)的順利進(jìn)行，這是電 子樣機(jī)縮短開發(fā)周期的關(guān)鍵。 2 虛擬環(huán)境下的產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)和方案評(píng)價(jià) 在電子樣機(jī)環(huán)境中進(jìn)行產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)和方案評(píng)價(jià)是實(shí)現(xiàn)電子樣機(jī)的前期工 作。在計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境提供的良好的虛擬現(xiàn)實(shí)漫游特性和實(shí)時(shí)交互性的條件 下，相關(guān)人員可以對(duì)虛擬系統(tǒng)建立模型，包括視覺(jué)效果，進(jìn)行評(píng)價(jià)與修改。在這 個(gè)階段，可以模擬產(chǎn)品的裝配過(guò)程，解決各部件之間的可接近性和可裝配性，通 過(guò)對(duì)零部件的直接裝配操作，檢驗(yàn)零件的可操作性、裝配的難易程度及裝配的次 序；可以在不耗費(fèi)實(shí)際加工時(shí)間和原材料的基礎(chǔ)上，進(jìn)行虛擬測(cè)試。通過(guò)電子樣 機(jī)的設(shè)計(jì)、加工和組裝、可以對(duì)產(chǎn)品多