摩托车虚拟样机的设计研究及应用(1)

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1　虚拟样机技术在摩托车领域内的应用
在信息技术及计算机技术的发展推动下，虚拟样机技术在摩托车领域中的应用也越来越广泛。

利用虚拟样机技术开发摩托车产品的过程实质上是摩托车产品全生命周期基于模型的不断提炼和完善的过程，和传统的物理样机相比，摩托车虚拟样机具有以下特点。

a ）系统的观点。

强调在系统层次上模拟产品的外
摩托车虚拟样机的设计研究及应用(1)
Abstract: Virtual prototyping technology is a kind of digital design technology based on virtual prototyping. By using virtual prototyping technology, optimal design scheme can be obtained to improve design quality, shorten product development cycle, reduce product development cost and enhance product market competitiveness. In this paper, a 110 motorcycle is taken as a research object, the characteristics and developing process of the motorcycle ’s virtual prototype are introduced, and the parametric modeling method of the motorcycle's key components and the establishment of a motorcycle virtual prototype are also described.
Key words: Virtual prototyping technology Developmenet process Component modeling
Hu Jiafeng Hou Chuanning Wu Donghua
(Jincheng Group Co., Ltd.)
Design and Application of Motorcycle Virtual Prototype(1)
摘要：虚拟样机技术是一种基于虚拟样机的数字化设计技术，利用虚拟样机技术，可以获得最优设计方案，以提升设计质量，缩短产品开发周期，降低产品开发成本，增强产品市场竞争力。

本文以某款110型摩托车为研究对象，介绍了摩托车虚拟样机的特点和开发流程，简述了摩托车关键零部件的参数化建模方法及摩托车整车虚拟样机的建立。

关键词：虚拟样机技术　开发流程　零件建模
胡家凤　侯传宁　吴栋华（金城集团有限公司）
观、功能和在特定环境下的行为。

b ）涉及摩托车全生命周期。

摩托车虚拟样机可运用于摩托车开发的全生命周期，并随着摩托车生命周期的演进而不断丰富发展。

c ）支持摩托车的全方位测试、分析和评估。

采用各领域专家并行协同自主的IPT 工作方式，利用摩托车虚拟样机在摩托车概念设计阶段预测摩托车的特征及响应，快速分析、比较多种设计方案，确定主要设计参数，获得较优的摩托车性能。

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d ）成本低，速度快，灵活性强。

建立虚拟样机的工作周期远远小于物理样机的制造时间，且虚拟样机的数据便于修改，避免了在获得最优设计方案之前，花费的物理样机的制造时间与费用，从而大大降低了研发成本、缩短了研发周期、减少了设计更改，提高了设计质量。

摩托车虚拟样机以先进建模仿真理论为指导，综合运用先进建模仿真技术、现代信息技术、先进设计制造技术和现代管理技术，用产品的集成数字样机代替物理样机对摩托车进行创新设计、测试和评估，从功能、性能和行为上模拟真实产品，为产品的全生命周期设计提供支持，从而达到缩短开发周期、降低成本、改进产品设计质量，提高企业面向客户，敏捷响应市场的能力[1-3]。

2　摩托车虚拟样机的开发流程
虚拟样机设计的开发过程是以人为中心的，对产品外观、性能的优化设计过程。

它将分布的、来自不同学科领域的模型集成在一起，进行并行协同设计工作，在制造物理样机前实现外观、性能评估，将设计缺陷尽可能的消灭在物理样机制造之前，最大程度的提高设计质量，摩托车虚拟样机设计开发流程如图4所示，主要分为下面几个阶段。

a ）摩托车虚拟样机的系统设计及方案论证。

b ）出效果图，按确认的效果图进行实物样车油泥造型（见图1）。

图1　整车油泥造型图2　数字虚拟样车
图3
　快速成型样车
c ）利用ATOS 光学测量仪采集油泥模型点云，对点云数据进行处理后完成数据格式的转换。

d ）根据采集的数据，运用三维CAD 软件进行零部件设计，并进行整机虚拟装配（见图2）。

检查零部件间是否有干涉，数字模型是否满足造型设计要求。

e ）零部件CAE 分析，子系统数字仿真分析。

f ）根据分析结果，修改和优化零部件和子系统的数字模型。

g ）摩托车虚拟样机评估（见图3）。

h ）摩托车虚拟样机整机测试分析。

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图4　摩托车虚拟样机设计开发流程图
3　关键零部件的建模技术
要建立摩托车虚拟样机，首先须对摩托车的各关键零部件建模。

摩托车主要包括发动机、车体、操纵系统、悬挂系统、行走系统、制动系统、电器系统及外覆盖件，如表1所示。

对于摩托车的各零部件，采用Creo 进行实体建模；因本款摩托车的外覆盖件比较多，曲面造型亦比较复杂，对其采用UG 建模。

概念设计
实物样车油泥造型
效果图确认
数据采集
CAD 三维造型软件
曲面拟合，生成模型
CAM 快速成型系统
覆盖件、结构件样件
样机装配
样机是否合理
路试及其他相关试验
结构、强度是否满足要求
数据输出，开模，制造物理样机
改善安装结构、方式等
否
否
是
是
表1　摩托车主要零部件清单表
部件名称零件名称
发动机左右曲轴箱、化油器、边盖车体车架、油箱、座垫、置物盒操纵系统龙头手把、操纵钢索
悬挂系统
下联板、前减震器、后减震器、后平叉
进排气系统空气滤清器、消音器总成行走系统前轮辋、后轮辋、前轮胎、后轮胎制动系统前制动器总成、后制动总成、后制动脚踏
电器系统
　前大灯、前转向灯、后尾灯、稳压器、点火器、导线束总成、电锁组件
外覆盖件
　手把前罩、手把后罩、前面罩、左挡风板内侧、左挡风板外侧、左车体盖、左尾罩、右挡风板内侧、右挡风板外侧、右车体盖、右尾罩、中心尾罩、中心护盖、前挡泥板前部、前挡泥板后部、后挡泥板
其他零件
　单撑、中撑、前脚踏组件、左铝脚踏、右铝脚踏、后扶手、轴类零件、紧固标准件
3.1　数据采集
对摩托车的各零部件建模的前期工作是对油泥样车进行数据采集。

本款车型主要是采用ATOS 流动式光学测量仪进行数据采集[4-5]。

ATOS 流动式光学测量仪（ATOS I 350 XL ＋TRITOP 数码照相定位系统）是德国“GOM ”公司最
先进的光学测量设备，采用投影光栅法进行数据采集。

投影光栅法是一类主动式全场三角测量技术，测量时系统采用普通白炽光带将正弦光栅或矩形光栅投影于被测物面上，根据2个CCD 相机摄取变形光栅图像，再根据变形光栅图像中条纹像素的灰度值变化，解算出被测物面的空间坐标，这类测量方法具有很高的测
量速度和较高的精度，测量速度可大于43 000点/秒，单帧精度为±0.03 mm ，整体测量精度好于0.1 mm/m 。

ATOS 流动式光学测量仪选配多个测量头，测量适用性特别强，测量领域从发动机小部零件到摩托车整车的整体外覆盖件[5]。

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本款摩托车的数据采集过程为：
a ）在油泥样车表面喷显像剂，细节特征处喷涂均匀；待显像剂干后再选择性地粘贴ATOS 系统专用参考点、TRITOP 系统专用数码点、比例尺。

b ）用TRITOP 专用数码相机拍摄，每张影像至少拍5个数码点，再经TRITOP 软件处理后输出工件上参考点的空间位置坐标。

c ）将参考点的空间位置坐标输入到ATOS 软件系统中，进行ATOS 扫描，此时ATOS 可以从任何识别的参考点开始，不但扫描速度快，而且精度高，如图5
所示。

图5　ATOS 系统数据采集示意图
d ）将ATOS 扫描的整车点云进行处理并输出成stl 格式。

e ）采用Imageware 等软件对点云数据进行预处理。

主要是对点云进行降噪、除杂、过滤、边界提取、拼接等，这是由于ATOS 系统对光线比较敏感，因此在测量中会产生噪声点而影响到曲线、曲面的生成和测量数据的准确性，必须通过全方位观察，去除点云数据噪声点。

完成整车点云数据采集后，需对主要零部件进行数据采集，然后进入3D 建模阶段。

3.2　实体建模
运用Creo 软件对摩托车的各大部件系统进行实体建模，主要考虑问题如下。

a ）因匹配的发动机是现有的批生产产品，直接根据图纸进行实体造型。

主要考虑发动机跟整车的连接点，以及发动机的外形，因其可能与整车产生干涉，因此，可把发动机作为1个刚体建模。

b ）车架是整车建模工作的重点，车架的准确性直接关系到整车的质量。

先根据采集并处理过得数据，在车架零点建立基准坐标系，运用插入模块的扫描功能，完成车架的车头管的设计；然后通过Creo 的拉伸、旋转等工具完成车头管上的各小安装板零件；通过采集点，草绘车架主管的轨迹线，通过曲面扫描完成主管曲面的建立，再通过加厚命令完成主管的设计；通过填充、镜像、边界混合、孔等命令完成加强板曲面的建立，加厚后完成加强板设计，同理设计完成各安装板；发动机安装板的曲面复制于采集处理数据，然后加厚，生成实体；左、右管等管件均通过复制、加厚，生成实体；通过拉伸、偏移、加厚等命令完成尾部安装板的设计；完善剩余的安装点的设计，完善车架模型。

具体过程可参考图6。

c ）对车体其他零件建模时，
复杂零件（如置物盒）的安装面须从车架模型上拷贝过去，这样就可以减少设计误差。

d ）悬挂系统地零件一般采用组件装配建模。

考虑到悬挂系统的前、后减震器在实际工况下是相对运动的，因此在建模时，前减震器一般建为2个零件：铝筒和减震立柱，装配时根据前减的行程调节其自由长度以适合不同状态下的整车状况。

后减震器主要分为3个零件：上接头、减震弹簧和阻尼器组件，其中减震弹簧是在组件模式下采用螺旋扫描建立的，这样当后减行程改变时，弹簧也随之变动，更符合实际工况。

e ）行走系统的建模中，主要考虑的是外观，即轮辋得花纹。

轮辋的装配尺寸是标准值，选定轮辋的规格后，可根据国家标准规定的数据建立零件族。

（未完待续）。