计算机辅助技术在汽车开发中的应用哈飞汽车制造有限公司杨子发[摘要]在计算机技术飞速发展的今天，它已经广泛应用于航空、汽车、电子等各行各业。

本文主要介绍计算机辅助技术CAX（包括CAD、CAM、CAS、CAE等方面）在我公司汽车开发中的应用情况。

[叙词]汽车开发、CAX、CATIA。

一、前言国外多数汽车制造厂商从六十年代就开始应用计算机，而且绝大多数从模具CAM（Computer Aided Manufacturing）开始，然后才是CAD、CAE、CAS（CAID），并逐步应用于产品的开发。

今天，计算机辅助技术和系统已在各公司的产品开发中占据了重要的地位，在整个开发过程中，从总体布置和造型设计开始，一直到样车试制、试验和正式生产的工程准备，都离不开计算机的帮助，计算机在各个汽车制造企业里，特别是在其产品开发过程中，得到了广泛而普遍的应用。

二、我公司应用计算机辅助技术历史及现状我公司，八十年代末和九十年代初主要应用IBM的320、520等型号的工作站及4381主机，用于简单的CAD/CAM/CAE，并且主要应用于飞机设计中，在汽车方面只有CAM得到了一些应用，直到1997年，我们引进了IBM公司的RS6000 42T工作站及CATIA软件，计算机辅助技术才在汽车开发中得到了全面的应用，并以此为契机先后引进了ALIAS、NASTRAN、PATRAN、PAM-CRASH、PAM-SAFE、MSC-NVH、ADAMS等软件，现在我公司在汽车开发中已经完全形成了CAS/CAD/CAM/CAE一体化应用，在几个车型的设计开发及与国外联合设计过程中充分发挥了作用。

三、计算机辅助技术在我公司汽车产品开发中的具体应用计算机辅助技术是以计算机为工具来进行各类工作的所有技术的统称，简称CAX，我公司应用的CAX技术主要有：CAS──Computer Aided Styling计算机辅助造型CAD──Computer Aided Design计算机辅助设计CAE──Computer Aided Engineering计算机辅助工程分析CAM──Computer Aided Manufacturing计算机辅助制造1、计算机辅助造型设计（CAS）这一技术又称为计算机辅助工业设计（Computer Aided Industrial Design）,简称CAID。

但是在汽车工业中，多称计算机辅助造型设计（CAS）。

计算机辅助设计，工程分析和制造等技术早已在汽车开发，包括车身设计中得到广泛而普遍的应用。

但在造型设计这一领域，九十年代初在汽车工业中还有争议。

许多人仍然认为汽车造型设计是属于艺术创作的范畴，全靠造型师的灵感、艺术的想象力和创作意识，计算机几乎无能为力。

但在计算机技术，尤其是图形图象技术的迅速发展，计算机辅助工业设计（或计算机辅助造型设计）得到了全面的应用。

采用CAS有许多优点，主要有以下几点：（1）、首先，由于在计算机上进行造型设计本身就比制作实体模型快捷，特别是修改起来更加容易，方便，效率大大提高，使造型设计周期显著缩短。

（2）、其次，由于无需手工粘土模型，节省了费用。

（3）、由于在计算机上建立起精确的三维模型，避免了从构思草图到粘土模型雕塑、模型测量到曲面拟合等各作业间的转换误差，提高质量。

（4）、由于上述建模快速而节省的特点，我们可以在更短的时间内尝试更多的造型方案；另外，因最大限度地发挥了计算机的功能，使造型师得以更集中精力于创造性的工作。

（5）、结构设计师、模具设计师可投入工作，反馈修改意见。

（6）、制作仿真效果、动画等，用于审定及宣传。

总而言之，采用计算机辅助造型设计，可以更好地满足汽车产品开发的三大要求，即缩短开发周期，提高开发质量和降低开发费用。

各公司在应用计算机辅助造型设计技术时，采用了不同的计算机硬件，其中较多是迄今图形功能较强的SGI工作站，所采用的商用造型软件主要是ALIAS等，我公司就是应用该软件，它不但造型功能强大，而且与CATIA有无缝接口，使数据转换毫无问题。

我公司首例采用CAS技术的是中意系列车型，与意大利PINNIFARANA公司合作，首先由造型师画出效果图，提供许多风格的效果图，供专家选择，效果图选定后，进入下一步，CAS计算机模型制作（如图），PINNIFARANA公司在CAS完成后加工出1：1的模型，然后进行手工修改，最后定型后喷漆，安装玻璃、灯、轮胎、保险杠等附件，这时，该模型如真车一样，再进行审定，如满意，接下测绘建模，此时造型模型再不能修改，这叫造型冻结。

效果图及ALIAS下建立的三维模型计算机辅助造型设计技术，预期今后将沿着“虚拟现实”和“全息”技术这一纵深方向发展，在三维空间造型系统中应用三维数码笔在眼前假想实体上一边触摸一边修改模型。

2、计算机辅助设计（CAD）CAD是CAE、CAM及PMD的基础，没有CAD的数字化模型，其他后续的工作就无法进行，因此我公司非常重视CAD的应用，先后投入大量的资金引进IBM公司的RS6000工作站及CATIA软件，并且采用邀请IBM工程师培训及在国际合作中派出大批设计人员与国外公司联合设计的方法，培养了一大批能熟练应用CATIA的技术人员，我们应用CATIA软件成功地完成了中意、百利等车型的设计开发工作，这些车型已经大批量投放市场。

我们在CAD 方面主要进行以下几个方面的工作：（1）应用CAD进行总布置设计总布置是汽车开发过程中设计工作的第一环节，我们应用CATIA进行汽车的总布置设计，确定发动机和底盘各总成的布置，悬架的结构形式，轮胎的位置及尺寸，以及主要运动机件的行程和间隙，确定汽车主要尺寸和参数，包括质量参数（轴荷分配等），然后是车身总布置，包括车身内外主要控制尺寸，乘坐与操纵空间，对法规与标准要求尺寸的校核（视野、风挡玻璃的刮扫面积等）。

在总布置设计中采用CAD技术的优越性，突出地体现在发动机仓内的布局设计，发动机仓内几百个零部件的复杂安排，利用图纸进行检查，不仅需要花费很长时间，而且遗漏是不可能避免的，因此必须将各种零部件的CAD数据存到数据库中与另行保存的发动机类型等车辆规格数据想结合自动生成布局设计用的数据。

采用CAD方法来检查这些复杂零件之间是否干涉及是否容易安装及维修。

而随着对汽车各种性能要求的日益提高，发动机仓内的零部件如ABS、电喷等系统则不断增加，已经到了非CAD无法进行的地步。

在总布置中必须考虑人机工程学的问题，它要确保驾驶员的手、脚能方便地伸及各个操纵部位，并能舒适地操作（方向盘、仪表板的开关、变速杆和脚踏板等），保证乘员及驾驶员有良好的视野，在CATIA5.6中已经加入了相关模块，进行人机工程方面的设计。

利用CATIA建立的乘员布置图（2）车身、底盘等的结构设计在汽车的设计开发中，大量的工作还是结构设计工作，汽车车身的板筋件的结构是非常复杂的，也正因为如此我们选择了CATIA软件，他有强大的曲面设计和实体造型等功能，我们进行汽车结构设计的数据来源一般有以下几个方面，一是造型设计完成的数据，利用CAI模块从ALIAS转到CATIA；二是直接从图纸获得；三是从测绘数据获得，这在下面还要专门介绍。

我们自从成功地设计开发中意、百利车以后，所有的车型完全采用CAD技术，几乎所有的零部件都必须在工作站上设计和协调，这给我们带来的好处是无法估量的。

利用CATIA建立的中意车仪表板（3）逆向工程技术简单地说，就是从实体模型上采集表面数据，输入计算机后自动建立高质量的三维数学模型的技术，它可理解为仿造产品时进行测绘的一种现代的先进技术，当然它的应用远不限于此，多数汽车制造厂或汽车设计公司的车型开发，仍然靠雕制黏土模型来造型，这自然离不开逆向工程技术。

即使有些公司开始采用最先进的计算机辅助造型设计技术后，不再用人工雕制黏土模型，最后仍然毫不例外地要用数控铣床切出供校验和审批用的实体模型，而这一模型不可避免地有打光工序，或在审批过程中会要求局部的哪怕是细微的修改，都必须返回去修改数学模型，这就是逆向工程的新应用。

我公司在新车型的设计开发中采取第二种方法。

（4）运动模拟及分析。

我们应用CATIA的运动模拟功能对汽车进行前悬架、滑门、前轮定位等机构进行模拟，在设计中解决了大量的实际问题。

（5）START UP MODEL及层、过滤器等设计规范方面的应用。

在与国外合作的过程中，我们逐步建立了一套设计规范方面的管理办法，例如：START UP MODEL的应用；层、过滤器设置的规定；CATIA数据转换及传递的规则等等。

3 计算机辅助工程分析（CAE）计算机辅助工程分析是缩短汽车产品开发周期、提高设计质量和降低开发费用的有效手段。

汽车产品开发过程中的计算机辅助工程分析主要包括一般结构分析；噪声、震动、平顺性分析及操纵稳定性分析；结构耐久性分析；碰撞模拟分析；计算流体动力学分析；钣金成型模拟分析等内容，我公司在CAE领域的应用情况如下：（1）一般结构分析这包括整车和零部件的强度、刚度的计算，以预测零部件在负荷作用下的应力和变形。

对于车身来说，很重要的是分析白车身的弯曲与扭转刚度。

我们应用的软件是CATIA的FEM和MSC-NASTRAN，另外，我们在实际应用中发现CATIA的前置处理上与PATRAN等其他软件相比非常实用，因此，我们的前置处理几乎都用CATIA完成。

用CATIA的FEM简化的中意车有限元模型（2）噪声、振动和平顺性（NVH）分析NVH（Noise,Vibration & Harshness）是影响汽车乘坐舒适性的一个重要方面。

因此，尽管在许多场合，分析结构的强度、刚度时往往同时连带着分析机构的振动情况，但由于用户对汽车的舒适性的要求越来越高，现在，许多公司常专门进行这方面的分析，我们在此方面应用的软件是MSC-NVH。

（3）汽车碰撞模拟分析安全性是当今汽车技术发展的三大要求（节能、安全和环境保护）之一。

汽车的安全性分主动安全和被动安全两方面，汽车碰撞模拟分析的目的就是为了提高汽车被动安全性能。

对汽车被动安全性能的要求，一是吸收能量，缓和冲击，二是在保证车内乘员生存空间的同时，保证碰撞后容易进行乘员的车外救助和脱险。

我公司在汽车碰撞模拟分析上使用PAM-CRASH和PAM-SAFE软件，硬件平台是SGI2100服务器，在百利车设计开发中，利用该软件的模拟使该车型在碰撞实验中一次就通过了国家的安全法规。

百利车碰撞模拟另外，我们于2000年又引进了多体动力学模拟分析软件ADAMS，准备在汽车的操纵稳定性等方面进行更深入的应用，计算机辅助工程分析范围非常广，难度也相当大，在此就不再多写。

4．计算机辅助制造CAM我公司在CAM方面应用的比较早，技术也很成熟，在此也不再多写，现在我公司成立了模具中心，应用CATIA软件进行所有车型的模具设计及编程工作。