汽车设计与开发集成-第5章 虚拟样车流程

5.1.2 所需的IT系统环境
相比CAD系统更关注单个零件细节上的创新 和改动，三维可视软件让用户展望更大的装配部 件或甚至是一辆整车。典型的操作有移动、旋转 和缩放，可视化软件需要简化可区分部分的零件 模型，以此减少操作所需的计算量。为了达成这 样的目的，将封装的模型完全嵌合到每一个零件 中去，并由PDM系统将其相互链接。借由最新技 术的可视化软件，一辆完整的虚拟样车可被实时 观察和移动，当然这取决于计算机的图形表现能 力。
5.1.4零件CAD建模
5.1.4零件CAD建模
普通高等教育汽车工程类 专业规划教材
《汽车设计与开发集成》 王秋成主编
机械工业出版社 2018年6月
5.2 整车几何集成
“几何集成”表示的是确保 在整个汽车开发流程过程中 虚拟样车的几何连贯性从而 避免干涉。确保规定的功能 间隙。
5.2 几何集成
5.1.1 目标与效益
◆ 虚拟样车的作用不是阻断技术人员间的交流 ，而是更加强了交流的需求。一名底盘工程师 花了几个星期设计了后车桥架，现在想在共用 工作空间内继续改进它，他或许会发现之前作 为参考依据的车壳尺寸已经改变了，这使得他 的设计完全没有了适用性。在虚拟样车设计平 台中的同僚们需要不断进行沟通以尽可能地实 现协作设计。
5.2.2 确保功能间隙
功能间隙这一术语表示，以确保正常 功能两部件之间所需的最小间隙。可以根 据需要的最小间隙，以避免（例如排气管 和一个隔热层之间）热传递，以允许可移 动部件在所有自由度的无碰撞的运动（例 如，前轮在驾驶室的运动），或者给予足 够的空间用于振荡运动（如发动机对驱动 转矩发生反应后的小旋转）。
图5.6(b)显示的是源于尾灯的螺栓与主体各自的螺栓孔装配 不匹配的冲突。因为在零部件被发布之前这些空间干涉必须 被更改，而更改只需要相对较少的精力：在三维CAD建模中 ，这些螺纹孔可以轻易的改变。在系列生产阶段，当某个零 部件的几何尺寸改变而相邻部件的尺寸却没有相应的改变， 这种装配不匹配的空间干涉就会频繁发生。
5.1.2 所需的IT系统环境
产品数据管理（PDM）系统负责管理和追踪所有 几何性和非几何性（例如产品编号、描述、成本、材料 、技术图纸等）产品信息的创新或改动，并将这些数据 链接到各自的三维模型上去。为了存储和检索这些数据 ，PDM系统操作着一个产品数据库。PDM系统管理不 同的配置、版本和产品的改款。由此，PDM系统是管 理构建和维护虚拟样车的工具，例如创建一个虚拟材料 清单，即按等级划分的虚拟样车结构。为使产品结构可 视化并使在特定研究情况下选择零件变得更加容易（例 如使所有内部零件可视化或规定一部分范围内的零件可 视化），PDM系统中的用户界面是一个结构数导航（ 见图5.1）
5.2.1 空间干涉检查
当存在问题的虚拟样车被完成并且是最 新版时，可用三维（3D）浏览器自动地检 测空间干涉。被识别有冲突的那些零件会 传送回负责解决零部件冲突的设计师，以 便他们可以评估冲突的危险性【5】。
图5.5显示的是一张用手动添加危险标 注列出的自动生成冲突表。左边两列详细 说明了冲突的零部件，右栏用红色或绿色 指明危险程度。
5.3 深层次功能几何评估
用于检测这些运动间隙的一种有效的方法，是通过沿着 运动的轨迹扫描零件外形的包络线并检测包络线是否符合汽 车的几何外形（见【3】）。这种方法的一种重要应用就是创 建车轮外形的包络线（见图5.8），这个包络线可以代表讨论 中所有汽车轮胎的最大几何膨胀外形。
5.2.1 空间干涉检查 在发布新版本虚拟样车之前，如果两个设计师
只是各自独立地检查他们所负责部分的零件设计 变更，或者一位设计师在发布他的新版本之前没 有检查他设计的零件环境，那么这两个有变更的 零件就可能发生空间干涉。在提供高度同步数据 的虚拟样车并行工程中，虚拟零部件可能会发生 空间冲突或干涉确实，因此必须通过几何集成来 消除空间冲突或干涉，以确保车辆的可实现性。
图5.6(c)显示的是相当危险的，这种刚性部件之间的空间干涉， 需要大幅度修改相关设计图。二在系列研发阶段，这种类型 的空间干涉，经常来自于某个零部件设计更改时，没有同步 更新到整车装配图中。
5.2.1 空间干涉检查
许多设计者认为自动检查空间干涉是检测和发布设计小故 障毛病的一种手段，甚至他们可以从定期的冲突报告中受到启 发。在产品设计阶段期间，他们把空间干涉当作是正常的、中 间的状态。因此，“等着我下个版本的零部件”被当作是解决 空间干涉的典型措施。但是，由于每一个设计者都能够在任何 时候更新他/她的零部件，因此很可能出现这种情况，新版本的 零部件的确可以除去列出来的空间干涉，而在除去原来空间干 涉的同时，也会在虚拟样车的其他地方产生新的空间干涉。对 全局设计而言，自动检查空间干涉是必不可少的，是整车同步 开发的基础。
从概念设计阶段开始，虚拟样车就与整车 设计共享工作平台。在整车集成过程中，车 辆仿真团队对样车车身型式、国别版本、发 动机、变速箱和选配项做出详细说明。由于 虚拟样车的筹备与维护工作的需要，虚拟样 车细分的核心是用有关信息，优选最少的车 辆配置种类（详见3.3.3节）。图5.2展示了 一组虚拟样车的细分结构树。
5.1.2 所需的IT系统环境
可视化软件提供附加的功能例如截面 或非截面的漫游查看，运动学模拟和距 离检测（见5.2.2节）。
对于更高级的功能测试评价（例如 碰撞性能或车厢温度场），专门的模拟 工具会被用于分析虚拟样车的几何和非 几何数据。整车性能特征的模拟将会在 第七章和第八章中进行详细讨论。
5.1.3 车型技术参数
5.2.2 确保功能间隙
“功能空隙”指的是两个零部件之间的最小距 离，以确保合适的功能性。最小间隙可以避免 热传递（例如排气管与隔热罩之间），可以允 许运动部件在各个自由度的无碰撞运动（例如 前轮在车身轮罩内的运动）或者给予充分的空 间进行振荡运动（例如引擎对驱动扭矩做出反 应之后的小旋转）。虽然虚拟零部件之间的干 涉可以通过干涉检查工具等手段轻松的检测出 来，但是确保功能间隙却需要手动检测的。三 维观察仪常常提供工具来测量两个零部件之间 的最小距离。在图5.7的例子中，引擎支架与下 面的冷凝管之间的最小距离为7.5mm。
5.1 虚拟样车建模
5.1.1 目标与效益
产品与流程的虚拟现实技术在过去20年中汽车 研发领域取得最瞩目发展的一个领域。最早三维绘 制软件协助设计师生成零部件的几何体——通常还 会被重新转化为平面零件图。久而久之，通过增加 更多的几何信息（例如一个零件在某一工作空间内 的位置，以及它的表面性质等等），管理方面的信 息（例如零件编号、物料清单（BOM）结构、版 本、改款与配置等等）以及特别是性能特性（例如 材料信息、强度、颜色等等），三维零件构成虚拟 整车的这一过程，成为了车辆协作研发过程的核心 交流平台。
5.1 虚拟样车建模
虚拟样车是所有共享工作平台的所有具体汽车零 部件的代表，这些零件能够使得整车集成的同时并 且协调地开发。除了作为当前设计开发的一个交流 平台，虚拟样车更意味着是模拟与评估车辆特性、 功能、成本和质量的基础。虚拟样车能够有效地建 模汽车零件并且通过提高了零件之间几何尺寸的一 致性与组装过程的预判性，以便更好地组装这些零 件，同时大大地减少了昂贵的零部件和制造装备的 费用。虚拟样车以空前的程度替代了实际原型车。 然而在被动安全的测试中，仍需要实车碰撞试验得 出的结果来验证通过虚拟样车模拟的出来的结果（ 见7.7.3节）。
5.1.2 所需的IT系统环境
虚拟样车的协作开发与分析需 要一套兼容的、至少部Hale Waihona Puke Baidu标准化 的IT系统环境（见图5.1）：
3D CAD建模工具，如CATIA，
Pro / ENGINEER，UGNX或
Solid Works可以用于创建车辆
零部件的3D模型。因为几乎车辆
的所有可见表面必须满足很高的
审美要求，最初可能是参照粘土
。
5.2.1 空间干涉检查
许多设计者认为自动检查空间干涉是检测和发 布设计小故障毛病的一种手段，甚至他们可以从 定期的冲突报告中受到启发。在产品设计阶段期 间，他们把空间干涉当作是正常的、中间的状态 。因此，“等着我下个版本的零部件”被当作是解 决空间干涉的典型措施。但是，由于每一个设计 者都能够在任何时候更新他/她的零部件，因此很 可能出现这种情况，新版本的零部件的确可以除 去列出来的空间干涉，而在除去原来空间干涉的 同时，也会在虚拟样车的其他地方产生新的空间 干涉。对全局设计而言，自动检查空间干涉是必 不可少的，是整车同步开发的基础。
5.1.4零件CAD建模
作为虚拟样车的起点，车辆仿真团队为每辆 虚拟样车提供了结构环境和共享的工作空间。之 后，几何数据一步步地由设计中心添加进来并进 行定位。在概念设计阶段开始时，当新车概念被 创建出来时，有关汽车部件都是以简单而基本的 几何形状来表征的（如立方体、棱柱体等）。之 后虚拟样车成为设计与分析工作的基础【2】。
5.3 进一步的功能几何评估
5.3.2 汽车运动学的评估 另一个几何集成流程的先进应用是汽车运动学
的验证。 ● 操作动作，比如说在任意位置的换挡（在杯架 中的不同种类的瓶子和烟灰缸盖子的开或关）或 简单的车门，车顶和后备箱盖的移动。 ● 功能操作，比如说底盘、悬架和轮胎的震动和 回弹，转向部件和前轮的回正，或车窗的升降。
5.2.1 空间干涉检查
在系列开发阶段中，在开始几何学分析之 前，需要验证CAD模型的品质与可用性：模型 是否完整？模型的定位是否正确？模型是否为 最新版的？
图5.5显示的是两种发生几何冲突的虚拟 皮带驱动的场景：一种是缺少驱动轮，另一种 是有一个多余的废弃传动带。
5.2.1 空间干涉检查
图5.5 多余的废弃传动带（左图）和缺失驱动轮（右图） （来源：宝马）
（见第7.3.1.5），自由曲面造型
图5.1
是在汽车设计中CAD系统最重要
的功能。
5.1.2 所需的IT系统环境
得益于在自由曲面绘制这一领域中的强势， CATIA和UG在汽车行业中成为了近乎标准的设 计软件。
在早期的三维计算机辅助设计系统中，设计师 需要去选择和修改基本几何形状或曲面来绘制零 件几何尺寸，如今他们可以使用面向特征的建模 方式根据设计意图来设计零件（例如一个镗孔式 样或是一个密封圈的槽）。同样的，目前的三维 计算机辅助设计系统可提供特定的工具来创建例 如线束、管道与导管等模型。
5.2.1 空间干涉检查
如图5.6所示，在虚拟零部件中检测到 的空间干涉临界条件相差很大：
图5.6 冲突：安全（左），较危险（中），危险（右）（来源：宝马）
图5.6（a）中的空间干涉是不危险的。橡胶软管与支架之间检 测到的空间干涉，现实中是固定在软管的弹性属性材料上。另 外一个不属于危险的空间干涉典型例子是发生在车门的密封圈 与车体侧框架之间的干涉。这些密封圈常常塑造为不会变形的 形状，预装在与车门相关的位置。当它代表整车安装时，这些 密封圈自然而然就会跟车体的框架模型发生空间干涉，这是因 为虚拟的密封圈不会像真正的密封圈一样可以变形。
5.2.2 确保功能间隙
图5.7 零部件之间的空隙分析（来源：宝马）
5.3 深层次功能几何评估
5.3.1后备箱储物空间 为了确保在座舱和后备箱中储存个人物品的最
佳实用性，这些物品以3D模型呈现并加入到虚拟 样车中。包括了虚拟载荷的几何集成流程，将底 盘、座舱和后备箱的尺寸及可成形性作为一个整 体，在产品开发流程的早期阶段进行验证（可与 7.3.3.3节比较）。
普通高等教育汽车工程类专业规划教材 《汽车设计与开发集成》，王秋成 编著
机械工业出版社，2018年6月
第五章 虚拟样车流程
浙江工业大学 车辆工程研究所 王秋成 博士、教授 2018 -8- 3
第五章 虚拟样车流程
摘要：虚拟车辆流程包含了对整个原型车的研 究和开发（R&D）工作——也就是计算机辅助 设计（CAD）、计算机辅助制造(CAM)与计算 机辅助测试（CAT）。涵盖了几何和功能数据 ，虚拟样车不仅仅是目前推动分散设计的基础 ，更是车辆原型研发过程中用以提高效率的最 重要手段。